二氧化釩的相變調(diào)控特性及可重構超表面天線應用研究

李靖豪，楊琬琛*，周晨昱，薛 泉，文岐業(yè)，車文荃

(1.華南理工大學 廣東省毫米波與太赫茲重點實驗室，廣東 廣州 510641；2.電子科技大學 電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川 成都 610054)

0 引言

釩是一種過渡金屬，其氧化物在一定條件下可以實現(xiàn)導體—絕緣體相變，這是一種典型的強關聯(lián)電子體系特征[1]。在釩的氧化物中，二氧化釩(VO2)因其相變溫度接近室溫而受到廣泛關注[2]。在相變過程中，VO2晶格結(jié)構發(fā)生變化(單斜monoclinic結(jié)構變?yōu)樗姆较嘟鸺t石型rutile結(jié)構)，導致VO2薄膜發(fā)生絕緣體—金屬轉(zhuǎn)變[3-5]。同時，電阻率、介電性能、磁化率、光透射率和反射率等也有較大的變化。有許多方法可以用來激勵VO2相變，例如溫度、電(包括電流和電壓)、激光和壓力[7-10]。此外，在VO2薄膜的制備過程中，通過調(diào)整化學計量[11](氧分壓、離子摻雜和濺射功率等)會改變相變溫度和性能。這些特性使得VO2在未來射頻/光開關和可調(diào)設備領域具有廣闊的應用前景[12-16]。

在VO2薄膜的激勵方式中，激光激勵、熱激勵和電激勵被廣泛研究[15-17]。激光激勵的相變速度快，但需要外加激光發(fā)生器，增加了設備的體積。熱激勵操作簡單，VO2薄膜相變程度高，但溫度升高可能對器件的性能產(chǎn)生負面影響，且相變速度較慢。與熱激勵相比，電激勵具有更高的可靠性和多樣性[18]，并且可控性更好，對設備的負面影響很小，缺點則是VO2薄膜相變程度較低。綜合以上優(yōu)缺點，電激勵VO2相變的方式更符合實際應用場景。但是，許多已經(jīng)發(fā)表的工作主要集中在對初始電壓[19]、結(jié)構演化[20]以及相變的控制[21]的分析，很少關注VO2相變程度大小。相變程度高表明VO2作為電路開關在絕緣狀態(tài)下具有良好的隔離性和在導通狀態(tài)下具有低損耗性，能夠?qū)崿F(xiàn)良好的開關功能。

超材料是一類具有自然界中材料所不具備的超常物理性質(zhì)的等效均勻人工復合結(jié)構。通過設計不同的微結(jié)構，可使超材料的相對等效介電常數(shù)、相對等效磁導率為小于1的正實數(shù)、負實數(shù)或復數(shù)，從而使電磁波傳播方式從根本上發(fā)生變化，給電子學、聲學和光學等領域帶來了廣泛深遠的影響。超材料概念所涵蓋的范圍非常廣，其中超表面結(jié)構作為一種超材料，對入射的平面波具有同相位反射的特性。超表面在天線性能提升方面是一個重要的研究熱點，例如，通過加載人工磁導體(AMC)、電磁帶隙結(jié)構和平面型阻抗表面等超材料結(jié)構，可實現(xiàn)天線的高增益、寬頻、小型化和低剖面等性能。

為了更好地將VO2薄膜應用于實際場景，本文使用具有不同尺寸/形狀電極的電路和不同激勵方式來研究相變程度的大小。相變程度可以用絕緣狀態(tài)下VO2薄膜的電阻率除以金屬狀態(tài)下的電阻率來定義[22]。在此基礎上，還對電激勵相變的原理進行了分析。此外，考慮到VO2薄膜在射頻開關和可調(diào)器件中的應用前景，還研究了VO2薄膜在毫米波電路中的相變調(diào)控方法。最后，將VO2薄膜與超表面天線結(jié)合，設計出具有高性能的毫米波頻率可重構超表面天線。

1 VO2相變特性分析

1.1 不同電極對VO2電激勵相變程度的影響分析

為了研究VO2薄膜的相變調(diào)控方法，采用微加工技術加工了VO2薄膜電路。制作過程如下：首先制備VO2薄膜，即通過磁控濺射在藍寶石襯底上鍍一層200 nm厚的VO2薄膜。在實驗中，需要在VO2薄膜上沉積具有精確形狀和尺寸的金屬電極，因此需要用到光刻工藝，包括旋涂光刻膠、干燥、曝光和顯影等，這是對金屬電極質(zhì)量影響最大的關鍵步驟；然后，通過電子束蒸發(fā)在基板上沉積10/800 nm厚的Ti/Au層；最后，通過剝離方法，可以獲得精確形狀和尺寸的金屬電極。

采用上述微加工技術，設計并制作了一系列具有矩形和交指2種電極的VO2集成電路，以分析金屬電極對電激勵VO2相變的影響，如圖1所示。每種類型都包含幾種不同尺寸。在室溫(約25 ℃)下研究了電激勵相變特性。測試電路原理如圖2所示。為了操作方便和連接的穩(wěn)固性，需要外接PCB板放置在VO2電路下方，用金線和銦粒將信號從電極引導到PCB板上的金屬焊盤。使用Keithley 2460源表提供穩(wěn)定的直流電流，并與PCB板上的金屬焊盤連接。需要注意的是，不同電路中的所有VO2薄膜都是在相同的環(huán)境中制備的，因此它們的特性相似。例如，絕緣狀態(tài)下所有薄膜的電阻率約為0.04 Ω·m。

(a) 矩形電極

圖2 電激勵相變測試電路原理

不同尺寸矩形電極的VO2電路的測量結(jié)果如圖3(a)和圖3(b)所示。對于樣品1，2和3，所有電極的寬度w相同，而電極間隙g不同。隨著電極間隙g變大，絕緣狀態(tài)下VO2膜的電阻R將根據(jù)式(1)增加，其中ρ表示VO2薄膜的電阻率，t表示VO2薄膜的厚度，w表示電極的寬度。當在電極上施加直流電流時(如圖3(a)所示)，VO2薄膜的電阻率ρ隨著電流值的增大而逐漸減小，減小的速度先慢后快最后慢。因此，在從絕緣體到金屬的轉(zhuǎn)變結(jié)束時，它將接近恒定值。需要注意的是，相變程度的大小(M)用絕緣狀態(tài)下VO2膜的電阻率除以金屬狀態(tài)下的電阻率來定義。VO2膜的相變程度M與其絕緣狀態(tài)下電阻R的變化曲線如圖3(b)所示?？梢钥闯?，相變程度的大小M受絕緣狀態(tài)下電阻R的影響，電阻R越大，相變程度M越大。另外，對于樣品1，4和5，其電極間隙是固定的，而電極寬度各不相同。隨著電極寬度w變小，絕緣狀態(tài)下VO2薄膜的電阻R增大，導致M增大。

(1)

此外，交指電極的VO2電路的性能如圖3(c)和圖3(d)所示。樣品6和7的交指具有相同的寬度wj，而間隙gj不同。相反，樣品8的交指具有與樣品7相同的間隙，而寬度不同。根據(jù)測試結(jié)果，隨著交指間的寬度或間隙變大，絕緣狀態(tài)下VO2薄膜的電阻R增大，M也增大。因此，可以通過改變電極的尺寸和形狀來增加絕緣狀態(tài)下的電阻值，以獲得更大的M。將交指電極換成矩形電極，絕緣狀態(tài)下的電阻可以從0.23 kΩ增加到37.7 kΩ，導致M的大小從22上升到548。想要解釋上述現(xiàn)象，則需要從電激勵相變的原理入手。對該原理主要有2種解釋——電場效應和焦耳熱效應[18]。在電激勵相變中，電場或載流子注入的Poole-Frenkel效應導致載流子濃度增加，達到相變臨界值(約1021cm-3)[23]，導致VO2發(fā)生Mott躍遷。相變所需的臨界電場強度約為50 V/μm[24]。但上述樣品的間隙是微米級別(20，50和100 μm)，這意味著相變需要高于1 000 V的電壓。而本實驗中施加的電壓均低于100 V，遠低于臨界電壓，顯然不是電場效應導致VO2相變。所以VO2薄膜相變主要是因為焦耳熱效應。焦耳熱效應的原理是載流子注入的電流會產(chǎn)生熱量，將VO2膜的溫度升高到相變的臨界溫度以上。眾所周知，電路中的焦耳熱在相同時間和電流下與電阻成正比，這在一定程度上可以解釋較大的電阻R會帶來更高M值的現(xiàn)象。

(a) 矩形電極的電阻率與激勵電流關系

綜合上述分析可知，VO2薄膜的相變程度與電極尺寸和形狀有密切的關系。通過改變電極尺寸和形狀，可以增大VO2薄膜絕緣態(tài)的電阻，從而增大薄膜的相變程度。

1.2 不同激勵方式下VO2的相變程度分析

基于上述不同電極對VO2電激勵相變程度的影響分析，本節(jié)重點研究不同激勵方式對VO2相變程度的影響分析，分別采用熱激勵、電激勵和電熱混合激勵等3種方式，如圖4所示。為保證實驗的可靠性，在絕緣狀態(tài)下對同一VO2薄膜樣品施加3種激勵，該樣品絕緣狀態(tài)下電阻率為0.044 Ω·m，并在相同環(huán)境下進行實驗。

(a) 熱激勵

如圖4(a)和表1所示，加熱時，將樣品置于可調(diào)節(jié)溫度的加熱臺上，將VO2薄膜從室溫(約25 ℃)加熱至90 ℃。在這種熱激勵下，VO2薄膜的電阻率下降到8.96×10-6Ω·m，M約為4 911。電激勵的實驗方法和上文提及的一樣。如圖4(b)所示，當電流上升到40 mA時，VO2薄膜的電阻率下降到1.21×10-4Ω·m，此時M約為364，遠小于加熱時的M。接下來是電熱混合激勵。首先將樣品在加熱臺上加熱到圖4(a)中的A點(約60 ℃)，此時VO2薄膜的電阻率沒有發(fā)生突變，即還沒有開始相變。然后，與上述電激勵相同的方式對樣品施加電流，溫度保持在60 ℃。由于60 ℃低于臨界相變溫度，所以仍然是由電流而不是溫度引起的相變。由圖4(c)可知，隨著電流的增加，VO2薄膜的電阻率急劇下降，最終下降到6.68×10-4Ω·m，M約為660。

表1 不同激勵方式下的相變特性對比

表1記錄了相變程度M值在不同的激勵方式下的變化，熱激勵最高，電激勵最低，而使用電熱混合激勵的M值介于二者之間，這種現(xiàn)象可能是由不同激勵產(chǎn)生的能量不同引起的。

由于電激勵相變都是通過焦耳熱效應產(chǎn)生能量的，可通過耗散功率來衡量其激勵程度，如式(2)所示，其中P代表耗散功率，I和U分別代表從源表獲得的VO2薄膜兩端的電流和電壓。通過這種方式，可以計算出耗散功率，如圖5所示。

圖5 VO2薄膜在不同偏置電流下的電壓與耗散功率

隨著電流的增加，耗散功率不斷上升，最大值約為138 mW。假設縫隙中的VO2薄膜整體受熱均勻并且整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)，可以使用式(3)建立熱模型[18]，其中T是VO2薄膜的溫度，k是熱導率，TA是環(huán)境溫度。然后，式(3)可以轉(zhuǎn)化為式(4)。根據(jù)圖4中的測量結(jié)果k可估算出來，其中I0為相變臨界電流，R0為施加臨界電流時VO2薄膜的電阻，T0為相變臨界溫度。因此，VO2薄膜的等效溫度可以通過式(5)計算出來(t代表VO2薄膜的厚度，ρ代表電阻率)。在40 mA電流激勵下，VO2薄膜的等效溫度約為69 ℃，遠低于加熱時的溫度(約90 ℃)。使用相同的方法計算出電熱混合激勵的等效溫度約為81 ℃，介于熱激勵和電激勵之間?；谶@些公式，每次激勵的等效溫度變化與M的變化一致，表明相變程度M值主要受電路中的熱量影響，等效溫度較高的激勵會帶來更高M值。

P=UI=I2R,

(2)

P=I2R=kwg(T-TA),

(3)

(4)

(5)

2 毫米波頻段的相變特性

考慮到VO2薄膜在微波/毫米波開關和可調(diào)器件中的應用前景，本節(jié)進一步研究了VO2薄膜在毫米波波段的相變特性。設計并制作了一種集成VO2薄膜的可切換共面波導(CPW)，如圖6所示。在中心信號線和兩側(cè)地之間加載2片200 nm厚的VO2薄膜。毫米波信號通過探針臺施加在中心線上，并用矢量網(wǎng)絡分析儀(VNA)進行測試。如圖7所示，當VO2薄膜絕緣電阻率為4.96×10-3Ω·m時，CPW導通，整個電路的損耗約為1.3 dB。注意損耗包括CPW線約0.8 dB的插入損耗和從CPW到探針臺的GSG探頭的0.2 dB過渡損耗，因此VO2薄膜的損耗僅約為0.3 dB。和之前的實驗一樣，這里采用3種激勵方式進行實驗。首先，在熱激勵下，CPW被加熱臺從25 ℃加熱到95 ℃，從圖7(a)中可以觀察到S21參數(shù)明顯下降。VO2薄膜相變后的S21參數(shù)低于-40 dB，這意味著幾乎所有的毫米波信號都輸出到地上，CPW電路斷開。該結(jié)果表明熱激勵下的VO2薄膜在毫米波段表現(xiàn)出良好的相變特性，因此可被視為具有低損耗和高隔離度的高性能毫米波開關。

由圖3可以看出,土壤中添加無機肥和添加菌渣都能有效增強土壤氧化還原電位,但增強幅度隨著土壤中重金屬濃度的增加而降低.相較于空白對照組,無機肥添加分別使Cd0Zn0,Cd1Zn0,Cd1Zn100,Cd1Zn500,Cd1Zn1000處理組的氧化還原電位增加了40.4%,41.6%,34.2%,33.2%和30.3%;菌渣對土壤氧化還原電位的增強效果大于無機肥,使得氧化還原電位在各重金屬處理組中分別增加了81.4%,79.0%,72.3%,68.8%和65.5%.菌渣和無機肥同時添加組也使土壤氧化還原電位有明顯的提高,且增強效果介于菌渣添加組和無機肥添加組之間.

圖6 基于VO2薄膜的CPW電路的測試連接圖

(a) 不同激勵下的S21

然后是電激勵相變實驗。由Keithley 2460源表提供的外部直流信號施加在中心線上，射頻地與直流地相連，因此可以通過電激勵VO2薄膜來導通或斷開CPW電路。為了防止直流電流對網(wǎng)絡分析儀造成損壞，故在輸入輸出端加了2個隔直器，用來隔離直流和射頻信號。測試結(jié)果如圖7所示。施加直流電流后，VO2薄膜發(fā)生相變，但由于薄膜絕緣態(tài)的電阻較小，僅通過電激勵時，相變前后的電阻率變化不大(該樣品相變前的電阻率約0.016 Ω·m，相變后的電阻率約7.84×10-4Ω·m，電阻率變化率僅20左右)。雖然電路傳輸信號的能力變差，但傳輸系數(shù)S21僅降低至-4 dB左右，此時隔離度不高。

為了使電控的效果更佳，采用溫控和電控同時激勵的方式。在電路樣品下放置一塊加熱陶瓷片，給樣品加熱至69 ℃左右(此溫度為熱激勵相變的臨界值)，如圖7(b)所示，然后用電流激勵，此時傳輸系數(shù)S21低于-20 dB，電路兩端口之間的隔離度較高，電路處于斷開狀態(tài)，表明通過溫控+電控的激勵方式，可以有效地控制CPW電路的通斷。由表2可以看出，毫米波波段S21參數(shù)的變化是由不同激勵方式下的相變程度M值決定的，M值越大，開關性能越好。

表2 不同激勵下毫米波波段的相變與傳輸特性比較

3 基于VO2薄膜的頻率可重構超表面天線

基于上述VO2薄膜的相變調(diào)控方法的研究成果，將VO2薄膜與共面緊湊型超表面結(jié)構(UC-PBG)結(jié)合，并用于毫米波天線的輻射體，設計出一種可實現(xiàn)大范圍頻率可重構的超表面天線[25]。如圖8(a)所示，天線采用矩形波導饋電，通過平行雙縫將電磁波耦合到上表面加載有VO2薄膜的UC-PBG結(jié)構，再輻射出去?？紤]到VO2薄膜相變前后，UC-PBG結(jié)構分別在22.5和40 GHz左右產(chǎn)生諧振，這里提出一種雙縫結(jié)構，即采用2條不同長度的縫隙，通過調(diào)節(jié)縫隙的長度和距離來分別改變2條縫隙的工作頻率，從而實現(xiàn)雙頻諧振。另外，在波導和縫隙之間加了一段階梯型波導過渡，并在波導內(nèi)部設計了雙脊結(jié)構，從而使天線在高低頻處均能實現(xiàn)阻抗匹配。為了更好地激勵VO2薄膜，采用電熱混合激勵VO2薄膜相變的折衷方法，兼具2種調(diào)控方式的優(yōu)點，其中熱激勵方式是將加熱陶瓷片固定在天線下方金屬件上并連通直流源表，改變源表輸出電壓，加熱陶瓷片產(chǎn)生的溫度也會隨之變化。電激勵方式則是通過偏置電路實現(xiàn)，這里巧妙地利用了UC-PBG結(jié)構的連通性，將偏置電路放置在遠離天線輻射體的一側(cè)，減少了對天線輻射性能的影響，并且只需在最左側(cè)和最右側(cè)兩列加足夠大的直流電，便可以激勵所有VO2薄膜。

圖8 基于VO2薄膜的頻率可重構超表面天線結(jié)構

圖8(b)和圖8(c)為加載VO2薄膜的UC-PBG結(jié)構圖。超表面結(jié)構同相反射帶隙的形成是由于諧振回路的作用，在超表面結(jié)構中加入VO2薄膜，通過控制VO2薄膜的相變，改變超表面結(jié)構的等效電容/電感大小，進而就可以改變其同相反射頻率。超表面具體尺寸如表3所示。

表3 超表面結(jié)構尺寸

介質(zhì)基板采用<0001>晶向的藍寶石晶片，介電常數(shù)為(9.3，9.3，11.5)，厚度0.5 mm。VO2薄膜位于相鄰超表面單元連接處。等效電路如圖9所示，紅色和藍色的虛線框代表VO2薄膜的等效電路。當VO2薄膜絕緣時，相鄰單元微帶分支斷開，微帶分支不再呈現(xiàn)感性，由于VO2薄膜并非理想絕緣體，所以會引入一個電容Coff和大電阻Roff。VO2薄膜相變后，電阻率顯著下降，微帶分支上有感應電流存在，故產(chǎn)生一個等效電感Lon，因為VO2薄膜導通時并非理想導體，所以VO2連接處仍存在一個等效電容Con。由等效電路可知，VO2薄膜相變前后，超表面結(jié)構都可形成一個LC諧振回路，同相反射特性依然存在。因此，控制VO2薄膜的相變就可以改變同相反射頻率，從而實現(xiàn)頻率可重構。

(a) VO2處于絕緣狀態(tài)

基于VO2薄膜的超表面結(jié)構同相反射特性的仿真結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?，當VO2薄膜絕緣時，同相反射頻率約23.4 GHz；當VO2薄膜導通時，同相反射特性依然存在，但同相反射頻率提高到約40 GHz。VO2相變前后，同相反射頻率的比值約1∶1.71，說明該結(jié)構可以實現(xiàn)大范圍的頻率可重構。

圖10 基于VO2薄膜的超表面結(jié)構在2種狀態(tài)下的反射相位

天線加工實物圖如圖11所示。采用電熱混合激勵VO2薄膜相變的方法，使薄膜在相變前后的電阻率由4.96×10-3Ω·m降低至8.16×10-5Ω·m(如表2所示)，獲得了較好的相變效果。VO2薄膜相變前后天線的回波損耗和增益如圖12所示，當VO2薄膜絕緣時，天線的工作頻帶在23.25～24.3 GHz，阻抗帶寬約4.4%，帶內(nèi)最大增益約8.7 dB；當VO2薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)閷w，工作頻帶往高頻偏移到37～39.8 GHz，阻抗帶寬約7.3%，帶內(nèi)最大增益約7.6 dB。VO2薄膜相變前后天線的歸一化方向圖如圖13所示，可以看出，VO2薄膜相變前后，方向圖主瓣的測試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，H面的交叉極化差距較大，主要原因是交叉極化電平較低，受測試環(huán)境的影響較大。測試結(jié)果表明，通過控制VO2薄膜的相變，可以改變天線的工作頻率，且頻率調(diào)諧比可達1∶1.61，可以實現(xiàn)大范圍的頻率可重構。

(a) 三維圖

圖12 基于VO2薄膜的頻率可重構超表面天線的S11和增益

(a) 絕緣狀態(tài)E面

4 結(jié)束語