基于超材料間相互作用的太赫茲動(dòng)態(tài)調(diào)制器

萬(wàn)彭倩，文天龍，張懷武

（電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都，610054）

0 引言

太赫茲波(Terahertz wave，THz wave)是指頻率在0.1～10 THz(1THz=1012Hz)，波長(zhǎng)在 0.03～3 mm 范圍內(nèi)的電磁波。其作為微波和紅外波中間的電磁波頻段[1]，具有許多獨(dú)特優(yōu)異的性質(zhì)，這使其在醫(yī)療[2]、成像[3]、通信[4]等方面有廣闊的應(yīng)用前景且有不可替代的優(yōu)勢(shì)。過(guò)去由于合適的太赫茲源的缺乏、探測(cè)器研究的不足等問(wèn)題，嚴(yán)重阻礙了太赫茲波相關(guān)研究的進(jìn)展。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)、激光技術(shù)的發(fā)展，使太赫茲波的產(chǎn)生和探測(cè)變得容易，因此太赫茲相關(guān)的研究也得到了快速的發(fā)展，特別是在太赫茲波成像、太赫茲波通信、太赫茲光譜學(xué)等領(lǐng)域取得了較多的成果。

太赫茲技術(shù)的實(shí)現(xiàn)離不開(kāi)理論和基本器件的支撐，但是現(xiàn)有的微波和光波的理論和器件大多都不適用于太赫茲波，因此需要專(zhuān)門(mén)研究相關(guān)的太赫茲理論和器件。其中太赫茲波的調(diào)控器件也是太赫茲波技術(shù)急需解決的重要瓶頸技術(shù)。阻礙太赫茲器件發(fā)展的重要原因是太赫茲波與自然界存在的物質(zhì)相互作用較弱，在自然界中很難找到合適的器件所用材料[5]。為了解決這個(gè)問(wèn)題，具有數(shù)十微米尺寸的人造太赫茲超材料[6]經(jīng)常使用在太赫茲波調(diào)制器件中，通過(guò)這些超結(jié)構(gòu)增強(qiáng)太赫茲波與材料之間的相互作用。這里可以通過(guò)改變超結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸以及介電環(huán)境等相關(guān)材料參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的電磁性能。其中最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有具有LC諧振特征的開(kāi)口諧振環(huán)[7]（Split Resonate Ring,SRRs）和具有偶極諧振特征的微米金屬條。

目前使用超結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲波的幅度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制的方法包括：（1）通過(guò)外部激勵(lì)改變超結(jié)構(gòu)所處的介電環(huán)境，對(duì)諧振頻率進(jìn)行調(diào)諧[8]；（2）通過(guò)外部激勵(lì)重構(gòu)超結(jié)構(gòu)，讓超結(jié)構(gòu)的諧振模式發(fā)生改變[9]；（3）通過(guò)MEMS改變超結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)[10]等等。這些傳統(tǒng)的方法從太赫茲超材料本身的諧振出發(fā)，對(duì)太赫茲波進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制。除此之外，超材料與超材料之間的相互作用也會(huì)嚴(yán)重影響超材料與太赫茲波之間的電磁響應(yīng)[11]。在非對(duì)稱(chēng)的SRR陣列中已經(jīng)觀察到超材料之間強(qiáng)烈的耦合作用，這可能會(huì)很大程度上影響超材料陣列與太赫茲波的相互作用。因此，通過(guò)設(shè)計(jì)調(diào)節(jié)超材料之間的相互作用也是調(diào)制太赫茲波幅度和相位的另一種有效方法。

本文設(shè)計(jì)了一種基于超材料相互作用的太赫茲動(dòng)態(tài)調(diào)制器。將具有LC諧振特征的雙U型超結(jié)構(gòu)和具有偶極諧振的微米金屬條制作成耦合結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)雙U形環(huán)超材料與微米金屬條之間的相互作用進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)透射的太赫茲波幅度和相位的動(dòng)態(tài)調(diào)制。這里相互作用調(diào)控的方式是通過(guò)溫度[12]和電壓[13]控制U形環(huán)開(kāi)口處二氧化釩的電導(dǎo)率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的動(dòng)態(tài)調(diào)制效果。通過(guò)與只有雙U型環(huán)超結(jié)構(gòu)對(duì)太赫茲波調(diào)控的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)通過(guò)金屬條對(duì)相互作用的調(diào)控，可以獲得更好的太赫茲波調(diào)制效果。

1 器件的設(shè)計(jì)、仿真與制作

二氧化釩是一種可以從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)換為金屬態(tài)的金屬氧化物，其相變溫度為68℃。這里，在雙U型太赫茲波的開(kāi)口處使用二氧化釩對(duì)超材料了進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)制。當(dāng)對(duì)樣品進(jìn)行加熱時(shí)，雙U形環(huán)開(kāi)口處的二氧化釩隨著溫度的升高，會(huì)逐漸從絕緣態(tài)轉(zhuǎn)換為金屬態(tài)，使其電導(dǎo)率和介電常數(shù)發(fā)生較大的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的動(dòng)態(tài)調(diào)制。

超材料陣列是太赫茲調(diào)制器的主要單元，其結(jié)構(gòu)的尺寸直接決定了調(diào)制器的工作頻率。本文所設(shè)計(jì)的太赫茲超材料的基本單元的俯視示意圖如圖 1所示。其中太赫茲波垂直入射到超材料表面并穿過(guò)器件，電場(chǎng)方向平行于金屬短條，Px= 9 6μ m, Py=180μm 。仿真中采用的是三維電磁仿真軟件CST中的頻域求解器進(jìn)行求解，使用Floquet boundary周期邊界條件約束，通過(guò)S21參數(shù)進(jìn)行超材料的透射率分析。

圖1 太赫茲超材料基本結(jié)構(gòu)單元的俯視示意圖

如圖1所示，每一個(gè)U形環(huán)的中間通過(guò)一小段金屬條與叉指電極相連，從而可以通過(guò)對(duì)叉指電極上施加電壓對(duì)二氧化釩的電阻率進(jìn)行調(diào)控。通過(guò)在雙U形開(kāi)口的超材料的旁邊放置一條金屬條如圖1（a），實(shí)現(xiàn)對(duì)雙U形開(kāi)口的超材料諧振的控制，開(kāi)發(fā)出基于超材料間相互作用的太赫茲波調(diào)制器件。圖1（b）作為對(duì)比，僅使用雙U形環(huán)對(duì)太赫茲波進(jìn)行調(diào)制。通過(guò)調(diào)節(jié)圖1中的幾何參數(shù)，將太赫茲波諧振的頻率調(diào)節(jié)到0.2-0.8 THz之間。

對(duì)超材料陣列的基本結(jié)構(gòu)單元仿真完成后，通過(guò)微細(xì)加工工藝完成了太赫茲調(diào)制器的制作。操作步驟如下：

1)使用高分子輔助沉積法在藍(lán)寶石基底上沉積一層110μm厚的二氧化釩薄膜；

2)使用丙酮、酒精、去離子水對(duì)樣片進(jìn)行清洗，并使用正性光刻膠進(jìn)行第一次光刻，其具體操作步驟如圖2所示；

大數(shù)據(jù)網(wǎng)貸平臺(tái)利用政策上的漏洞，打政策的“擦邊球”，面臨著極大的監(jiān)管政策風(fēng)險(xiǎn)。未來(lái)，相關(guān)部門(mén)可能更多地從放貸金額、服務(wù)群體、融資比例等方面來(lái)規(guī)范小貸公司的業(yè)務(wù)范圍。在融資比例上，相關(guān)文件只是規(guī)定從銀行等金融機(jī)構(gòu)的融資比例不得超過(guò)50%，而對(duì)其他渠道融入資金比例并沒(méi)有明確，隨著行業(yè)不斷發(fā)展，相關(guān)監(jiān)管政策也會(huì)規(guī)定得更加明確、更加細(xì)致。這些監(jiān)管政策的改變，都可能給網(wǎng)貸平臺(tái)發(fā)展帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 光刻步驟示意圖

3)用光刻膠做掩膜，使用DRIE對(duì)樣品進(jìn)行干法刻蝕，并完成清洗，進(jìn)行第二次光刻，此次使用反性光刻膠；

4)用光刻膠做掩膜，使用磁控濺射系統(tǒng)在樣品表面濺射一層20nm/220nm的鉻/金薄膜；

5)剝離光刻膠之后形成超材料陣列和電極區(qū)域，在左右兩側(cè)的電極區(qū)域接出導(dǎo)線，并將其固定在訂做的電路板上，完成太赫茲調(diào)制器的制作。其光學(xué)顯微鏡圖如圖3所示。

圖3 樣品的光學(xué)顯微鏡圖

2 結(jié)果與討論

2.1 CST仿真結(jié)果與分析

圖4給出了雙U形超材料和金屬條共同作用下，太赫茲波透射率隨頻率變化的仿真結(jié)果。如圖4中黑線所示，可以看到在二氧化釩相變前（高電阻狀態(tài)），太赫茲超材料有兩種諧振模式，諧振頻率分別為0.55THz和0.728THz。在兩個(gè)諧振頻率之間存在一個(gè)高透明的窗口，其最大的透射率對(duì)應(yīng)的頻率為0.618THz。而二氧化釩相變后（圖4中紅線所示），兩個(gè)諧振頻率分別發(fā)生紅移至0.368THz和0.605THz。高透明窗對(duì)應(yīng)的諧振峰移至0.457THz。

圖4 雙開(kāi)口U形環(huán)和金屬條組成的超材料基本單元的CST透射譜仿真結(jié)果

為了研究雙開(kāi)口U型環(huán)與金屬條之間的相互作用對(duì)超材料電磁特性的影響，我們也分別對(duì)雙開(kāi)口U形環(huán)超材料和金屬條的透射譜做了仿真，結(jié)果如圖5所示?？梢悦黠@的看到雙開(kāi)口U形環(huán)超材料可被入射電場(chǎng)直接激發(fā)，在二氧化釩相變前和相變后均為單頻諧振，且在諧振頻率處透射率均小于10%。其相變前諧振頻率為0.54THz，相變之后諧振頻率紅移0.15THz。金屬條的仿真透射譜如圖5中的黑線所示，也是單頻諧振，諧振頻率為0.582THz，且其諧振頻率不受二氧化釩相變特性的影響而移動(dòng)。

圖5 雙開(kāi)口U形環(huán)和金屬條超材料各自的CST透射譜仿真結(jié)果

通過(guò)對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)金屬條與雙開(kāi)口U形環(huán)超材料之間的相互作用對(duì)超材料電磁性能的影響非常大。金屬條與雙開(kāi)口U形環(huán)超材料之間組成的諧振單元的諧振峰，不是雙開(kāi)口U形環(huán)和金屬條各自諧振峰的簡(jiǎn)單疊加。從后面對(duì)諧振點(diǎn)處的電場(chǎng)分析，我們可以看到，通過(guò)超材料間的相互作用，雙開(kāi)口U形環(huán)和金屬條的諧振在相互作用下具有與各自獨(dú)立單元不同的諧振模式。比如金屬條獨(dú)立與太赫茲波作用時(shí)，其諧振峰與二氧化釩的電導(dǎo)率無(wú)關(guān)。而金屬條和雙開(kāi)口U形環(huán)超材料共同與太赫茲波相互作用時(shí)，金屬條固定的偶極諧振頻率就不存在了，而是隨二氧化釩電導(dǎo)率的變化發(fā)生了巨大的變化。

為了進(jìn)一步分析二氧化釩相變前后雙開(kāi)口U型環(huán)與金屬條組成的超材料陣列諧振模式的變化，以及獲得超材料透明窗口的產(chǎn)生機(jī)理，這里我們對(duì)相變前后諧振點(diǎn)處和透明窗口頻率處表面電流做了仿真分析，如圖 6所示。

圖6(b)為超材料在二氧化釩相變后的表面電流仿真圖?？梢钥闯鲈谥C振點(diǎn)處金屬條和雙開(kāi)口U形環(huán)的諧振模式均可等效為偶極諧振。不同的是，在0.368THz諧振頻率處，雙開(kāi)口U形環(huán)的電流密度強(qiáng)于金屬條；但在0.605THz諧振頻率處，金屬條的電流密度更強(qiáng)。透明窗口處金屬條的表面電流也為明顯的偶極諧振特性；雙開(kāi)口U形環(huán)結(jié)構(gòu)的表面電流均沿結(jié)構(gòu)表面振蕩，也可等效為偶極諧振。不同的是，金屬條和雙開(kāi)口U形環(huán)結(jié)構(gòu)表面的電流方向相反，且密度相當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生相消的電磁輻射場(chǎng)。因此透明窗口可以看成是明-明模式耦合的電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象引起的。

圖6 超材料諧振點(diǎn)處和透明窗口頻率處的表面電流分布圖

2.2 溫度和電壓對(duì)太赫茲波的調(diào)制結(jié)果測(cè)試

為了驗(yàn)證超材料單元對(duì)太赫茲波的調(diào)制結(jié)果，我們使用Fico太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，獲得太赫茲波的時(shí)域譜。測(cè)試溫度為20℃，濕度小于10%。通過(guò)快速傅里葉變換獲得太赫茲波脈沖的頻域譜，并且以空氣作為參照，可以獲得太赫茲波的透射譜。這里，我們通過(guò)兩種方法激發(fā)二氧化釩的相變，即通過(guò)升高樣品的溫度和通過(guò)叉指電極對(duì)上開(kāi)口處的二氧化釩加載電壓。

圖7 太赫茲超材料在不同溫度下的測(cè)試結(jié)果(a)所示為通過(guò)升溫測(cè)試得到的雙開(kāi)口U形環(huán)和金屬條的透射譜。圖中黑線為金屬條超材料的測(cè)試透射譜，其諧振頻率為0.592THz,調(diào)制深度為74%。圖中藍(lán)線為二氧化釩相變前即在313K溫度下測(cè)得的雙開(kāi)口U形環(huán)的透射譜，其諧振頻率0.583THz。紅線為雙開(kāi)口U形環(huán)超材料在溫度為353K時(shí)測(cè)試得到的透射譜，可以看到其在二氧化釩相變后諧振頻率為0.389THz。這與仿真結(jié)果相比，基本一致。

當(dāng)把金屬條和雙開(kāi)口U形環(huán)結(jié)果放在同一周期單元時(shí)，在不同的溫度下，測(cè)得的透射譜如圖7 太赫茲超材料在不同溫度下的測(cè)試結(jié)果(b)所示，其透射率較加入金屬條之前基本不變。313K溫度下，測(cè)得的諧振頻率0.539THz和0.707THz。隨著溫度的升高至353K時(shí)，二氧化釩發(fā)生相變，測(cè)試得到的諧振頻率為0.4THz和0.6THz。與仿真結(jié)果相比，較高諧振頻率基本一致，但是較低諧振頻率即0.4THz諧振峰藍(lán)移了0.03THz。這可能是微細(xì)加工過(guò)程中受加工儀器精度影響，制作的超材料結(jié)構(gòu)尺寸較仿真有細(xì)微的差別，但總體上，基本一致。

圖7 太赫茲超材料在不同溫度下的測(cè)試結(jié)果

圖8為在叉指電極施加不同電壓時(shí)所測(cè)得的太赫茲超材料的透射譜。可以看到超材料在未加電壓時(shí)，諧振頻率為0.54THz和0.716THz，其諧振譜與二氧化釩相變前的諧振譜對(duì)應(yīng)。當(dāng)逐漸提高電壓加至4.3V時(shí)，二氧化釩發(fā)生完全相變，諧振峰頻率移動(dòng)至0.39THz和0.61THz。這與仿真和溫度測(cè)試結(jié)果均相符。

圖8 太赫茲超材料在施加不同電壓時(shí)的測(cè)試結(jié)果

綜上分析，文中所設(shè)計(jì)的太赫茲超材料可以實(shí)現(xiàn)溫度和電壓兩種方式的動(dòng)態(tài)調(diào)控，且調(diào)制結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，調(diào)制深度最高可達(dá)到80%。在金屬條超材料引入后，與雙U形環(huán)超材料產(chǎn)生了相互作用，在不改變諧振峰透射率的情況下，太赫茲超材料在二氧化釩相變之后實(shí)現(xiàn)了電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)升溫和外加電壓的方法對(duì)太赫茲調(diào)制器進(jìn)行了動(dòng)態(tài)調(diào)控。在二氧化釩相變前，金屬條的加入，與雙U形環(huán)超材料之間發(fā)生了相互作用，形成了雙頻諧振；在二氧化釩相變后，實(shí)現(xiàn)了EIT現(xiàn)象，測(cè)試透射譜中的透明窗口透射率高達(dá)70%。