二氧化钒对异向介质太赫兹调制特性的研究_余萍_熊狂炜

基金项目:国家自然科学基金(51872038)收稿日期:2020-01-14㊀㊀㊀通信作者:王旭作者简介:高敏(1983-),女,四川成都人,副教授,研究方向为薄膜材料及其器件的制备和性能表征;王旭(1995-),女,湖北武汉人,研究生,研究方向为信息材料与元器件㊂第39卷㊀第5期2020年5月电子元件与材料ELECTRONIC ㊀COMPONENTS ㊀AND ㊀MATERIALSVol .39No .5May .2020二氧化钒复合薄膜太赫兹透射率模拟王㊀旭,陈思宏,高㊀敏,林㊀媛(电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室,四川成都㊀610054)㊀㊀摘要:二氧化钒(VO 2)是一种具有可逆热致相变性质的材料,在太赫兹调制领域具有应用潜力㊂为了确认VO 2复合薄膜对太赫兹调控的可行性,在进行相关实验之前,首先运用CST Studio Suite 电磁仿真软件进行模拟研究,主要探究了VO 2及其与金属光栅结合的复合薄膜的相关参数对太赫兹透射及调控的影响㊂仿真结果表明,VO 2能很好地调控太赫兹的透射幅度,调控深度可由相变幅度控制㊂另外仿真发现,对VO 2复合薄膜而言,通过控制光栅的参数变化可以改变太赫兹透射幅度,并且可以通过调控光栅周期实现对太赫兹调制深度控制㊂关键词:二氧化钒;金属光栅;太赫兹调制;透射率;仿真DOI :10.14106/j .cnki .1001-2028.2020.05.008中图分类号:O 4441;TB 383.2㊀㊀㊀文献标识码:A ㊀㊀㊀文章编号:1001-2028(2020)05-055-05Simulation of terahertz transmittance ofvanadium dioxide composite filmWANG Xu ,CHEN Sihong ,GAO Min ,LIN Yuan(State Key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,University of Electronic Science andTechnology of China,Chengdu 610054,China)㊀㊀Abstract :Vanadium dioxide is a material with reversible thermo -induced phase transition properties and has potential application in the field of terahertz modulation.In order to confirm the feasibility of terahertz control of vanadium dioxide composite thin film ,CST Studio Suite electromagnetic simulation software was used to do simulation research before carrying out relevantexperiments ,the effects of related parameter of VO 2and its composite thin film on terahertz transmission and regulation wereinvestigated.The simulation results show that VO 2can well regulate the transmission amplitude of terahertz ,and the modulation depth can be controlled by the phase change amplitude.In addition ,it was found that for composite films ,the terahertz transmission amplitude can be changed by controlling the parameters of the grating ,and the terahertz modulation depth can be controlled by adjusting the grating period.Key words :vanadium dioxide ;metal grating ;terahertz modulation ;transmittance ;simulation㊀㊀太赫兹(THz )波是指频率范围为0.1~10THz ,波长范围为0.03~3mm 的电磁波,介于微波与红外波之间,在研究早期由于缺少对太赫兹产生源和太赫兹探测器的有效研究和技术支持,涉及太赫兹波段的研究结果和数据非常少,这一波段也被称为 太赫兹空隙 [1]㊂太赫兹是一种新型的辐射源,具有许多独特的优势,例如高空间和时间相干性㊁高信噪比和低光子能量㊂因此太赫兹波在实际生活中的应用也越来越广泛,比如用于材料的光谱表征[2]㊁医学成像[3]㊁光数据存储加密㊁无线通信系统[4]以及非破坏性传感[5-6]等㊂通过对太赫兹波进行调控以适用于不同的工作环境是目前要考虑的问56㊀Vol .39No .5May .2020题㊂然而很多自然物质对太赫兹波的有效响应很小,现有的电子器件和光学器件对太赫兹的传输与调节也很难达到人们的要求,这限制了太赫兹在实际生活的推广应用,因而需要寻找新材料㊁新结构㊁新方法来提高对太赫兹调控的能力,让太赫兹波在实际中得到更广泛的应用㊂目前对太赫兹的调制主要是利用电磁超材料[7-9]来实现㊂超材料(MMs )是指具备天然材料不具备的电磁特性且具有人造周期结构的材料,其奇异的电磁响应特性为太赫兹调控器件提供了有效的解决方案[10-11]㊂通过调节结构的形状㊁关键尺寸㊁改变材料的种类等来控制对太赫兹的响应,可以实现电磁波与光波性能的任意切换,目前实现了隐身斗篷㊁电磁波全吸收器件等㊂遗憾的是,以往基于超材料的太赫兹调控器件一般都是由金属材料或者金属与介质层结合构成的复合材料,在尺寸和组成材料种类固定后,在实际应用中器件对于太赫兹的调控往往也固定不变,这种方法只能在特定的外界条件如特定的温度下实现单一的功能,无法实现对太赫兹的动态调控,而且一般用到的介质层都是微米级别比较厚,对于器件的电学㊁热力学等性能影响较大㊂另外最常见的结构设计是SSR 谐振环结构,这种图形结构的设计参数复杂,在实际制备中需要对准套刻,步骤多,工艺难度大,并且在调节其中一个参数的同时需要系统地调节其他结构参数,以保证能够满足电磁理论的相关条件,操作相对复杂,因而需要探寻新的材料和新的调制方法来调控太赫兹㊂二氧化钒(VO 2)作为热致相变的代表材料,其在340K (68ħ)会发生由单斜晶系结构的绝缘相到四方金红石结构的金属相的相变[5],相变前后在光学方面会产生低温高透过率和高温低透过率的变化[6-7]㊂由于二氧化钒独特的性质,在宽光谱范围内可以通过对二氧化钒的温度控制来控制连续调谐电磁波的传输,因此二氧化钒可以用于电磁波调制和切换应用[10-15]㊂本文针对以往太赫兹调制方法中遇到的制备工艺复杂㊁调节条件受限等问题,利用简单的金属光栅结构结合具备优异热致相变性质的二氧化钒材料,制备了二氧化钒光栅复合薄膜,简化工艺的同时也能得到很好的太赫兹调制效果,并探究了诸如薄膜电导率㊁光栅占空比㊁光栅周期㊁薄膜表面起伏高度等相关参数对太赫兹透射和调制深度的影响㊂通过分析仿真结果,发现所设计的二氧化钒光栅复合薄膜能很好地调节太赫兹透射幅度,且调节深度受到光栅周期控制㊂结合理论模拟可知,光栅周期通过控制二氧化钒复合薄膜的表面高度差来调节太赫兹波的透射㊂仿真结果为实际制备这种复合薄膜提供了理论支持,也为调节太赫兹提供了一种简单经济的办法㊂1　模型与仿真本文中所设计的二氧化钒复合薄膜的结构如图1所示㊂先在蓝宝石基底上利用光刻溅射技术制备光栅结构,再在上面沉积二氧化钒薄膜㊂主要分为三层,底层灰色部分为蓝宝石衬底,中间层金色部分是金属光栅结构,最上层包括间隙处的粉色部分均为VO 2薄膜㊂在使用CST Studio Suite 软件进行仿真时,基底厚度设置为500μm ,金属电导率为4.551ˑ107S /m ,其他数量型参数设置为变量,先进行参数定义后赋值,这样在之后的仿真中想要连续进行多种情况计算时就可以直接选择参数扫描㊂图1㊀VO 2光栅复合膜的示意图Fig .1㊀Schematic diagram of VO 2-grating composite film为了简化仿真,只构建了一个周期单元结构㊂X 方向为平面上垂直于金属光栅周期的方向,Y 方向为平行于金属线条的方向,Z 方向为空间高度方向,在周期单元的选择上本实验所涉及的光栅结构可以进行多种形式的划分,如图2所示为XY 平面的俯视图,经过XY 平面的拓展后得到的结构都是一样的,本文在仿真时综合考虑计算的简洁性,选择将计算模型构建为对称的周期单元结构,如图2(b )所示,其中金色部分为金属线条,灰色部分为蓝宝石衬底㊂由于计算机只能计算有限扩展的问题,因此需要指定边界条件㊂在X 方向和Y 方向设置为周期单元边界条件,可以在这两个方向上周期性地重复建模,在Z 方向设置为开放性边界条件,端口电磁波王旭等:二氧化钒复合薄膜太赫兹透射率模拟第39卷㊀第5期57㊀的传播模式设置为TM 和TE 两个模式㊂太赫兹透射率由频域求解器进行计算,仿真频率范围为0.5~2.5THz㊂图2㊀三种不同的周期单元Fig .2㊀Three different cycle units2　结果与讨论如图3所示,首先对蓝宝石衬底的太赫兹透射性进行了仿真㊂仿真结果表明蓝宝石衬底具有70%的透射率,太赫兹损耗较小,适合作为探究太赫兹波段透射性的实验衬底㊂图3㊀蓝宝石衬底的太赫兹透射率Fig .3㊀THz transmission of sapphire substrate然后研究了二氧化钒薄膜对于太赫兹的透射性能,主要仿真了二氧化钒的薄膜厚度㊁电导率变化及变化幅度对太赫兹透射率和调节深度(MD )的影响㊂如图4所示,二氧化钒薄膜随着厚度增大对太赫兹的透射降低,这是因为厚度的增加不仅使得太赫兹透过时经历的时间变长,也会带来更多的缺陷,从而使得损耗增大,响应的振荡也增多㊂在太赫兹频段,二氧化钒薄膜的透射率随薄膜电导率增大而减小㊂这一现象可以由二氧化钒的相变性质来解释㊂二氧化钒电导率的改变实际对应于结构的改变,二氧化钒具有热致相变特性,当温度升高,二氧化钒由绝缘相开始向金属相转变,载流子增多,电导率增强,对太赫兹的反射和吸收增大,因而透射率随之降低㊂由公式(1)可以更加直观地看到薄膜厚度与电导率㊁频域下太赫兹透射率的关系㊂T (ω)=1+n substrate1+n subsrate +Z 0σ(ω)d film(1)式中:Z 0是自由空间的阻抗,设置为377Ω;n substrate 是蓝宝石衬底的折射率,值为3.3;σ是薄膜的电导率;d film 为薄膜厚度[8]㊂图4㊀二氧化钒薄膜的厚度对太赫兹透射率的影响Fig .4㊀Effect of thickness of vanadium dioxide filmon THz transmission薄膜电导率变化幅度对应于二氧化钒薄膜的MIT 特性,是衡量二氧化钒质量的一项重要参数,电导率变化幅度由二氧化钒金属相电导率与绝缘相电导率相比得到㊂太赫兹调制深度(MD )可以由公式(2)求出㊂MD =T M -T R T M(2)式中:T M 和T R 分别代表频域下二氧化钒薄膜绝缘相和金属相的太赫兹透射率㊂仿真时用R 和M 分别代表薄膜金属相和绝缘相的电导率,两者的比值代表薄膜的电导率变化幅度㊂可以看到随着电导率增加,太赫兹透射幅度减小,这与二氧化钒相变特性是一致的,温度增加,电导率增加,对太赫兹反射吸收增加,透射率下降,这与之前文献报道的结果是一致的[9]㊂进一步探讨了相变幅度随着电导率变化幅度增大,二氧化钒薄膜对太赫兹的调制深度也逐渐增大㊂仿真结果说明,二氧化钒的质量将会对太赫兹透射及调控深度产生影响㊂王旭等:二氧化钒复合薄膜太赫兹透射率模拟58㊀Vol .39No .5May .2020图5㊀二氧化钒薄膜的电导率对太赫兹透射率和调制深度的影响:(a )对透射率的影响;(b )对调节深度的影响㊂其中σ代表薄膜的电导率,R 和M 分别代表薄膜金属相和绝缘相的电导率Fig .5㊀Effect of conductivity of VO 2film on THz transmission and modulation depth (MD ):(a )Effect on transmittance ;(b )Effect on modulation depth.In the figures σrepresents the conductivity of the thin film ,and R and M represent theconductivity of the metal phase and the insulating phaseof the thin film ,respectively在对二氧化钒调制太赫兹的原理和影响因素仿真分析的基础上,进一步对二氧化钒复合薄膜的光栅偏振方向㊁光栅占空比㊁光栅周期㊁薄膜表面高度差等主要结构参数对太赫兹性能的影响进行了仿真和分析㊂由于一维亚波长表现出明显的双折射效应,即对入射光的偏振方向敏感,在仿真时分别计算了TM (垂直于光栅)和TE (平行于光栅)方向的透射率,结果如图6所示㊂在TM 方向透射率较大,而TE 方向透射率很小,这是因为在TE 偏振方向金属表面电子沿金属线条自由震荡,光栅层对TE 偏振波等效于金属使得在该方向传播的电磁波被强烈反射,而对TM 方向光栅层等效为介质层,电子振荡受阻,电磁波可以通过光栅层,透射较强,基于这一理论得到了清晰的仿真结果㊂因此之后在分析二氧化钒复合薄膜的透射率时只看TM 方向的透射结果㊂如图7所示,仿真了光栅周期为10μm ,占空比分别为0.2,0.3,0.4和0.5的二氧化钒复合薄膜的太赫兹透射率㊂占空比f 定义为金属线条占整个光栅周期的比例㊂从图7中可以看到,随着占空比的增加,透射率逐渐降低㊂占空比越大,表明金属所占比例越多,间隙越窄,入射太赫兹波与金属表面的作用越强,波在缝隙间的耦合程度也越大,损耗增多,透射率降低㊂但同时高的占空比也意味着高的消光比,透射率和消光比这两者是矛盾的关系,实际中可根据需求设定不同的占空比㊂图6㊀二氧化钒复合薄膜在TM 和TE 方向的太赫兹透射率:(a )TM 方向;(b )TE 方向Fig .6㊀THz transmission of vanadium dioxide composite films in TM and TE directions :(a )TM direction ;(b )TEdirection图7㊀相同光栅周期(p =10μm )下不同占空比的二氧化钒复合薄膜的透射率Fig .7㊀Transmittance of vanadium dioxide composite films with different duty cycles at the same grating period (p =10μm )王旭等:二氧化钒复合薄膜太赫兹透射率模拟第39卷㊀第5期59㊀先前的实验中发现由于薄膜沉积在不同的光栅周期结构上表面会呈现不同的高低起伏,即金属线条部分的高度(金属厚度加上沉积在金属上的薄膜厚度的和)和间隙部分(沉积于间隙中的薄膜的厚度)的高度差不同,周期越大表面高度差越大,对太赫兹将产生不同的调制效果,因此也对薄膜表面起伏高度和周期这两个参数进行了太赫兹透射仿真,仿真时将高温金属相的电导率设置为106S /m ,得到的透射率接近于0,则仿真的室温绝缘相的透射率同时也等于调节深度㊂结果如图8所示㊂保持表面高度差不变只改变周期时得到的透射率基本一致,而保持周期不变改变表面高度差时,发现透射率随表面高度差增大而增大㊂说明周期并不直接影响太赫兹透射,而是通过影响表面起伏高度对太赫兹透射产生影响㊂图8㊀(a )仿真计算得到的不同起伏高度和相同周期(8μm )的二氧化钒薄膜的室温透射率;(b )仿真计算得到的不同周期和相同起伏高度(100nm )的二氧化钒薄膜的室温透射率Fig .8㊀(a )Calculated room temperature transmittance of VO 2films with different fluctuation heights and the same period(8μm );(b )Calculated room temperature transmittance ofVO 2films with different periods and the samefluctuation height (100nm )3　结论本文对二氧化钒及其复合薄膜的相关参数进行了太赫兹透射仿真,探讨了各参数对于太赫兹透射性能的影响㊂综合上述仿真结果可知,二氧化钒的质量对于太赫兹透射具有重要影响,同时对于二氧化钒光栅复合薄膜而言,光栅的占空比和周期都对太赫兹调制起重要作用㊂仿真发现:占空比越小太赫兹透射越高,周期越大太赫兹调制深度也越大㊂利用二氧化钒光栅复合薄膜可以很好地调控太赫兹的透射率及调制深度㊂仿真结果为实际制备这种复合薄膜提供了理论支持,也为调节太赫兹提供了一种简单经济的办法,对进一步推广太赫兹在实际生活中的应用具有重要意义㊂参考文献:[1]Sirsori C.Bridge for the terahertz gap [J ].Nature ,2002,417(6885):132-133.[2]Bertolotti M.Terahertz spectroscopy :principles andapplications [J ].Contemporary Physics ,2010,51(4):366.[3]Siegel P H.Terahertz technology in biology and medicine [J ].IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques ,2004,52(10):2438-2447.[4]Krumbholz N ,Gerlach K ,Rutz F ,et al.Omnidirectionalterahertz mirrors :a key element for future terahertz communication systems [J ].Applied Physics Letters ,2006,88(20):202905.[5]Liang W ,Gao M ,Lu C ,et al.Enhanced metal -insulatortransition performance in scalable vanadium dioxide thin films prepared using a moisture -assisted chemical solution approach [J ].ACS Applied Materials &Interfaces ,2018,10(9):8341-8348.[6]Yue F ,Huang W ,Shi Q ,et al.Phase transition propertiesof vanadium oxide films deposited by polymer -assisted deposition [J ].Journal of Sol -Gel Science and Technology ,2014,72(3):565-570.[7]Fan L L ,Chen S ,Wu Y F ,et al.Growth and phasetransition characteristics of pure M -phase VO 2epitaxial film prepared by oxide molecular beam epitaxy [J ].Applied Physics Letters ,2013,103(13):131914.王旭等:二氧化钒复合薄膜太赫兹透射率模拟。

《基于二氧化钒的太赫兹超材料滤波器设计与研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，太赫兹波（THz wave）在通信、雷达、生物医学等领域的应用越来越广泛。

太赫兹超材料滤波器作为太赫兹波技术中的重要组成部分，其设计与研究对于提高太赫兹波技术的性能和应用范围具有重要意义。

本文将重点介绍基于二氧化钒（VO2）的太赫兹超材料滤波器的设计与研究。

二、二氧化钒材料概述二氧化钒（VO2）是一种具有相变特性的材料，其相变温度约为68℃，在相变过程中，其光学和电学性能会发生显著变化。

这种特性使得VO2在太赫兹波技术中具有广泛的应用前景。

特别是在设计太赫兹超材料滤波器时，VO2的相变特性可以实现对滤波器性能的动态调控。

三、太赫兹超材料滤波器设计1. 设计原理：太赫兹超材料滤波器的设计基于亚波长结构对太赫兹波的调控作用。

通过设计具有特定几何形状和排列方式的亚波长结构，可以实现对太赫兹波的传输、反射、吸收等特性的调控。

2. 设计方案：基于VO2的太赫兹超材料滤波器设计主要包括两个方面。

一是亚波长结构的设计，二是VO2材料的引入。

亚波长结构可以采用周期性排列的金属-介质-金属结构，通过调整金属条带的宽度、间距以及介质层的厚度等参数，实现对太赫兹波的滤波性能的优化。

而VO2材料则被引入到亚波长结构的金属层中，利用其相变特性实现对滤波器性能的动态调控。

四、滤波器性能研究1. 传输性能：通过对基于VO2的太赫兹超材料滤波器的传输性能进行研究，可以发现其在特定频率范围内具有较高的传输效率。

此外，通过调整亚波长结构的参数以及VO2的相变状态，可以实现对传输性能的动态调控。

2. 温度稳定性：由于VO2的相变特性与温度密切相关，因此基于VO2的太赫兹超材料滤波器的温度稳定性也是研究的重要方面。

研究表明，该滤波器在一定的温度范围内具有较好的稳定性，能够保持较好的滤波性能。

3. 响应速度：响应速度是评价太赫兹超材料滤波器性能的重要指标之一。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010980978.4(22)申请日 2020.09.17(71)申请人 首都师范大学地址 100048 北京市海淀区西三环北路105号(72)发明人 周庆莉　李格　梁菀琳　邓雨旺　张存林　(74)专利代理机构 北京理工大学专利中心11120代理人 刘西云　李微微(51)Int.Cl.G02F 1/00(2006.01)G02B 1/00(2006.01)(54)发明名称一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件及系统(57)摘要本发明提供一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件及系统，将金属微结构形成的金属阵列与二氧化钒薄膜进行耦合，通过设计不同的超材料结构单元可获得不同频率记忆效应的THz调制器件；本发明在室温下将离子凝胶中氢离子注入二氧化钒薄膜，同时通过栅极直流电压源施加调控电压控制二氧化钒薄膜中氢离子的掺杂程度，明显降低调控所需的功耗，实现了对二氧化钒薄膜电导态的实时调控，能够建立起调控电压正负、大小、时间和二氧化钒薄膜电导以及THz透过率之间的数值对应关系，进而实现对记忆型THz调制器件性能的实时数字化可控；本发明还能在室温下即可实现对THz波调制的精确控制，完成基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制系统的写入、读取以及擦除。

权利要求书1页 说明书6页 附图2页CN 112285952 A 2021.01.29C N 112285952A1.一种基于二氧化钒的可编程太赫兹记忆调制器件，其特征在于，包括基底、二氧化钒薄膜、金属阵列、离子凝胶层、栅极、源极以及漏极，其中，所述金属阵列中包含多个金属体，所述离子凝胶层含有氢离子；所述二氧化钒薄膜生长在基底上；所述源极和漏极分别沉积在二氧化钒薄膜的两侧；所述金属阵列分布在源极与漏极之间的二氧化钒薄膜上；所述离子凝胶层涂覆于布置有源极、漏极以及金属阵列的二氧化钒薄膜上；所述栅极沉积在离子凝胶层上；所述栅极与源极分别连接到外部栅源直流电压源的两端；所述源极与漏极分别连接到外部源漏直流电压源的两端。

《基于二氧化钒的太赫兹超材料滤波器设计与研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，太赫兹波（THz wave）技术在通信、雷达、生物医学等领域的应用日益广泛。

太赫兹超材料滤波器作为太赫兹波技术中的关键器件，其性能的优劣直接影响到太赫兹波技术的应用效果。

近年来，基于二氧化钒（VO2）的太赫兹超材料滤波器因其独特的相变特性和可调谐性，成为了研究热点。

本文旨在设计和研究基于二氧化钒的太赫兹超材料滤波器，以提高其性能和应用范围。

二、二氧化钒的性质及相变特性二氧化钒（VO2）是一种具有金属-半导体相变特性的材料。

在一定的温度下，VO2会发生从半导体到金属的相变，这一过程中其光学和电学性质会发生显著变化。

这种相变特性使得VO2在太赫兹波段具有独特的可调谐性，为设计太赫兹超材料滤波器提供了良好的材料基础。

三、太赫兹超材料滤波器设计1. 设计原理：本设计以VO2的相变特性为基础，结合超材料理论，通过设计特定的结构，实现太赫兹波的滤波。

2. 结构设计：设计采用周期性排列的亚波长结构，通过调整结构参数，如周期、尺寸、形状等，实现滤波器的频率选择性和传输性能。

3. 材料选择：选用高纯度的VO2材料，以提高其相变速度和稳定性。

同时，选择合适的基底材料，以降低太赫兹波的传输损耗。

四、滤波器性能分析1. 仿真分析：利用电磁仿真软件对设计的滤波器进行仿真分析，包括太赫兹波的传输特性、频率响应等。

2. 实验验证：通过实验测试，验证仿真结果的准确性。

包括制备滤波器样品、测试其太赫兹波传输性能等。

3. 结果分析：根据仿真和实验结果，分析滤波器的性能参数，如中心频率、带宽、插入损耗等。

同时，研究VO2相变对滤波器性能的影响。

五、结果与讨论1. 结果：通过设计和制备基于VO2的太赫兹超材料滤波器，实现了对太赫兹波的滤波功能。

实验结果表明，该滤波器具有较高的频率选择性和较低的传输损耗。

同时，VO2的相变特性使得滤波器具有可调谐性。

2. 讨论：本文设计的太赫兹超材料滤波器在性能上具有一定的优势，但仍存在一些不足。

第50卷第4期2023年北京化工大学学报(自然科学版)Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science)Vol.50,No.42023引用格式:许中璞,赵永鹏.基于二氧化钒的可调双宽带太赫兹超材料吸收器[J].北京化工大学学报(自然科学版),2023,50(4):107-112.XU ZhongPu,ZHAO YongPeng.A tunable dual broadband terahertz metamaterial absorber based on vanadium dioxide[J].Journal of Beijing University of Chemical Technology (Natural Science),2023,50(4):107-112.基于二氧化钒的可调双宽带太赫兹超材料吸收器许中璞1　赵永鹏2*(1.武威职业学院信息技术学院,武威　733000;2.四川农业大学机电学院,雅安　625000)摘　要:基于VO 2的相变特性提出一种具有双宽带特性的太赫兹超材料吸收器,包括对角放置的VO 2图案层㊁电介质层以及金反射层共3层结构㊂对吸收器的结构建模㊁吸收效果及吸收特性等进行了仿真分析,仿真结果表明,所设计吸收器吸收率大于90%的两个带宽分别为0.73THz 和0.6THz㊂在通过热控制诱导VO 2从绝缘态到金属态的相变过程中,吸收率分别在31%~93.1%和30%~95.2%之间实现连续可调㊂另外,通过研究不同偏振角及入射角下所设计超材料吸收器的吸收性能发现,该吸收器具有偏振无关㊁偏振不敏感以及大入射角吸收特性㊂所设计吸收器有望在如太赫兹通信㊁成像和探测器等利用太赫兹波段领域得到广泛应用㊂关键词:VO 2相变特性;超材料;太赫兹吸收器;连续可调中图分类号:O436 DOI :10.13543/j.bhxbzr.2023.04.014收稿日期:2023-02-13基金项目:四川省自然科学基金(2023NSFSC0435)第一作者:男,1988年生,硕士*通信联系人E⁃mail:zhaoyp@引　言太赫兹波的工作频率在0.1~10THz,相应的波长在0.03~3mm [1]㊂大多数天然材料在太赫兹频率下表现出微弱的电磁响应,这种现象被称为 太赫兹间隙”㊂而超材料是一种人工设计的周期性结构材料,具有天然材料所不具备的超常物理属性,其奇异的光学特性由所设计的人工周期性结构决定[2]㊂基于超材料的电磁特性,有学者研究了其在操纵太赫兹辐射方面的实用性[3]㊂太赫兹吸收器是太赫兹领域最具吸引力的研究课题之一,由于其在探测㊁成像和调制方面的重要应用前景,受到了人们的广泛关注㊂随着超材料这一概念的引入,太赫兹超材料吸收器得到快速发展㊂在太赫兹波段,关于吸收器已有了大量研究,如超宽带吸收器[4-5]㊁宽带吸收器[6-8]以及窄带吸收器[9-11]等㊂然而,上述绝大多数的吸收器存在一个功能上的限制,即大多数吸收器的电磁波吸收率是不可以调节的,一旦设计完成,其功能就己经固定了㊂因此为了面对日益复杂的电磁应用环境,需要设计一种吸收率可调节的超材料吸收器㊂要实现吸收器的吸收率可调,主要手段是在超材料结构中引入活性材料(如相变材料㊁石墨烯等),使其主动控制超材料吸收器的光学特性㊂二氧化钒(VO 2)是控制器件的理想选择,当施加热㊁外部电场或光学刺激时,可诱导VO 2发生从绝缘态到金属态的可逆相变[12],相变过程中伴随着电导率发生改变,从而实现超材料吸收器的吸收率可调㊂近年来,针对宽带可调太赫兹超材料吸收器已有不少研究,如张婷等[13]基于VO 2设计了一种90%以上吸收带宽为1.06THz 以及吸收率在4%~99.5%之间可调的超材料吸收器;Wang 等[14]基于VO 2设计了一种90%以上的吸收带宽为0.65THz 且吸收率在30%~98%的可调吸收器;Song 等[15]基于VO 2设计了一种90%以上吸收带宽为0.33THz 且吸收率在30%~100%的可调吸收器;Huang 等[16]基于VO 2设计了一种80%以上吸收带宽分别为0.88THz 和0.77THz 且吸收率在20%~90%的可调双宽带吸收器;刘苏雅拉图[17]提出一种二氧化钒开口环阵列组成的宽带可调谐吸收器;晋豪[18]提出一种表面由石墨烯圆盘构成的 葫芦形”图案的超材料吸收器;樊怡等[19]提出基于VO 2相变特性的温度可调控双频太赫兹超材料吸收器;马燕燕[20]提出了一种双频可调谐㊁双频可切换㊁宽带可切换的超材料吸收器;王佳云[21]设计了一种极化可控的单频/五频段超材料吸收器;杨森等[22]设计出一种基于光激发动态可切换的超材料吸收器㊂基于以上分析,目前对于超材料吸收器的研究主要集中在拓宽工作带宽㊁实现宽带可调谐以及提高吸收率和吸收性能等方面㊂为了进一步拓宽工作带宽和提高可调谐范围,本文提出一种基于VO 2的双宽带太赫兹超材料吸收器,其由两个相同的VO 2图案在经典的金属-电介质-金属结构的顶部对角排列而成㊂通过在热控制下诱导VO 2发生从绝缘态到金属态的相变,可以连续调节两个频段的吸收率㊂该吸收器具有偏振无关㊁偏振不敏感以及大入射角吸收特性,在太赫兹波段具有广泛的应用前景,如太赫兹通信㊁成像和探测器等㊂图1　双宽带太赫兹超材料吸收器单元结构示意图Fig.1　Schematic view of the dual broadband terahertzmetamaterial absorber structure1　太赫兹超材料吸收器的结构设计本文提出的双宽带太赫兹超材料单元结构示意图如图1所示㊂该结构包括3层,从上到下依次为对角放置的VO 2图案层㊁电介质层和底部金反射层,其中金的电导率为4.56×107S /m[23],SiO 2的相对介电常数为3.9+0.03i [16]㊂最优结构参数取值如下:单元结构周期P =180μm,金反射层厚度h 1=0.2μm,SiO 2电介质层厚度h 2=36μm,VO 2图案层厚度t =0.1μm,VO 2图案到周期边界的间隙g =11μm,对角图案开口宽度w =23μm,对角图案开口长度l =110μm㊂本文使用CST MICROWAVE STU⁃DIO 软件,通过有限元方法进行全波电磁仿真,在仿真过程中采用频域求解器,使用四面体自适应网格剖分㊂在x 和y 方向采用unit cell 边界条件,在z 方向采用open(add space)边界条件㊂图2　VO 2介电常数随电导率的变化Fig.2　Variation of the permittivity of VO 2withconductivity该结构的光学介电常数可由Drude 模型[24]描述ε(ω)=ε∞-ω2p (σ)ω2+i γω(1)式中,ε∞=12为高频介电常数,γ=5.75×1013rad /s 为碰撞频率,σ处的等离子体频率ω2p (σ)=σσ0ω2p (σ0),ωp (σ0)=1.4×1015rad /s,σ0=3×105S /m㊂在热控制下,VO 2可以发生由绝缘态到金属态的可逆相变,其电导率σ可由2×102S /m 变化到2×105S /m㊂根据式(1),利用Matlab 软件计算了VO 2介电常数随电导率的变化情况,结果如图2所示㊂可以看出,不同电导率下介电常数实部的变化远小于虚部,当电导率取值为2×102S /m 时,表现为绝缘体特性,当电导率取值为2×105S /m 时,表现为金属特性㊂在仿真过程中,采用Drude 模型对VO 2的电导率进行取值,与Matlab 计算过程一致㊂当通过热刺激使VO 2温度略高于室温时,可以实现从绝缘体到金属的转变,在相变温度点其电导率提高了㊃801㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年10000倍,晶体结构由单斜相转变为四方相㊂2　太赫兹超材料吸收器的性能分析在本文中,吸收率定义如下[25]:A(ω)=1-R(ω)-T(ω)=1-|S11(ω)|2-|S21(ω)|2,其中A(ω)㊁R(ω)和T(ω)分别表示吸收率㊁反射率和透射率,S11(ω)和S21(ω)分别为反射系数和透射系数㊂由于底部金反射层的厚度远远大于入射电磁波的趋肤深度,使得入射电磁波无法透过该金属薄膜继续传播,因此T(ω)=0㊂吸收器的吸收率可进一步简化为A(ω)=1-R(ω)=1-|S11(ω)|2㊂横电模(TE)和横磁模(TM)两种偏振方式下吸收器的吸收率㊁反射率以及透射率变化情况的仿真结果如图3(a)所示㊂在0.67THz~1.4THz和2.9THz~3.5THz频率范围内,吸收率大于90%的带宽分别为0.73THz和0.6THz,在0.86THz㊁2.93THz以及3.39THz这3个频率点处吸收率接近于1,表示这些点的吸收接近完美吸收㊂另外,从图中可以看出,两种偏振方式下的吸收率㊁反射率以及透射率变化保持高度一致,表明所设计的超材料吸收器具有偏振无关特性㊂两种偏振方式下的透射率为零,表明理论分析与仿真结果一致㊂在TE偏振下吸收谱随偏振角的变化情况如图3(b)所示,可以看出,改变偏振角对吸收器的吸收性能没有任何影响,表明所设计的吸收器具有偏振不敏感特性㊂另外,由于所设计的VO2图案的对称性,TM偏振下的吸收光谱与TE偏振下的吸收光谱是重合的,这里不再赘述㊂通过热控制诱导VO2从绝缘态到金属态的相变过程中,可以连续调节两个频带的吸收率和带宽,如图4所示㊂从图中可以看出,在VO2电导率由2×102S/m变化到2×105S/m过程中,第一个频带(0.67THz~1.4THz)的吸收率可由31%增大到93.1%,第二个频带(2.9THz~3.5THz)的吸收率可由30%增大到95.2%㊂因此,通过控制VO2电导率可以实现吸收器两个带宽的连续可调㊂为了更好地理解吸收器的吸收性能,引入阻抗匹配理论,在正入射下太赫兹波的相对阻抗可描述为[25]Z r=(1+S11(ω))2-S221(ω)(1-S11(ω))2-S221(ω)(2)式中,Z r=Z/Z0,Z和Z0分别为吸收器的有效阻抗图3　双宽带吸收器的反射谱㊁透射谱和吸收谱以及不同偏振角下的吸收光谱图Fig.3　Reflection,transmission and absorption spectra of the dual broadband absorber and the absorption spectrawith different polarization angles图4　吸收器吸收率随电导率变化情况Fig.4　Variation of the absorption with conductivity 和自由空间阻抗㊂当Z r=Z/Z0=1时,吸收器有效阻抗与自由空间阻抗匹配,吸收率最大㊂当相对阻抗的实部为1,虚部为0时,可以实现阻抗匹配㊂图5为不同电导率下相对阻抗实部和虚部的变化㊂可以看出,当VO2电导率为2×105S/m(金属态)㊃901㊃第4期 许中璞等:基于二氧化钒的可调双宽带太赫兹超材料吸收器时,在0.67THz ~1.4THz 和2.9THz ~3.5THz 两个频率范围内,相对阻抗的实部接近于1,虚部接近于0,实现了完美吸收,与理论分析结果一致㊂图5　不同电导率下相对阻抗实部和虚部的变化Fig.5　Variation of real and imaginary parts of the relativeimpedance for different VO 2conductivities进一步研究了TE 和TM 两种偏振方式下不同入射角对吸收器吸收性能的影响,结果如图6所示㊂TE 偏振入射下(图6(a)),对于第一个频带(0.67THz ~1.4THz),当入射角小于60°时,吸收器能够保持良好的吸收性能,对于第二个频带(2.9THz ~3.5THz),当入射角小于20°时,吸收器能够保持良好的吸收性能;入射角继续增大,第一个宽带的吸收率急剧下降,第二个宽带的中心频率出现蓝移现象,且带宽逐渐变窄㊂在TM 偏振下(图6(b)),对于第一个频带(0.67THz ~1.4THz),当入射角小于60°时,吸收器能够保持良好的吸收性能;对于第二个频带(2.9THz ~3.5THz),当入射角小于20°时,吸收器也能够保持良好的吸收性能,入射角进一步增大,两个频带内的吸收率都显著降低㊂本文所设计吸收器与文献中的吸收器性能对比如表1所示㊂可以看出,与双频吸收器相比,本文所设计的双宽带吸收器在工作带宽和吸收率可调范围两个方面的性能都有所提高;与单频吸收器相比,本文部分工作带宽有所拓宽㊂图6　吸收率随入射角的变化Fig.6　Variation of absorption with incident angle 表1　本文设计吸收器与文献中吸收器的性能对比Table 1　Comparison of the performance of the absorberdesigned in this paper with absorbers reported in the literature吸收器来源材料工作带宽/THz吸收率可调范围文献[13]VO 21.06(吸收率>90%)4%~99.5%文献[14]VO 20.65(吸收率>90%)30%~98%文献[15]VO 20.33(吸收率>90%)30%~100%文献[16]VO 20.88和0.77(吸收率>80%)20%~90%本文设计VO 20.73和0.6(吸收率>90%)30%~95.2%3　结论本文提出了一种由对角放置的VO 2图案层㊁介质层以及金反射层组成的双宽带太赫兹超材料吸收器结构,并根据超材料吸收器的吸收机理对吸收器的吸收性能作出分析㊂仿真结果表明,该吸收器吸收率达90%以上的吸收带宽分别为0.73THz 和㊃011㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年0.6THz㊂当VO2的电导率由2×102S/m变化到2×105S/m时,两个频带的吸收率分别可在31%~ 93.1%和30%~95.2%之间连续调节㊂根据阻抗匹配理论分析可知,该吸收器具有偏振无关㊁偏振不敏感以及大入射角吸收特性,因此其在太赫兹通信㊁成像和探测器等方面具有广泛的应用前景㊂参考文献:[1]　QIAN J J,ZHOU J,ZHU Z,et al.Polarization⁃insensi⁃tive broadband THz absorber based on circular graphenepatches[J].Nanomaterials,2021,11(10):2709. 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[13]张婷,杨森,于新颖.基于二氧化钒的可调宽带太赫兹完美吸收器设计[J].激光与光电子学进展,2021,58(21):250-256.ZHANG T,YANG S,YU X Y.Tunable broadband tera⁃hertz perfect absorber design based on vanadium dioxide[J].Laser and Optoelectronics Progress,2021,58(21):250-256.(in Chinese)[14]WANG S X,CAI C F,YOU M H,et al.Vanadium di⁃oxide based broadband THz metamaterial absorbers withhigh tunability:simulation study[J].Optics Express,2019,27(14):19436-19447.[15]SONG Z Y,WANG K,LI J W,et al.Broadband tunableterahertz absorber based on vanadium dioxide metamateri⁃als[J].Optics Express,2018,26(6):7148-7154.[16]HUANG J,LI J N,YANG Y,et al.Active controllabledual broadband terahertz absorber based on hybrid meta⁃materials with vanadium dioxide[J].Optics Express,2020,28(5):7018-7027.[17]刘苏雅拉图.基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹可调谐超材料吸收器[D].呼和浩特:内蒙古大学,2022.LIU S Y.Terahertz tunable metamaterial absorber basedon graphene and vanadium dioxide[D].Hohhot:InnerMongolia University,2022.(in Chinese) [18]晋豪.基于石墨烯圆盘的超材料吸收器的研究[D].成都:四川师范大学,2022.JIN H.Study on metamaterial absorbers based on gra⁃phene disks[D].Chengdu:Sichuan Normal University,2022.(in Chinese)[19]樊怡,杨荣草.基于VO2温度可调控双频超薄太赫兹超材料吸收器[J].量子光学学报,2022,28(1):46-54.FAN Y,YANG R C.Temperature⁃tunable dual⁃band ul⁃tra⁃thin terahertz metamaterial absorber based on vanadi⁃um dioxide[J].Journal of Quantum Optics,2022,28(1):46-54.(in Chinese)[20]马燕燕.双频及宽带可调控超材料吸收器的研究[D].太原:山西大学,2021.MA Y Y.Research on dual⁃band and broadband control⁃lable metamaterial absorbers[D].Taiyuan:Shanxi Uni⁃versity,2021.(in Chinese)[21]王佳云.多频/宽频电磁超材料吸收器和极化转换器的研究[D].太原:山西大学,2021.㊃111㊃第4期 许中璞等:基于二氧化钒的可调双宽带太赫兹超材料吸收器WANG J Y.Study on multi⁃band/broadband absorbersand polarization converters based on electromagneticmetamaterials[D].Taiyuan:Shanxi University,2021.(in Chinese)[22]杨森,袁苏,王佳云.一种光激发可切换的双频太赫兹超材料吸收器[J].光学学报,2021,41(2):0216001.YANG S,YUAN S,WANG J Y.Light⁃excited andswitchable dual⁃band terahertz metamaterial absorber[J].Acta Optica Sinica,2021,41(2):0216001.(inChinese)[23]YAN D X,MENG M,LI J S,et al.Vanadium dioxide⁃assisted broadband absorption and linear⁃to⁃circular polar⁃ization conversion based on a single metasurface designfor the terahertz wave[J].Optics Express,2020,28(20):29843-29854.[24]WANG S X,KANG L,WERNER D H.Hybrid resona⁃tors and highly tunable terahertz metamaterials enabled byvanadium dioxide(VO2)[J].Scientific Reports,2017,7:4326.[25]CHE Z G,LI Z X,ZHANG G M,et al.Active controlla⁃ble broadband absorber based on vanadium dioxide[C]∥2021Photonics&Electromagnetics Research Symposium(PIERS).Hangzhou:IEEE,2021:604-608.A tunable dual broadband terahertz metamaterial absorberbased on vanadium dioxideXU ZhongPu1　ZHAO YongPeng2*(rmation Technology College,Wuwei Vocational College,Wuwei733000;2.College of Mechanical and Electrical Engineering,Sichuan Agricultural University,Ya’an625000,China) Abstract:A terahertz metamaterial absorber with dual broadband characteristics based on the phase transition char⁃acteristics of VO2has been fabricated.The absorber is composed of three layers,a diagonally placed VO2pattern layer,a dielectric layer and a gold reflector.The simulation results show that there are two bandwidths with absorp⁃tivity greater than90%at0.73THz and0.6THz.During the phase transition from the insulating state to the me⁃tallic state of VO2induced by thermal control,the absorption rate is continuously tunable in the range31%-93.1%and30%-95.2%,respectively.In addition,by studying the absorption performance of the metamaterial absorber at different polarization angles and incidence angles,it is found that the absorber has polarization⁃inde⁃pendent,polarization⁃insensitive and large incidence angle absorption characteristics.The absorber has broad pros⁃pects for applications in the terahertz band region,such as in terahertz communication,imaging and detectors. Key words:VO2phase transition property;metamaterial;terahertz absorber;continuously tunable(责任编辑:吴万玲)㊃211㊃北京化工大学学报(自然科学版) 2023年。

基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件I. 前言在科学技术的日新月异中，太赫兹技术(hertzian technology)被广泛应用于无线通信，安检以及医疗等领域。

其中，太赫兹开关器件因其高速度和低功耗正在吸引越来越多的关注。

近年来，基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件渐成研究热点，促进了该领域的迅猛发展。

II. 介绍二氧化钒薄膜是一种可调制的材料，可用于光学、光电和电学开关设备的制造。

同时，太赫兹辐射被展示出非常重要的特性，如能够穿透纸张、塑料和壁板，因此太赫兹开关器件具有许多实际应用价值。

基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件具有快速响应速度、大功率饱和度和低驱动电压等优点，非常适合各种高速数字和光通信应用。

III. 材料及从技术上讲的关键点基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件是通过收集射频辐射信号并将其转换为光信号来工作的。

这种器件的关键组件是一个光学谐振腔，这个谐振腔由一个二氧化钒薄膜构成。

它的厚度通常小于100 nm，且其材料特性可通过加压改变，可视为压电效应的一种。

当薄膜压电电流被加到薄膜上时，由于薄膜的光学特性而导致谐振腔的频率发生变化，从而影响腔内的光子传输和反射的能力。

在薄膜被恢复至其原始状态时，机构就可以响应。

IV. 应用和前景基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件可以应用于医学成像、无线通信以及安全监测等领域。

这种器件的快速响应速度、大功率饱和度和低驱动电压等优势使其成为制造高速数字和光通信器件的理想选择。

此外，研究人员也正在改进这种器件的性能，使其能够应对具有更强信号传输要求的市场需求。

随着技术的进一步改进，基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件的应用前景无疑是十分广阔的。

V. 结论总体而言，基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件是一种非常有前途的器件，可用于无线通信、医疗成像和安全监测等领域。

该器件的快速响应速度、大功率饱和度和低驱动电压确保了其可靠性和性能。

未来研究人员应当不断改进这种器件，以满足不断变化的市场需求并为更多应用领域服务。

《基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹可调谐超材料吸收器》篇一一、引言随着科技的发展，太赫兹波段的应用日益广泛，其独特的物理特性和广泛的应用前景使得太赫兹技术成为研究热点。

超材料吸收器作为太赫兹技术中的重要组成部分，其性能的优化和功能的拓展一直是科研人员的研究重点。

本文提出了一种基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹可调谐超材料吸收器，旨在通过新型材料的组合与优化，实现更高效、可调的太赫兹波吸收。

二、材料与方法1. 材料选择本研究所用的主要材料为石墨烯和二氧化钒。

石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，是制备超材料吸收器的理想选择。

二氧化钒则因其独特的相变特性，在太赫兹波段表现出优异的调制性能。

2. 结构设计与制备本吸收器采用周期性金属-介质-金属的三层结构，其中介质层采用石墨烯和二氧化钒的复合材料。

通过精密的纳米加工技术，将石墨烯和二氧化钒按照一定比例混合，并沉积在金属层之间，形成超材料吸收器。

三、实验结果与分析1. 吸收性能分析实验结果表明，基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹可调谐超材料吸收器在太赫兹波段表现出优异的吸收性能。

通过调整石墨烯和二氧化钒的比例，可以实现对吸收峰的调控，从而实现太赫兹波的灵活吸收。

2. 调谐性能分析由于二氧化钒的相变特性，本吸收器在特定温度下表现出可调谐的吸收性能。

随着温度的变化，二氧化钒的相变导致吸收器的介电性能发生变化，从而实现对太赫兹波的调谐吸收。

这一特性使得本吸收器在动态太赫兹系统中具有广泛的应用前景。

四、讨论本研究的太赫兹可调谐超材料吸收器具有以下优点：一是通过石墨烯和二氧化钒的组合，实现了对太赫兹波的高效吸收；二是通过调整材料比例和温度调控，实现了对太赫兹波的灵活调谐；三是制备工艺简单，成本低廉，有利于大规模生产和应用。

然而，本研究仍存在一些局限性。

首先，石墨烯和二氧化钒的混合比例和制备工艺对吸收器的性能有较大影响，需要进一步优化。

其次，本吸收器的调谐范围和调谐速度还有待提高，以满足更广泛的应用需求。

《基于二氧化钒的太赫兹超材料滤波器设计与研究》篇一一、引言太赫兹（THz）技术是现代通信领域的前沿科技之一，以其特有的宽带特性和穿透能力受到了广泛的关注。

太赫兹超材料，具有出色的电、磁响应特性和极高的精度调控性，是实现THz通信技术中的关键部件。

在众多的超材料器件中，滤波器是其中最为重要的组成部分之一。

本文将重点探讨基于二氧化钒（VO2）的太赫兹超材料滤波器的设计与研究。

二、二氧化钒（VO2）的物理特性二氧化钒（VO2）是一种典型的相变材料，具有优异的物理和化学特性。

在特定温度下，VO2会发生从绝缘体到金属的相变，导致其电导率、折射率等物理参数发生显著变化。

这种特性使得VO2在太赫兹超材料滤波器设计中具有巨大的应用潜力。

三、太赫兹超材料滤波器设计（一）设计原理基于VO2的太赫兹超材料滤波器设计主要利用VO2的相变特性，通过调节其温度或电场强度，改变其电导率和折射率等物理参数，从而实现滤波器的频率响应。

在太赫兹波段，这种设计方法可以实现对特定频率的信号进行筛选和传输。

（二）设计方法1. 结构设计：根据太赫兹波的传播特性和VO2的物理特性，设计出合适的超材料结构，如周期性阵列、双层结构等。

2. 材料选择：选择具有高纯度、高导电性能的VO2材料，并考虑其与太赫兹波的相互作用。

3. 仿真分析：利用电磁仿真软件对设计的滤波器进行仿真分析，优化结构参数和材料性能。

四、实验研究（一）制备工艺采用先进的微纳加工技术，如电子束蒸发、光刻等工艺，制备出基于VO2的太赫兹超材料滤波器。

（二）性能测试通过太赫兹时域光谱仪等设备对制备的滤波器进行性能测试，包括频率响应、插入损耗、回波损耗等指标。

（三）实验结果分析根据实验结果，分析滤波器的性能表现，包括频率响应曲线、插入损耗与回波损耗等数据。

通过对比仿真与实验结果，验证设计的可行性和有效性。

五、结论与展望本文成功设计了基于VO2的太赫兹超材料滤波器，并进行了实验研究。

实验结果表明，该滤波器具有良好的频率响应特性和较低的插入损耗。

《基于二氧化钒的太赫兹超材料滤波器设计与研究》篇一一、引言随着科技的飞速发展，太赫兹波（THz wave）在通信、雷达、生物医学等领域的应用越来越广泛。

而超材料（Metamaterials）作为一种具有特殊电磁性质的人工复合材料，在太赫兹波段的应用也备受关注。

其中，基于二氧化钒（VO2）的太赫兹超材料滤波器因其独特的可调谐性和高效率性，成为了研究的热点。

本文将介绍基于二氧化钒的太赫兹超材料滤波器的设计原理、方法以及相关研究。

二、二氧化钒及其在太赫兹超材料中的应用二氧化钒（VO2）是一种具有相变特性的材料，在特定温度下会发生绝缘体到金属的转变。

这种相变特性使得VO2在太赫兹超材料中具有独特的应用价值。

在太赫兹波段，VO2的超材料结构能够实现滤波、调制等功能，为太赫兹系统提供了新的可能性。

三、太赫兹超材料滤波器设计原理太赫兹超材料滤波器的设计主要基于亚波长结构对电磁波的调控。

通过设计具有特定几何形状和排列方式的亚波长结构，可以实现对太赫兹波的滤波、调制等操作。

在基于VO2的太赫兹超材料滤波器中，VO2的相变特性使得滤波器的性能可以在一定范围内进行调节。

四、设计方法与实验研究1. 设计方法：首先，根据太赫兹波的频率和波长，确定亚波长结构的尺寸和排列方式。

然后，将VO2引入到超材料结构中，利用其相变特性实现滤波器的可调谐性。

最后，通过仿真和优化，得到满足设计要求的太赫兹超材料滤波器。

2. 实验研究：在实验中，我们采用了微纳加工技术制备了基于VO2的太赫兹超材料滤波器。

通过测量其在不同温度下的透射谱，研究了滤波器的性能。

实验结果表明，该滤波器具有较高的透射率和较低的插入损耗，且性能可在一定范围内进行调节。

五、结果与讨论1. 结果：通过仿真和实验研究，我们成功设计了基于VO2的太赫兹超材料滤波器，并验证了其具有良好的透射率和可调谐性。

此外，我们还研究了滤波器的温度稳定性、带宽等性能指标。

2. 讨论：在太赫兹波段，基于VO2的超材料滤波器具有广泛的应用前景。

第28卷第2期强激光与粒子束V o l.28,N o.2 2016年2月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S F e b.,2016玻璃衬底二氧化钒薄膜的宽频带太赫兹波调制特性*陈晨1,2,罗振飞2,蒋亚东3,吴志明3,孟庆龙1,杨存榜2,周逊2,张彬1(1.四川大学电子信息学院,成都610064;2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,成都610041;3.电子科技大学光电信息学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室,成都610054)摘要:针对二氧化钒(V O2)薄膜在可调谐太赫兹功能器件中的应用,采用磁控溅射法在K9玻璃衬底上制备了V O2薄膜,并用X射线衍射(X R D)对薄膜的晶相进行表征㊂利用配备加热装置的太赫兹时域光谱系统(T H z-T D S)研究了薄膜样品在变温过程中的T H z反射㊁透射光谱特性及其变化规律㊂实验结果表明,随着加热温度的升高,V O2薄膜发生半导体-金属相变并对宽频段T H z波产生显著的调制作用㊂调制深度明显依赖于T H z频率,薄膜样品对T H z波反射功率㊁透射率的幅度调制深度在0.3~0.5T H z范围波动较大;对T H z波的透射率在低频处较大,高频处较小,调制深度在35%~65%之间变化㊂该薄膜制备简单,质量高,可应用于太赫兹开关和调制器等功能器件㊂关键词:二氧化钒;太赫兹; T H z时域光谱系统;调制中图分类号: T B43文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201628.023104T H z波是频率在0.1~10T H z(即波长范围为3000~30μm)的电磁波,在高容量高速率通信方面有重要应用前景㊂但是T H z器件尤其是可控功能器件如T H z滤波㊁相位控制㊁开关和调制等器件匮乏,限制了T H z 通信技术的进一步发展㊂T H z调制技术是T H z通信系统的关键技术之一[1]㊂近年来,为了提高T H z调制器件的性能,人们对多种材料㊁微纳结构的T H z频谱特性进行了广泛的研究,发现了许多独特的T H z调制功能,取得了一定的技术进步,但距离实际应用仍有很多技术瓶颈有待解决㊂R.K e r s t i n g等人在低温环境下,利用半导体量子阱结构成功实现了对频率为4T H z电磁波的相位调制,但是发展受到低温条件的限制[2]; T.K l e i n e-O s t m a n n等人在室温条件下,利用电控电子气浓度方法实现了对T H z波的幅度调制,调制度为3%,调制度较低[3];陈厚同等人采用超材料与肖特基结特性相结合的方法实现了对T H z波的电调制,调制度为50%,随后他们将该技术发展为T H z相位调制器,虽然调制度得到大幅提升,但是超材料的金属微结构对T H z波的损耗较大[4];台湾新竹大学采用液晶材料制作出磁控移相器,但是,液晶材料对T H z波的损耗较大且在T H z波段具有较低的双折射率,因此这方法缺陷较大[5]㊂V O2作为一种优质的光电功能材料一直备受人们的关注,其具有一个重要的物理性质是具有可逆半导体-金属相变特性[6-7]㊂这种奇特的现象可由温度㊁脉冲激光㊁电场等外界条件激励产生,相变温度在68ħ附近,相变过程可在亚p s时间内完成[8],并伴随电阻率㊁磁化率㊁光学反射率等多个物理量的显著突变[9]㊂这些特性使得V O2在诸多技术领域具有巨大的潜在应用价值,例如:信息存储[10]㊁光调制器[11]㊁光开关[12]㊁智能窗[13]㊁航天器热控[14]等㊂V O2材料体积随着晶相的转变而发生改变,导致材料极易发生碎裂,如果将V O2做成薄膜形式,则可以避免在相变过程中易碎的问题㊂近年来,对V O2薄膜在红外㊁可见光区域的光学特性研究已较为全面,但在T H z波段的研究仍在逐步深入㊂本文采用直流磁控溅射法在K9玻璃衬底上制备V O2薄膜,通过X射线衍射(X R D)对薄膜的晶相进行表征,利用T H z-T D S研究了薄膜样品在变温过程中的宽频段T H z反射和透射信号的光谱特性,并结合V O2材料的半导体-金属相变特性对谱线的变化规律进行了分析㊂1实验1.1实验样品的制备在沉积薄膜之前,先用分子泵将溅射腔室真空度抽至2.0ˑ10-3P a,基片温度设定为100ħ,待基片温度稳定后,通入氩气(纯度99.999%)至压强1.0P a,在挡板遮住基片的情况下对钒靶(纯度99.99%)表面进行预*收稿日期:2015-07-18;修订日期:2015-11-10基金项目:光电探测与传感集成技术教育部重点实验室开放基金项目(K F J J201302)作者简介:陈晨(1989 ),男,硕士,从事电光晶体和太赫兹技术等研究;j o h n n y6789@163.c o m㊂通信作者:蒋亚东(1964 ),男,教授,博士,从事光电薄膜与集成器件等研究;j i a n g y d@u e s t c.e d u.c n㊂周逊(1968 ),男,副研究员,博士,从事光电信息技术与太赫兹技术等研究;z c m_z k y@s o h u.c o m㊂023104-1023104-2F i g .1 X R Ds p e c t r u mo f v a n a d i u mo x i d e t h i n f i l m 图1 氧化钒薄膜的X R D 谱溅射清洗;随后通入氧气(纯度99.995%)并打开挡板沉积薄膜,沉积时间为25m i n ;最后在350ħ氧气氛围中进行原位退火,完毕后自然冷却至室温并取出样品㊂样品衬底K 9玻璃厚度为1.1mm ,用椭偏仪(型号为S e n t e c hS E 850)测量的V O 2薄膜厚度为175n m ㊂图1给出了薄膜样品的2ʎ小角度掠入射X R D (设备型号为P h i l i p XP e r tM P D ,选用C uK α射线λ=0.15406n m ,采用θ-2θ模式)谱图,结果表明沉积的薄膜为多晶态V O 2薄膜㊂1.2 T H z 测试系统利用T H z -T D S 对样品的T H z 波调制特性进行测试,实验系统结构图如图2所示,主要由飞秒激光器(配备在密封罩之外)㊁T H z 波(脉冲)产生装置㊁T H z 波探测装置和时间延迟控制系统组成㊂飞秒激光器所产生的飞秒激光脉冲(脉冲宽度小于100f s ,中心波长为800n m ,平均功率大于2.5W ,重复频率为(80ʃ1)MH z 经过分束镜后被分成两束㊂一束为泵浦光束,经过时间延迟系统后入射到T H z 波源上产生T H z 脉冲;另一束为探测光束,它和T H z 脉冲束同向㊁同线入射到T H z 探测器件上,通过调节探测脉冲和T H z 脉冲之间的时间延迟来探测T H z 脉冲的整个波形㊂在反射和透射实验中T H z 波基本正对于样品表面(沉积有V O 2薄膜的一面)入射,入射角小于3ʎ㊂测试过程中密封罩内的相对湿度(R H )保持在5%以下,热电偶温度计的探测端接触样品表面,用以监测V O 2薄膜的温度变化,样品紧贴金属加热板㊂利用线性直流电源缓慢增大加在金属加热板上的电压对样品加热,使得热电偶有足够长的响应时间与样品保持热平衡,提高温度读数的准确性㊂F i g .2 E x p e r i m e n t s y s t e ms t r u c t u r e 图2 实验系统结构图2 实验结果与分析图3(a )展示的是反射信号的时域光谱,反射信号强度在65.1ħ附近快速增大,并在70.4ħ附近结束增长㊂图3(b )为反射信号脉冲峰值电压随温度的变化规律,从图中可以看出,峰值电压在57.3~65.1ħ范围内基本没有变化,在65.1~70.4ħ范围内脉冲峰值电压显著增大,而在70.4~73.9ħ范围内T H z 反射信号趋于稳定㊂整个过程的峰值电压由0.02V 增大到0.031V ,增幅[(p e a k m a x -p e a k m i n )/p e a k m a x ][15]约为35.5%,临界温度[16](见峰值电压的导数曲线)约为67ħ㊂结合图3(a )发现V O 2薄膜呈现半导体-金属相变特征:在57.3~65.1ħ,V O 2薄膜为半导体相,自由电子浓度较低,反射的信号强度较小;在70.4~73.9ħ,V O 2薄膜转变为金属相,自由电子浓度大大提高,反射的信号强度显著增强,并且信号强度变化的临界温度(67ħ)与V O 2材料的相变温度[17-18]基本一致㊂时域光谱经过傅里叶变换得到T H z 反射功率频域谱如图4(a )所示㊂一方面对于单条谱线,不难看出0.3~0.5T H z 频段的功率随着频率的波动比0.5~1T H z 频段要大,这种特征可以用T H z 波干涉现象解释:由于空气/薄膜前表面㊁衬底后表面/空气两个界面反射T H z 波之间的相消干涉作用,在反射功率谱中的某些位置出现反射波谷和反射波峰㊂反射相消的条件为强激光与粒子束023104-32n l +λ/2=(2K +1)λ/2(1)或K =2n l cf (2)式中:n 为玻璃的折射率;l 为样品的厚度;K 为非负整数;λ为入射波长;f 为T H z 频率;c 为光速㊂由0.3~0.5T H z 范围内反射波谷位置和样品厚度(因V O 2薄膜厚度远远小于T H z 波长和衬底厚度,这里忽略V O 2薄膜厚度对T H z 波干涉的影响),可以得到K 值与频率f 的变化关系,如图4(b)所示㊂不难看出K 随f 的变化呈线性关系,满足干涉条件㊂此外,由拟合直线的斜率可以推算出样品在该T H z 波段的折射率平均值为2.48,与文献[19]报道的玻璃样品折射率(约2.5)基本相符㊂综上所述,在0.3~0.5T H z 频段反射功率大小受到玻璃衬底的干涉影响较大㊂对于不同温度功率谱线之间的相对位置,在57.3~65.1ħ和70.4~73.9ħ范围内谱线相对间隔随温度变化不大,而在65.1~70.4ħ范围内变化较大,反映了V O 2相变的特性㊂这一点可以用不同频率处的反射功率-温度曲线作进一步说明,如图4(c )所示㊂可以看出三处不同频率T H z 信号的临F i g .3 R e f l e c t i v eT H z t i m e d o m a i ns p e c t r o s c o p y o f s a m p l e a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e 图3 样品在不同温度条件下的反射T H z时域光谱F i g .4 R e f l e c t i v eT H z f r e q u e n c y d o m a i n s p e c t r o s c o p y o f s a m p l e a t d i f f e r e n t t e m p e r a t u r e a n d r e f l e c t i o n p o w e rm o d u l a t i o nd e p t h 图4 样品在不同温度条件下的反射T H z 频域光谱及反射功率调制深度陈 晨等:玻璃衬底二氧化钒薄膜的宽频带太赫兹波调制特性023104-4 界变化温度一致,约67ħ,即V O 2材料的相变温度㊂图4(d )给出了整个测试频率范围V O 2薄膜相变后反射功率的幅度调制[(p o w e r 73.9ħ-p o w e r 57.3ħ)/p o w e r 73.9ħ]谱线㊂在0.3~0.5T H z 频段的幅度调制波动比较大,调制深度在15%~75%之间变化;在0.5~1T H z 幅度调制波动较小,调制深度约为60%㊂调制深度在0.3~0.5T H z 频段的大幅度波动同样可以用T H z 波在玻璃衬底上的干涉现象解释㊂因此在实际应用中要获得某一T H z 频点较高的调制深度,就应综合考虑衬底厚度对干涉波强度的影响㊂图5(a )给出了反射T H z 波的相位在样品升温过程中的变化情况㊂可以看到,相位随着频率的升高呈现出线性减小的变化规律;随着温度的升高,相位谱线整体呈上移趋势㊂该变化特征可以用任一频点的相位变化进行描述,以0.6T H z 处的相位随温度的变化为例(如图5(b )所示),可以看出相位随温度的增大而逐渐增大,在67ħ左右变化相对较快,但变化的幅度并不大㊂57.3ħ和73.9ħ时的相位差约为1.86r a d (107ʎ),整个过程大致呈线性变化规律,拟合直线方程为φ=0.11T -46.3(3)式中:φ为相位(r a d );T 为温度(ħ)㊂在57.3~73.9ħ温度区间内,温度每变化1ħ相位的变化平均值为0.11r a d ㊂F i g .5 R e f l e c t i v eT H zw a v e p h a s e v a r i e dw i t h t e m pe r a t u r e 图5 反射T H z 波相位随温度的变化图6给出的是T H z 波透过样品的时域光谱和频域光谱㊂温度从57.3ħ变到73.9ħ的过程中,T H z 波的透射强度随温度的增大而变弱㊂这一现象可以用样品升温过程中V O 2薄膜的能带结构发生变化进行解释:当温度较低时,V O 2薄膜呈半导体相,在费米能级附近的禁带宽度约为0.65e V [20],而在0.25~1T H z 频率范围内的T H z 光子能量为0.001~0.004e V ,远小于V O 2薄膜的禁带宽度,因此透射的T H z 功率相对较高;而当温度升高引起V O 2薄膜发生半导体-金属相变之后,费米能级附近的禁带消失,金属相V O 2对T H z 波的反射和吸收增强,从而导致透射功率显著降低㊂F i g .6 T r a n s m i s s i o nT H z t i m e d o m a i n s p e c t r o s c o p y a n d f r e q u e n c y d o m a i ns p e c t r o s c o p y o f s a m p l e a t d i f f e r e n t t e m pe r a t u r e 图6 样品在不同温度条件下的透射T H z 时域光谱和频域光谱图7(a )为T H z 波透过样品的透射率谱线随温度的变化㊂随着温度的升高,样品对T H z 波的透射率降低,且低频段透射率较大,高频段透射率较小(但频率大于0.9T H z 时透过率几乎为零,这可以解释为玻璃衬强激光与粒子束陈晨等:玻璃衬底二氧化钒薄膜的宽频带太赫兹波调制特性底对T H z波的强吸收[19,21])㊂在低频段的波浪形谱线特征同反射功率谱相似,受到T H z波的干涉影响㊂图7 (b)表明V O2薄膜发生相变后,样品对T H z波的透射率有显著的调制作用,调制深度在35%~65%之间波动㊂F i g.7 T H zw a v e t r a n s m i t t a n c e o f s a m p l e a l o n g w i t h c h a n g e o f t e m p e r a t u r e a n d t r a n s m i t t a n c em o d u l a t i o nd e p t h图7 T H z波对样品的透射率随温度的变化及透射率调制深度3结论采用磁控溅射法在K9玻璃衬底上制备了多晶态V O2薄膜,并利用T H z-T D S研究了变温过程中的薄膜样品对宽频段T H z反射和透射信号的影响㊂实验结果表明,V O2薄膜对T H z波的反射强度和透射强度具有明显的调制作用㊂当样品温度升高到67ħ左右时,T H z波经过样品后的反射峰值电压发生突变,增幅约为35.5%,T H z波反射信号的相位随温度的增大而逐渐增大;由于干涉,T H z波反射功率的幅度调制深度在0.3 ~0.5T H z频段波动较大,在15%~75%之间变化,而在0.5~1T H z频段波动较小,大约为60%㊂样品对T H z波的透射率在低频处较大,高频处较小,透射率调制深度在35%~65%之间波动㊂该薄膜制备简单,成本低廉,在太赫兹和红外波段具有巨大的应用价值,可应用于开关和调制功能器件等㊂参考文献:[1] K l e i n e-O s t m a n nT,N a g a t s u m aT.Ar e v i e w o nt e r a h e r t zc o mm u n i c a t i o n sr e s e a r c h[J].J 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h e a p p l i c a t i o n so f v a n a d i u m d i o x i d e(V O2)t h i n f i l mi nt e r a h e r t z t u n a b l e f u n c t i o n a l d e v i c e s,t h ev a n a d i u m d i o x i d eV O2t h i n f i l m w a s p r e p a r e db y m a g n e t r o n s p u t t e r i n g t e c h n i q u e o nK9g l a s s s u b s t r a t e,a n d t h e c r y s t a l s t r u c t u r ew a s c h a r-a c t e r i z e db y X-r a y d i f f r a c t i o n(X R D).S p e c t r a l c h a r a c t e r i s t i c s a n d t h e i r v a r i a t i o n s o f t e r a h e r t z(T H z)r e f l e c t i o na n d t r a n s m i s s i o n s i g n a l p a s s i n g t h r o u g ht h es a m p l ea td i f f e r e n t t e m p e r a t u r e sw e r es t u d i e db y t h eT H z t i m ed o m a i ns p e c t r o s c o p y s y s t e m(T H z-T D S)e q u i p p e dw i t hh e a t i n g d e v i c e.T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e s e m i c o n d u c t o r-m e t a l t r a n s i t i o no fV O2t h i n f i l m o c c u r r e dw i t h t h e i n c r e a s e o f t h e h e a t i n g t e m p e r a t u r e a n d s h o w e d e x c e l l e n tm o d u l a t i o n t o t h e b r o a d b a n dT H zw a v e.T h em o d u l a-t i o nd e p t hw a s d e p e n d e n t o n t h eT H z f r e q u e n c y.T h eT H zw a v e a m p l i t u d em o d u l a t i o n d e p t h o f r e f l e c t i o n p o w e r a n d t r a n s m i s s i o n s h o w e dr e m a r k a b l e f l u c t u a t i o n i n t h e b a n d o f0.3-0.5T H z.T h e t r a n s m i t t a n c e o fT H zw a v ew a s l a r g e r i n t h e l o wf r e q u e n c y b a n d t h a n t h a t i n t h e h i g h f r e q u e n c y b a n d,a n d t h em o d u l a t i o n d e p t h v a r i e d i n t h e r a n g e o f35%-65%.T h e t h i n f i l m w a s p r e p a r e d s i m-p l y a n dh a dh i g h q u a l i t y,w h i c hc a nb e a p p l i e d t oT H zm o d u l a t o r f u n c t i o n s s u c ha s d e v i c e s a n d s w i t c h e s.K e y w o r d s:v a n a d i u md i o x i d e;t e r a h e r t z; T H z t i m e d o m a i n s p e c t r o s c o p y s y s t e m; m o d u l a t i o nP A C S:87.50.U-;07.79.-v;023104-6。

基于光诱导二氧化钒薄膜相变的太赫兹波调制材料研究张冬煜;彭晓昱;杜海伟;马勇;罗春华【摘要】太赫兹技术在许多领域有非常广泛的应用前景,但高灵敏度的太赫兹探测和调制器件的缺乏限制了其应用范围,尤其是具备超快响应特性的太赫兹波调制器件更为缺乏.文中通过仿真模拟对基于二氧化钒(VO2)薄膜和超材料相结合的光激发快速主动式太赫兹波调制材料进行研究,发现通过改变二氧化钒薄膜厚度可以优化调制深度,改变材料周期结构参数可以改变太赫兹调制频率.这些结果为快速主动式太赫兹波调制器件的设计提供了思路.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)004【总页数】4页(P12-15)【关键词】二氧化钒薄膜;调制器;太赫兹波【作者】张冬煜;彭晓昱;杜海伟;马勇;罗春华【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春 130022;中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心,重庆 400714;中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心,重庆 400714;中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心,重庆 400714;中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心,重庆 400714;重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065;长春理工大学光电工程学院,长春 130022【正文语种】中文【中图分类】O411.3太赫兹技术在材料、化学、生物医学、安检等许多领域有着独特的应用前景，但目前由于缺少有效的太赫兹功能器件（如太赫兹偏振片、滤波片、分束器和吸波器等），使得上述应用受到严重制约。

太赫兹波段不同于其它波段的是，自然界绝大多数物质对其缺乏有效响应，因此很难用于对太赫兹波进行调制，不过近些年超材料的兴起促进了太赫兹功能材料的发展。

超材料是一种由人工设计的具有周期单元阵列结构的电磁材料，是人工构成的、具有自然界材料所不具备物理性质的复合材料，其性质往往不是由构成材料的本征性质决定，而是取决于其中的微纳结构。

基于超材料间相互作用的太赫兹动态调制器
万彭倩;文天龙;张怀武
【期刊名称】《电子测试》
【年(卷),期】2022(36)19
【摘要】本文基于太赫兹超材料之间的相互作用和金属氧化物二氧化钒的相变特性,设计了一种可以实现电磁诱导透明现象的太赫兹动态调制器。

该调制器可以通过外加温度和电压,使二氧化钒的电导率变化五个数量级,从而实现对太赫兹波不同的电磁响应。

实验发现在二氧化钒相变前,金属短条与双U形环结构由于近场耦合作用,产生了双频谐振;在二氧化钒相变后,超材料实现了透明窗口透射率高达80%的电磁诱导透明现象。

【总页数】4页(P103-106)
【作者】万彭倩;文天龙;张怀武
【作者单位】电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TN929;O441
【相关文献】
1.基于合成超构材料的太赫兹调制器设计
2.双控石墨烯超材料太赫兹调制器的双频反射特性
3.基于石墨烯编码超构材料的太赫兹波束r多功能动态调控
4.硅基超材料太赫兹波电光调制器
5.基于石墨烯和超表面的EIT-Like太赫兹调制器
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基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件郭超;罗振飞;王度;孔维鹏;孙年春;杨存榜;周逊【期刊名称】《太赫兹科学与电子信息学报》【年(卷),期】2014(000)005【摘要】二氧化钒(VO2)作为一种优质的光电功能材料一直备受人们的关注，在信息存储、光调制器、太阳能电池、光电探测器等方面有着重要应用。

采用磁控溅射及原位退火氧化的“两步法”制备了 VO2薄膜，并对其进行晶态、形貌表征。

设计并搭建 VO2薄膜热致相变实验系统，研究了VO2薄膜在变温条件下对2.52 THz辐射的开关特性。

结果表明，VO2薄膜样品为多晶态，具有明显的太赫兹调制效果，可以实现对2.52 THz波的调制，并可作为太赫兹开关/调制器件的功能材料。

%As a high-quality optoelectronic material, vanadium dioxide(VO2) has drawn much attention over the past years, and it shows great potential for various applications such as information storage device, optical modulator, energy-saving, infrared detector, etc. In this work, nanocrystalline VO2 thin films are prepared by reactive direct current magnetron sputtering and in-situ oxidation annealing, and the microstructures and optical properties of films are investigated. In order to study the switching characteristic of VO2 thin film to 2.52 THz radiation under varied temperature conditions, the corresponding testing system is established. The results show that the VO2 thin film is polycrystalline, exhibiting obvious modulation effect on the terahertz wave at 2.52 THz,which makes VO2 thin film a promising functional material for the terahertz switching/modulation devices.【总页数】4页(P644-646,652)【作者】郭超;罗振飞;王度;孔维鹏;孙年春;杨存榜;周逊【作者单位】四川大学电子信息学院，四川成都 610065; 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川成都 610041;中国工程物理研究院太赫兹科学技术研究中心，四川绵阳 621999; 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川成都610041;中国工程物理研究院太赫兹科学技术研究中心，四川绵阳 621999; 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川成都 610041;中国工程物理研究院太赫兹科学技术研究中心，四川绵阳621999; 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川成都 610041;四川大学电子信息学院，四川成都 610065;中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川成都 610041;中国工程物理研究院太赫兹科学技术研究中心，四川绵阳 621999; 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川成都610041【正文语种】中文【中图分类】TN204【相关文献】1.基于二氧化钒薄膜的太赫兹开关器件 [J], 郭超;罗振飞;王度;孔维鹏;孙年春;杨存榜;周逊;2.基于光诱导二氧化钒薄膜相变的太赫兹波调制材料研究 [J], 张冬煜;彭晓昱;杜海伟;马勇;罗春华3.太赫兹波段二氧化钒薄膜的研究进展 [J], 张化福;沙浩;吴志明;蒋亚东;王操;孙艳;景强4.二氧化钒复合薄膜太赫兹透射率模拟 [J], 王旭; 陈思宏; 高敏; 林媛5.利用连续激光抽运-太赫兹探测技术研究单晶和多晶二氧化钒纳米薄膜的相变 [J], 杨培棣;欧阳琛;洪天舒;张伟豪;苗俊刚;吴晓君因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。