[发明专利]一种基于相变材料的可调谐左手超材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于相变材料(GST)的可调谐负折射率器件，可应用于微波工程、电磁隐身、医学成像和负折射率透镜等领域。

背景技术

左手材料的奇异电磁特性可以突破传统介质的物理极限，实现诸多新颖功能，例如，突破现有透镜的波长极限，实现具有亚波长成像特点的“完美透镜”；还可有效引导电磁波的传播路径，实现真正的电磁隐身，同时也面临着新的挑战，比如，左手超材料具有周期性结构，因此其负折射率的工作频段过窄，为了解决这些问题，人们做了很多尝试，由此形成了电磁学领域的一个新的热点：可调谐左手超材料。

1996年，Pendry提出通过金属线阵列实现负介电常数，用开口谐振环实现负磁导率。2000年，Smith 等人将这二者结合，制造出具有负折射特性的左手材料，并与2003年被Science评为十大科学进展之一。利用左手材料实现新型高指向性天线、可调天线罩、微波滤波器、陷波器、耦合器等微波器件的设想与研究已有很多报道，成为最前沿的科技领域之一。而具有频率可调谐性的左手超材料更是得到了人们的广泛关注。Shadrivov和Chen等人分别提出在开环谐振环结构中外加变容二极管来调节其频率特。Degiron等人设想在开环谐振环结构中引入电导率可调的半导体来实现可调左手材料。Zhao等人将开环谐振环结构浸在液晶之中，通过外加电场调节液晶的介电常数实现结构的频率可调谐性。

上述可调谐左手超材料，需要引入外加可调器件，将会增加超材料结构的复杂性。而液晶又具有流动性与腐蚀性，会给左手材料的实际应用带来很大的难度。

 如可直接调节左手超材料的介电常数或磁导率，将有效简化可调谐左手超材料的实现难度，大大推进其实用化进程。因此，本发明提供一种基于相变材料的可调谐左手超材料。通过在金属层-相变材料层-金属层-氧化层基板上，制备具有周期性结构的孔阵列，使其具有可调谐负折射率，从而解决左手超材料工作频段窄的技术问题。本发明利用相变材料介电系数随外加电场或温度改变而变化的特性，实现左手超材料工作频率的可调谐，最大调节幅度可达43％。

发明内容

本发明针对上述可调谐左手超材料的问题，提供了一种基于相变材料的可调谐左手超材料，该器件具有结构简单、操作容易、 工作频率调谐范围大等特点。

本发明解决问题采用的技术方案如下：基于相变材料的可调谐左手超材料是基于多层结构的器件。其上具有周期性结构的孔阵列，使其具有负折射率和负磁导率，通过改变相变材料的介电常数，使负折射率和负磁导率的工作频率发生位移，从而实现可调谐左手超材料。所述的多层结构是通过在玻璃衬底上生长金属层、相变材料层、金属层和氧化层而成，金属层的宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米，相变材料层宽度在1微米至2厘米、高度在20纳米至10微米；氧化层宽度在1微米至2厘米、高度在1纳米至1微米。金属层包括Al、Ag、Au、Cu、Ni。相变材料层包括GeTe, Ge₂Sb₂Te₅, Ge₁Sb₂Te₄, Ge₂Sb₂Te₄, Ge₃Sb₄Te₈, Ge₁₅Sb₈₅，Ag₅In₆Sb₅₉Te₃₀。氧化层包括In₂O₃、SnO₂、ITO。所述的周期性孔矩阵孔是三角形、方形、圆形、椭圆形、弧形、十字形、六边形；孔的宽度在20纳米至1微米、高度在60纳米至30微米。周期性孔矩阵可以通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，如电子束曝光(E-beam lithography)、聚焦离子束曝光(Focus Ion Beam lithography) 和反应离子束刻蚀(Reactive Ion Etching, RIE)等，其特点是底部平坦，空壁光滑，侧面形状不限。

 所述的多层结构可以通过材料生长工艺实现，如电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，和分子束外延技术

所述的基于相变材料的可调谐左手超材料可以通过控制外加电场或温度，改变相变材料介电系数，进而实现可调谐负折射率。