缺陷組合嵌入VO2薄膜結構的可調太赫茲吸收器*

陳旭生 李九生

(中國計量大學,太赫茲研究所,杭州 310018)

提出一種多缺陷組合嵌入VO2薄膜結構的可調太赫茲吸收器,它由上表面金屬圖案層、基體和底層金屬板三層結構組成,在上表面和基體之間嵌入二氧化釩介質.計算結果表明在 f=4.08 THz和f=4.33 THz兩頻點吸收率分別為99.8%和99.9%.通過改變外界環(huán)境溫度可控制二氧化釩相變,從而使兩個頻點吸收率從99.8%變化到1.0%.改變入射角和偏振態(tài),計算結果表明在入射角0°—40°,吸收器在TE和TM兩種極化波下吸收率都能在98%以上.該太赫茲波吸收器具有高吸收、動態(tài)調諧、極化不敏感等特性,本文所設計的可調太赫茲吸收器在太赫茲波相關領域,例如探測器、開關、動態(tài)調制器、隱身技術等方面具有很好的應用前景.

1 引 言

超材料吸收器具有厚度薄、尺寸小、結構簡單和吸收率高的優(yōu)點,可廣泛應用于電磁隱身[1,2]、傳感器[3,4]、熱成像[5]、太陽能光伏[6,7]、光催化劑[8?10]等領域.Landy等[11]研究出一種超材料吸收器,通過對所設計的吸收器結構參數(shù)掃描優(yōu)化,使得電磁波照射到吸收器中后不發(fā)生反射也不透射,實現(xiàn)完全吸收.在眾多學者持續(xù)努力下,多頻點與寬帶超材料吸收器都有了很大的發(fā)展.Li等[12]利用閉合三圓環(huán)在太赫茲波段實現(xiàn)了三頻段近完美吸收.Grzeskiewicz等[13]利用微結構金屬與SU-8組合在太赫茲波段實現(xiàn)了單頻點吸收.Bakshi等[14]利用簡單的H形金屬鏤空結構實現(xiàn)了太赫茲多頻帶吸收.Mohanty等[15]將簡易的PI形和U形金屬條組合實現(xiàn)了太赫茲波段多頻吸收.Karimi等[16]利用矩形石墨烯陣列實現(xiàn)了太赫茲波段寬帶吸收,并利用等效電路模型進行了闡述說明.Biabanifard和Abrishamian[17]將多層條狀石墨烯進行組合,不同層石墨烯對應不同費米能級,實現(xiàn)了太赫茲波段寬帶吸收.Wang等[18]利用石墨烯與多缺陷金屬環(huán)相結合在太赫茲波段實現(xiàn)了寬帶吸收.Daraei等[19]運用等效電路模型闡述了兩層尺寸不同的石墨烯圓盤陣列在太赫茲波段的寬帶吸收原理.在固定頻點吸收不可調諧的缺點日漸凸顯,實現(xiàn)吸收率等可調諧的太赫茲吸收器在太赫茲波相關領域,例如探測器、開關、動態(tài)調制器、隱身技術等方面具有很好的應用前景.

本文設計了多缺陷組合嵌入VO2薄膜結構可調太赫茲吸收器,在頂層超材料和基體之間嵌入了一層VO2層,通過控制外界環(huán)境溫度促使VO2從絕緣態(tài)相變成金屬態(tài),可實現(xiàn)不改變器件結構對吸收器吸收率的動態(tài)調諧.研究結果表明該吸收器在 f=4.08 THz 與 f=4.33 THz 處吸收率分別為99.8%和99.9%,通過改變工作環(huán)境溫度可實現(xiàn)吸收率從99.9%變化為1%,且在入射角0°—40°對TE和TM兩種極化不敏感.

2 結構設計

圖1所示為本文設計的多缺陷組合嵌入VO2薄膜結構可調太赫茲吸收器,它由上表面金屬圖案層、二氧化釩層、基體和金屬底板組成.頂層金屬圖案由缺陷圓環(huán)、缺陷十字架以及中心圓環(huán)三部分構成,頂層金屬圖案與底層金屬板所用材料都為金,電導率為 σgold=4.56×107S/m,厚度為 0.5 μm.二氧化釩層材料為 VO2薄膜,其厚度為 0.2 μm.基體所用材料為 Si,相對介電常數(shù)ε=11.9,厚度為 35 μm.圖1(b)為吸收器的單元結構俯視圖.

為了研究所設計吸收器的雙頻吸收機理,在室溫下,分別對不同組合結構進行了仿真計算,得到三種結構的吸收率曲線(圖2).為了分析不同組合結構的吸收機理,對每個結構各自高吸收頻率點在TE模式下進行電場分析(圖3).組合一結構只有中心圓環(huán)和缺陷圓環(huán),低頻率點的吸收峰在4.06 THz處吸收率達到93%,此時的能量主要集中在中心圓環(huán)的上下部位;高頻率點的吸收峰在4.27 THz處吸收率只有73.8%,能量主要集中在缺陷圓環(huán)的缺口處和圓環(huán)的邊緣處.組合二結構只有缺陷圓環(huán)和缺陷十字架,低頻率點的吸收峰在4.03 THz處吸收率只有76.3%,大部分能量出現(xiàn)在左右兩個十字架枝節(jié)和帶缺陷圓環(huán)的間隙處,在缺陷圓環(huán)的外邊緣也出現(xiàn)了部分能量團;高頻率點的吸收峰在4.33 THz處吸收率達到99.5%,與低頻率點相比,此處頻率點在缺陷處和缺陷圓環(huán)邊緣處能量都有所加強;此外這種模式還出現(xiàn)了第三個吸收峰,在 4.38 THz 處吸收率為 93.8%.組合三結構為中心圓環(huán)和缺陷十字架,低頻率點吸收峰在4.06 THz處的吸收率為88.6%,能量主要集中在中心圓環(huán)和缺陷十字架的間隙處;高頻率點吸收峰在4.39 THz處吸收率達到98.7%,上下兩個十字架枝節(jié)和中心圓環(huán)的外邊緣出現(xiàn)了能量團.綜上所述可見,低頻率點吸收主要受中心圓環(huán)影響,其次還受到缺陷圓環(huán)影響;高頻率點吸收主要受缺陷圓環(huán)的影響,受中心圓環(huán)的影響較小.將上述三種多缺陷組合成一個整體,該結構可實現(xiàn)在太赫茲波f=4.08 THz和f=4.33 THz 處吸收率達到 99.8%和99.9%.將三種模式的組合進行整合后在TE模式下吸收器電場分布與電流分布如圖4,圖4(a)為 f=4.08 THz 處電場分布,吸收能量集中在中心圓環(huán)上下處,在缺陷圓環(huán)邊緣也出現(xiàn)了少許能量;圖4(b)為 f=4.33 THz 處電場分布,能量主要集中在缺陷圓環(huán)的邊緣和缺口間隙處;圖4(c)為f=4.08 THz處的電流分布,可觀察到電流集中在帶缺陷圓環(huán)、十字架與中心圓環(huán);圖4(d)是高頻率點f=4.33 THz 處電流分布,電流主要分布在外圍缺陷圓環(huán)和十字架組合上,中心圓環(huán)幾乎沒有電流分布.可見低頻率處的吸收峰受到了中心圓環(huán)的影響,同時外圍缺陷圓環(huán)和十字架的組合對低頻率處的吸收率也有影響;高頻率點的吸收峰主要受到外圍缺陷圓環(huán)和十字架的影響.

圖1 多缺陷組合結構可調太赫茲吸收器 (a) 單元結構三維立體圖;(b) 單元俯視圖Fig.1.Adjustable terahertz absorber with multiple defects:(a) Three-dimensional of unit structure;(b) top view of unit structure.

圖2 不同組合形成的吸收器吸收曲線Fig.2.Absorption curves of the absorber formed by different combinations.

圖3 TE 模式下電場 E 分布圖 (a) 組合一,f=4.06 THz;(d) 組合一,f=4.27 THz;(b) 組合二,f=4.03 THz;(e) 組合二,f=4.33 THz;(c) 組合三,f=4.06 THz;(f) 組合三,f=4.39 THzFig.3.Electric field distribution in TE mode:(a) Combination 1,f=4.06 THz;(d) combination 2,f=4.27 THz;(b) combination 2,f=4.03 THz;(e) combination 2,f=4.33 THz;(c) combination 3,f=4.06 THz;(f) combination 3,f=4.39 THz.

對影響吸收頻率點的重要參數(shù)進行掃描分析,計算結果如圖5所示.從圖5(a)中看出,隨著R增大,低頻率點發(fā)生藍移,吸收率也稍微降低.當 R=8.5 μm 時,吸收器的吸收率最高,達到99.2%;當 R=9.0 μm 時,吸收器吸收率為 98.9%;當 R=9.5 μm 時,吸收器的吸收率為 98.9%;當R=10 μm 時,吸收器的吸收率為 98.8%.在這個過程中發(fā)現(xiàn)吸收器的高頻率點并沒有發(fā)生明顯的移動,吸收率保持不變.可以得出這樣的結論,缺陷十字架與中心距離R主要對吸收器的低頻率點產(chǎn)生影響,調節(jié)R大小,可以實現(xiàn)吸收器的低頻率點吸收率的優(yōu)化.此外,本文還對缺陷圓環(huán)缺陷寬度W和中心圓環(huán)寬度D進行了仿真計算.從圖5(b)中可以看出,缺陷寬度W對吸收器的低頻率點幾乎沒有影響,主要對吸收器的高頻率點產(chǎn)生影響.W=4.5 μm,f=4.31 THz 處吸收率為 98.6%;W=5.0 μm,f=4.33 THz 處吸收率為 99.9%;W=5.5 μm,f=4.34 THz 處的吸收率為 99.0%;W=6.0 μm,f=4.35 THz 處吸收率為 97.6%.可見隨著W增加,高頻率點發(fā)生了藍移.中心圓環(huán)寬度D與吸收器吸收率的關系如圖5(c)所示.從圖5(c)中可以觀察到,保持中心圓環(huán)圓心不變,改變圓環(huán)寬度D從2 μm變化到 4 μm,吸收器在低頻率點產(chǎn)生藍移,而高頻率點產(chǎn)生紅移,且兩個頻率點上的吸收率均下降,這是因為中心圓環(huán)寬度變化實際上改變了缺陷十字架與圓環(huán)之間間隙的寬度,金屬之間電磁共振強度也隨著距離的增大而減弱,當寬度 D=2.5 μm 時,共振強度最大,吸收效果最好.該吸收器優(yōu)化得到的基本尺寸參數(shù)如下:周期為40 μm,頂層金屬圖案中缺陷圓環(huán)缺口寬度為W=5 μm,缺陷圓環(huán)寬度為 2 μm,其外半徑為 16 μm,中心圓環(huán)寬度為 D=2.5 μm,其外半徑為 8 μm,缺陷十字架與單元中心位置距離為R=8.5 μm,缺陷十字架寬度為4 μm.

圖4 多缺陷組合TE模式下電場E和電流A分布圖(a) f=4.08 THz,電場分布;(b) f=4.33 THz,電場分布 ;(c) f=4.08 THz,電流分布;(d) f=4.33 THz,電流分布Fig.4.Electric field and current distribution in TE mode with multiple defects:(a) f=4.08 THz,electric field distribution;(b) f=4.33 THz,electric field distribution;(c) f=4.08 THz,current distribution;(d) f=4.33 THz,current distribution.

3 結果與分析

VO2薄膜是一種比較典型的相變材料,VO2由絕緣態(tài)向金屬態(tài)轉變時,電導率會有3—5個數(shù)量級的變化[20].根據(jù)材料介電函數(shù)與電導率的關系[21]可以得到相變過程中不同溫度所對應的VO2薄膜的電導率關系為

其中,σ 為復合體系的電導率,ε0為真空介電常數(shù),復合體系的介電函數(shù) εC與溫度相關.圖6所示為VO2電導率隨溫度變化的曲線,隨著溫度升高到達相變點 68 ℃,VO2電導率發(fā)生驟變;溫度繼續(xù)上升至 80 ℃,VO2電導率成穩(wěn)定狀態(tài),此時相變完成,并且過程可逆.利用前文優(yōu)化后的結構參數(shù)結合器件工作溫度變化,計算得到不同溫度下吸收器的吸收率曲線如圖7(a)所示,當室溫 T=25 ℃時,吸收器在 f=4.08 THz和f=4.33 THz 處吸收率分別為99.8%和99.9%.隨著溫度升高,吸收器的兩處頻點的吸收率逐漸降低.當 T=40 ℃時,f=4.08 THz 與 f=4.33 THz 處吸收率分別為 79.8%和65.1%,當溫度升高到 80 ℃ 時,VO2已相變成金屬相,吸收器吸收率變?yōu)?.0%.在這漸變的過程中,吸收器吸收峰發(fā)生輕微藍移,這是由于VO2在絕緣態(tài)往金屬態(tài)發(fā)生相變過程中電導率在不斷變大導致的.根據(jù)吸收器理論,吸收率A=1 – R – T,反射率 R=|S11|2,透過率 T=|S21|2,S11和S21分別為吸收器的反射系數(shù)和透射系數(shù).其中S11是由吸收器材料與自由空間的阻抗匹配程度決定的,二者之間匹配達到完美狀態(tài),也就是電磁波沒有反射現(xiàn)象,完全進入到了吸收器中.為了減小S21,通常根據(jù)金屬底板的趨膚深度,在吸收器底部加一層一定厚度的金屬板,這樣可以有效地阻止電

磁波從器件中透射出去.圖7(b)是利用前文優(yōu)化后的結構參數(shù)并在室溫下吸收器歸一化表面阻抗后的實部與虛部,其中,歸一化阻抗可以表達為

圖5 結構參數(shù)改變對應的吸收率曲線 (a) 缺陷十字架距離中心距離 R;(b) 缺陷圓環(huán)缺陷寬度 W;(c) 中心圓環(huán)寬度DFig.5.Absorption curves corresponding to the change of structural parameters:(a) Defect cross distance from center R;(b) defect ring width W;(c) center ring width D.

圖6 VO2 的電導率隨溫度的變化Fig.6.Changes of VO2 conductivity with temperature.

圖7 (a) 不同溫度下吸收器的吸收率;(b) 吸收器的歸一化表面阻抗Fig.7.(a) Absorption of the absorber at different temperatures;(b) normalized surface impedance of the absorber.

在 f=4.08 THz與 f=4.33 THz 處表面阻抗實部與虛部分別為 0.995 與 0.048,1.05 與–0.016.這表明所設計吸收器的歸一化表面阻抗與自由空間的阻抗形成良好匹配,吸收器達到了完美吸收.

在設計整個吸收器時將偏振敏感性也列入了考慮范圍,所以吸收器為中心對稱結構.為了驗證這一效果,對TE和TM兩種模式下太赫茲波不同入射角照射吸收器的吸收光譜進行仿真分析,結果圖8 所示.由圖8 可見,入射角在 0°—40°吸收器的吸收率可達到98%以上,當太赫茲波入射角為55°時,吸收率下降至90%以下.所設計的吸收器具有偏振不敏感特性,該吸收器在隱身材料、傳感等領域都有很好的應用價值.

圖8 太赫茲吸收譜 (a) TE 模式;(b) TM 模式Fig.8.Terahertz absorption spectrum:(a) TE mode;(b) TM mode.

4 結 論

提出一種多缺陷組合嵌入VO2薄膜結構可調太赫茲吸收器,分析了吸收器的吸收機理并優(yōu)化了結構參數(shù),在 0°—40°入射角范圍內 f=4.08 THz和f=4.33 THz頻率處的吸收率達到99.8%以上.通過改變外界環(huán)境溫度可以調控吸收器的吸收效率.計算結果表明該吸收器對TE和TM兩種極化波不敏感.所設計的可調太赫茲吸收器在太赫茲波相關領域,例如探測器、開關、動態(tài)調制器、隱身技術等方面具有很好的應用前景.