基于硫?qū)倩锵嘧儾牧系目芍貥?gòu)太赫茲超表面器件的研究進(jìn)展

張壽俊，曹 暾，田 震,4*

1 天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院太赫茲波研究中心，天津 300072；

2 天津大學(xué)光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；

3 大連理工大學(xué)光電工程與儀器科學(xué)學(xué)院，遼寧 大連 116081；

4 天津大學(xué)佐治亞理工深圳學(xué)院，廣東 深圳 518067

1 引言

太赫茲波，頻譜在0.1～10 THz 范圍，位于微波和紅外波段之間。由于其具有的獨(dú)特性質(zhì)，包括非電離性、穿透性、獨(dú)特的光譜指紋性以及高的可用帶寬，太赫茲波在光譜、傳感、成像、安檢和高速通信等領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用潛力[1-5]。這些應(yīng)用的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，不僅需要高效的太赫茲波源及探測(cè)器，也需要高質(zhì)量的太赫茲波功能器件，包括用于調(diào)制太赫茲波振幅、相位和偏振的波片、分束器、透鏡和吸收器等。然而目前在實(shí)驗(yàn)室使用的傳統(tǒng)光學(xué)器件體積龐大且種類匱乏，無(wú)法滿足光學(xué)系統(tǒng)集成化和多功能的發(fā)展需求[6-7]。

超表面，是由亞波長(zhǎng)人工微結(jié)構(gòu)組成的超薄平面，克服了超材料復(fù)雜的設(shè)計(jì)和大體積的缺點(diǎn)，一經(jīng)提出便受到了廣泛的關(guān)注。超表面在控制電磁波的透射/反射振幅[8-9]、相位[10-11]、偏振[12-14]以及實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的光場(chǎng)分布[14-19]等方面表現(xiàn)出了杰出的能力。亞波長(zhǎng)的厚度使其適用于發(fā)展集成化器件。目前，大量的太赫茲波超表面器件已經(jīng)被提出，包括平面超透鏡[20-21]、異常偏折器件[22-23]、全息板[24]等。然而盡管這些器件在操縱太赫茲波方面發(fā)揮了巨大的作用，但他們的性質(zhì)是靜態(tài)的，光學(xué)性能難以改變，這限制了它們的進(jìn)一步應(yīng)用。因此有必要發(fā)展可調(diào)諧的動(dòng)態(tài)超表面器件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的主動(dòng)操縱。近幾年，各種各樣的主動(dòng)調(diào)控方式已經(jīng)被提出，包括利用相變材料VO2[25-26]、液晶[27-28]、石墨烯[29-30]、半導(dǎo)體材料[31-32]和MEMS[33-34]等，其光學(xué)性質(zhì)可通過(guò)光、電和熱等外界激勵(lì)來(lái)改變。這些主動(dòng)調(diào)制方法已經(jīng)被用于實(shí)現(xiàn)多種動(dòng)態(tài)功能器件，例如太赫茲波空間光調(diào)制器、波片、全息和電磁誘導(dǎo)透明等。然而，以上提及的大多數(shù)調(diào)制手段都有著易失性的屬性，即當(dāng)外界激勵(lì)撤去后其功能也會(huì)隨之發(fā)生改變，需要恒定的能量去維持性能，不利于實(shí)際的使用和節(jié)能環(huán)保。因此，有必要發(fā)展一種具有非易失屬性的主動(dòng)調(diào)制方法。

硫?qū)倩锵嘧儾牧贤ǔＪ怯涉N(Ge)、碲(Te)和銻(Sb)三種原子按照不同比例摻雜而成的合金，在不同的摻雜比例下，相變材料在相變速度、相變溫度、穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出不同的性質(zhì)[35]。Ge2Sb2Te5(GST)由于具有的快的相變速度、長(zhǎng)期的穩(wěn)定性和良好的可重復(fù)性，已發(fā)展成為目前應(yīng)用最廣泛的硫?qū)倩锵嘧儾牧现?，很早便被?yīng)用于商業(yè)化可擦寫光盤以及電子存儲(chǔ)器件等[36-37]。同時(shí)，近些年來(lái)，研究者們發(fā)現(xiàn)GST 在非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)下表現(xiàn)出的巨大的光學(xué)對(duì)比度在光子學(xué)方面也有著應(yīng)用潛力。在可見(jiàn)光和紅外波段，GST 已經(jīng)被用于實(shí)現(xiàn)集成全光記憶器件[38-39]、片上光子突觸[40-41]、顏色顯示器件[42]、熱發(fā)射器[43]、以及各種金屬和介質(zhì)超表面器件等[44-48]，通過(guò)利用光、電和熱激勵(lì)等實(shí)現(xiàn)了GST 在非晶態(tài)、結(jié)晶態(tài)以及中間態(tài)間的反復(fù)切換。GST 在可見(jiàn)光和紅外波段已經(jīng)開(kāi)展了很多研究，相關(guān)綜述也已經(jīng)對(duì)此做了介紹[35,49-50]，然而在占據(jù)重要光譜位置的太赫茲波段，最近幾年才得以發(fā)展和應(yīng)用[51-52]，本文將重點(diǎn)介紹GST 在太赫茲波段的研究進(jìn)展。

本文首先介紹了GST 在太赫茲波段的光譜特性，利用光、熱等激勵(lì)實(shí)現(xiàn)了大面積GST 的多級(jí)可逆相變，演示了非易失的太赫茲多級(jí)記憶器件，為實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)太赫茲波器件奠定了基礎(chǔ)[53]。其次，我們從GST 對(duì)太赫茲波的不同操控維度對(duì)太赫茲波調(diào)制器件展開(kāi)介紹，包括對(duì)太赫茲波的振幅、相位和偏振中的一維或多維的非易失調(diào)控[54-62]，以及實(shí)現(xiàn)器件功能的切換[58,63]。除了利用GST 的非易失屬性外，其超快易失性也受到了關(guān)注[64]，我們也回顧了相關(guān)工作。最后我們討論了目前的挑戰(zhàn)以及對(duì)未來(lái)更多的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

2 GST 的太赫茲光譜特性

GST 存在三種穩(wěn)定狀態(tài)，包括非晶態(tài)、亞穩(wěn)態(tài)面心立方態(tài)(face-centered cubic phase,FCC)以及六角密堆積態(tài)(hexagonal closed packed phase,HCP)，通過(guò)利用合適的外界激勵(lì)可實(shí)現(xiàn)三種狀態(tài)之間的可逆切換。如圖1(a)所示，對(duì)于非晶態(tài)GST，其原子排布缺乏長(zhǎng)程有序性，通過(guò)應(yīng)用長(zhǎng)周期、適當(dāng)能量的外界激勵(lì)，使其溫度升高，超過(guò)FCC 態(tài)的相變溫度，非晶態(tài)相變?yōu)閬喎€(wěn)態(tài)FCC 態(tài)，當(dāng)繼續(xù)升高溫度超過(guò)HCP 相的結(jié)晶溫度時(shí)，F(xiàn)CC 相變?yōu)镠CP 態(tài)，完成整個(gè)相變過(guò)程[57]。反過(guò)來(lái)，GST 的非晶化也可以被實(shí)現(xiàn)，通過(guò)應(yīng)用高能量短周期的脈沖使其溫度升高到玻璃熔化溫度，晶態(tài)GST 融化為液態(tài)，然后快速冷卻(在幾十℃/ns 量級(jí))防止出現(xiàn)結(jié)晶化，最終實(shí)現(xiàn)了GST 的非晶化。因此，通過(guò)利用熱、光激勵(lì)等可實(shí)現(xiàn)對(duì)GST的可逆相變。利用熱板對(duì)生長(zhǎng)在1 mm 厚的硅基底上的80 nm GST 進(jìn)行了加熱相變測(cè)試，從120 ℃到300℃，每隔10 ℃升溫，每個(gè)溫度下加熱兩分鐘，圖1(b)展示了0.8 THz 頻率下的透過(guò)率和利用薄膜近似公式計(jì)算得到的電導(dǎo)率實(shí)部，可以看到隨著溫度的升高，透過(guò)率逐漸下降，對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率從接近0 增大到3×105S/m，可以看出透過(guò)率的下降是由于GST 電導(dǎo)率的增大引起的。升溫過(guò)程中，GST 在150 ℃和260℃附近經(jīng)歷了兩次結(jié)晶化，分別實(shí)現(xiàn)了非晶態(tài)向FCC 態(tài)和HCP 態(tài)的轉(zhuǎn)變，因此利用熱退火的方式可實(shí)現(xiàn)GST 的結(jié)晶化。GST 的反相變過(guò)程是實(shí)現(xiàn)太赫茲可重構(gòu)光子學(xué)器件的關(guān)鍵，借助高能量短脈寬的激光器可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。激光器波長(zhǎng)為1064 nm，單脈沖最高能量300 mJ，擴(kuò)束后的光斑直徑為1 cm。如圖1(c)所示為不同能量誘導(dǎo)的0.8 THz 頻率下的透過(guò)率，隨著泵浦能量的增大，更多的晶態(tài)GST 轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，太赫茲透過(guò)率逐漸增大，最終達(dá)到飽和狀態(tài)。另外，利用熱退火和光脈沖可實(shí)現(xiàn)對(duì)GST 的循環(huán)可逆相變，如圖1(d）所示，GST 相變具有良好的可重復(fù)性。

圖1 GST 的太赫茲光譜特性和可逆相變[57]Fig.1 Terahertz spectral properties and reversible phase transition of GST[57]

由于GST 的多級(jí)相變特性、非易失性、可重復(fù)擦寫特性以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)良的性質(zhì)，可被用于實(shí)現(xiàn)太赫茲記憶器件[53]，如圖2 所示，通過(guò)采用十六個(gè)逐漸增大的激光脈沖能量誘導(dǎo)GST 非晶化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波的十六進(jìn)制編碼，圖2(a)為對(duì)應(yīng)的太赫茲透過(guò)率時(shí)域信號(hào)。十六進(jìn)制編碼存儲(chǔ)如圖2(b)所示，通過(guò)采用更小的能量間隔可實(shí)現(xiàn)更多的存儲(chǔ)級(jí)次。同時(shí)，利用泵浦-探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了寫入過(guò)程的實(shí)時(shí)反射率測(cè)量，如圖2(c)所示，寫入時(shí)間在4 ns 左右，對(duì)應(yīng)的寫入速度在0.25 GHz。隨后對(duì)太赫茲十六進(jìn)制編碼存儲(chǔ)進(jìn)行了演示，將存儲(chǔ)信息進(jìn)行十六進(jìn)制編碼，每個(gè)字母用兩位十六進(jìn)制數(shù)字表示，采用不同的激光能量進(jìn)行信息的寫入。利用基于光纖的太赫茲光譜成像系統(tǒng)對(duì)同一區(qū)域不同信息進(jìn)行寫入、讀取和擦除測(cè)試，驗(yàn)證了方案的可行性。

圖2 十六進(jìn)制存儲(chǔ)記憶[53]Fig.2 Hexadecimal storage memory devices[53]

3 太赫茲波調(diào)制器件

在過(guò)去的十年中，利用超材料/超表面實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的振幅、相位和偏振的一維或多維調(diào)制是一個(gè)非常重要且基礎(chǔ)的研究領(lǐng)域。在上一章節(jié)中我們介紹了GST 的太赫茲光譜特性以及熱退火和光脈沖激勵(lì)誘導(dǎo)GST 可逆相變的條件，由于其具有的可逆相變特性和對(duì)太赫茲波的調(diào)制能力，可將GST 薄膜結(jié)合到超表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的一維或多維的非易失可重構(gòu)操縱。在這一章節(jié)中，我們對(duì)最近幾年的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

3.1 非易失可重構(gòu)的太赫茲波振幅調(diào)制器件

對(duì)太赫茲波透過(guò)率振幅的調(diào)制是最基本的光學(xué)應(yīng)用，GST 薄膜在相變前后對(duì)太赫茲波強(qiáng)度有大的調(diào)制深度，通過(guò)與金屬等離激元諧振結(jié)構(gòu)結(jié)合，具有調(diào)制諧振響應(yīng)的潛力。不對(duì)稱開(kāi)口環(huán)諧振器(Asymmetric split ring resonator,ASRR)在太赫茲波段具有強(qiáng)的諧振響應(yīng)，能夠激發(fā)Fano 諧振和偶極子諧振，高Q 的Fano 諧振對(duì)外界環(huán)境的變化具有高的靈敏度[54]。如圖3(a)所示，Pitchappa 等人將GST 與ASRR 結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧振強(qiáng)度的動(dòng)態(tài)調(diào)制。通過(guò)升溫加熱誘導(dǎo)GST 相變，提高了其電導(dǎo)率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fano 諧振強(qiáng)度的調(diào)制，折射率的提高引起了偶極子諧振頻率的紅移。進(jìn)一步改變加熱時(shí)間可實(shí)現(xiàn)對(duì)Fano 諧振強(qiáng)度的多級(jí)調(diào)制，如圖3(b)所示，F(xiàn)ano 諧振調(diào)制對(duì)加熱時(shí)間成指數(shù)型依賴。另外通過(guò)電激勵(lì)誘導(dǎo)GST 相變實(shí)現(xiàn)了2×2 像素的空間光調(diào)制器，每個(gè)像素可被單獨(dú)調(diào)制。通過(guò)控制激勵(lì)電壓大小和時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧振的精確調(diào)制，如圖3(c)所示為Fano 諧振強(qiáng)度的多級(jí)次及單像素調(diào)制效果。

電磁誘導(dǎo)透明 (Electromagnetically induced transparency,EIT)是一種量子現(xiàn)象，描述了在相干驅(qū)動(dòng)的三能級(jí)原子系統(tǒng)中對(duì)窄光譜上光吸收的相干相消。由于實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的EIT 現(xiàn)象條件苛刻，近年來(lái)，利用超表面實(shí)現(xiàn)EIT 效應(yīng)引起了廣泛的關(guān)注[55]。Liu 等人通過(guò)在超表面EIT 結(jié)構(gòu)中引入相變材料GST 實(shí)現(xiàn)了對(duì)透過(guò)振幅的可重構(gòu)調(diào)制。單元結(jié)構(gòu)如圖3(d)所示，由雙開(kāi)口諧振環(huán)(double split-ring resonator,DSRR)和金屬線(cut wire,CW)組成，GST 置于DSRR 的兩個(gè)開(kāi)口處。這種單元結(jié)構(gòu)可以通過(guò)耦合激發(fā)模式和自由空間的輻射模式來(lái)創(chuàng)造窄的透明窗口。在結(jié)構(gòu)中，CW表現(xiàn)為明模，可以與y偏振太赫茲輻射高效耦合；DSRR 表現(xiàn)為暗模，與y偏振太赫茲輻射弱耦合，但可被近場(chǎng)電感電容耦合實(shí)現(xiàn)強(qiáng)激勵(lì)。如圖3(e)、3(f)所示，在GST 非晶態(tài)下，電導(dǎo)率低，間隙不導(dǎo)通，亮模和暗模通過(guò)近場(chǎng)耦合引起EIT 效應(yīng)，在0.92 THz 處出現(xiàn)透明窗口，透過(guò)率為0.72，DSRR 間隙中表現(xiàn)為強(qiáng)電場(chǎng)分布。當(dāng)溫度升高到300 ℃，GST 結(jié)晶化，電導(dǎo)率增大，DSRR 間隙導(dǎo)通，降低了其電容效應(yīng)，抑制了暗模諧振，從而阻止了暗模和亮模間的相消干涉，透明窗口消失，透過(guò)率降為0.2。除了能夠?qū)崿F(xiàn)開(kāi)關(guān)效果，還能通過(guò)梯度升溫實(shí)現(xiàn)對(duì)透明窗口強(qiáng)度的多級(jí)調(diào)制。利用納秒激光脈沖和熱退火還可實(shí)現(xiàn)EIT 效應(yīng)的重復(fù)切換，如圖3(g)所示，20 次重復(fù)切換展現(xiàn)出了對(duì)透過(guò)振幅的良好的可重構(gòu)性。

超表面異常光透射 (Extraordinary optical transmission,EOT)是控制太赫茲波振幅的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。如圖1(h)所示,Cao 等人設(shè)計(jì)了基于GST的太赫茲波EOT 振幅調(diào)制器[56]，EOT 由硅基底、GST 和金屬孔陣列組成。EOT 來(lái)源于表面布洛赫模式的激發(fā)，能夠增強(qiáng)金屬表面的電磁場(chǎng)，從而使透射到亞波長(zhǎng)金屬孔陣列的太赫茲波得到增強(qiáng)。入射光被Au 亞波長(zhǎng)孔陣列散射為Au 上表面的等離子體激元，隨后，表面等離子體激元穿過(guò)金孔陣列并激發(fā)金底面的表面等離子體激元。底部Au 表面的等離子體激元向自由空間重新發(fā)射，在EOT 共振頻率處產(chǎn)生峰值強(qiáng)度較高的透射衍射峰。亞波長(zhǎng)金孔陣列在金上下表面等離激元耦合中發(fā)揮了重要作用，通過(guò)將GST 薄膜沉積在孔下方可以控制EOT 的諧振耦合。在非晶態(tài)下，GST 電導(dǎo)率低，對(duì)EOT 影響很??；在結(jié)晶態(tài)下，GST 表現(xiàn)為高電導(dǎo)率，降低了太赫茲波透過(guò)率。如圖3(i)和3(j)所示，在沉積的非晶態(tài)和納秒激光誘導(dǎo)的非晶態(tài)下，器件在諧振頻率處表現(xiàn)出高透過(guò)率。在熱退火誘導(dǎo)的結(jié)晶態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)透過(guò)窗口的關(guān)閉。此外，EOT 器件的可重構(gòu)調(diào)制也被驗(yàn)證了，如圖3(k)所示，通過(guò)熱退火和激光泵浦實(shí)現(xiàn)了器件的反復(fù)切換。

Chen 等通過(guò)結(jié)合GST 提出了可調(diào)諧二聚體結(jié)構(gòu)[57]，如圖3(l)所示，由GST 島連接的兩個(gè)梯形金屬環(huán)組成，兩個(gè)金屬環(huán)之間會(huì)產(chǎn)生近場(chǎng)耦合，通過(guò)改變GST 島的電導(dǎo)率可實(shí)現(xiàn)諧振模式的主動(dòng)調(diào)制。在GST 低電導(dǎo)率時(shí)，二聚體間絕緣，以電容耦合為主，存在偶極子鍵合等離子體模式(dipolar bonding dimer plasmonic,BDP)；當(dāng)電導(dǎo)率增大，二聚體連接成一個(gè)整體時(shí)，以電導(dǎo)耦合為主，出現(xiàn)新的模式，電荷轉(zhuǎn)移等離子體模式(charge transfer plasmonic,CTP)和屏蔽后的偶極子鍵合等離子體模式(screened dipolar bonding dimer plasmonic,sBDP)，因此誘導(dǎo)GST 的相變可實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振模式的調(diào)諧。如圖3(m)所示，通過(guò)逐漸提高激光脈沖的泵浦能量，非晶態(tài) GS T 比例增大，CTP 和sBDP 模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)锽DP 模式。圖3(n)展示了0.42 THz 和0.76 THz 處的透過(guò)率與泵浦功率的關(guān)系，在0.42 THz 處實(shí)現(xiàn)了透過(guò)率從0.32到0.8 的調(diào)制,在0.76 THz 處透過(guò)率從0.63 調(diào)制到0.22。通過(guò)結(jié)合熱退火和光泵浦實(shí)現(xiàn)了對(duì)諧振模式的重復(fù)調(diào)制。此外，通過(guò)設(shè)計(jì)電極，還驗(yàn)證了電激勵(lì)誘導(dǎo)GST 相變對(duì)諧振模式的調(diào)制。

3.2 非易失可重構(gòu)的太赫茲波偏振調(diào)制器件

利用超表面實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波偏振的調(diào)制具有重要的應(yīng)用前景。通過(guò)控制太赫茲波在兩個(gè)垂直方向上電和磁分量的相位和強(qiáng)度，可以改變其偏振態(tài)。手性，指的是沒(méi)有任何鏡像對(duì)稱面的結(jié)構(gòu)，手性超材料可被用于調(diào)整手性響應(yīng)，應(yīng)用于波片和圓偏振器件中。此外，具有極性或離子元素的大分子由于集體振動(dòng)模式和生物聚合物的存在會(huì)對(duì)太赫茲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收，即由手性結(jié)構(gòu)組成的DNA、蛋白質(zhì)和RNA 在太赫茲波段會(huì)選擇性地吸收?qǐng)A偏振光，因此在太赫茲波段，實(shí)現(xiàn)對(duì)手性的動(dòng)態(tài)調(diào)控具有重要的應(yīng)用前景[59]。Bao 等人利用GST 實(shí)現(xiàn)了對(duì)手性的可重構(gòu)調(diào)制，如圖4(a)所示為雙層超表面結(jié)構(gòu)，金和GST 組成的H型諧振器結(jié)構(gòu)位于聚酰亞胺(polyimide,PI)層的上方，兩個(gè)平行金屬帶位于PI 層的下方。當(dāng)GST 為非晶態(tài)時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)無(wú)影響，雙層諧振器表現(xiàn)為螺旋G形金屬結(jié)構(gòu)，太赫茲響應(yīng)表現(xiàn)為本征手性。當(dāng)GST為金屬態(tài)時(shí)，諧振器表現(xiàn)為“日”形結(jié)構(gòu)，由于結(jié)構(gòu)具有軸對(duì)稱，從而不產(chǎn)生本征手性。因此通過(guò)控制GST 的相態(tài)可實(shí)現(xiàn)對(duì)手性的開(kāi)關(guān)切換。如圖4(b)和4(c)所示，在GST 非晶態(tài)下，結(jié)構(gòu)對(duì)左旋圓偏振光(lefthanded circularly polarized,LCP)和右旋圓偏振光(right-handed circularly polarized,RCP)有不同的振幅和相位響應(yīng)，諧振頻率分別在0.73 和0.85 THz 處。當(dāng)GST 結(jié)晶化時(shí)，LCP 和RCP 的諧振關(guān)閉，表現(xiàn)為無(wú)特征透過(guò)譜。圓二色性是表征手性光學(xué)活性的最常用方法，描述了兩個(gè)圓偏振透射譜之間的變化，計(jì)算公式為：θ=arctan[(ELCP-ERCP)/(ELCP+ERCP)]，ELCP和ERCP分別為L(zhǎng)CP 和RCP 入射時(shí)的透過(guò)強(qiáng)度。如圖4(d)所示為GST 在兩種相態(tài)下的圓二色性，可以看到通過(guò)熱退火誘導(dǎo)GST 的相變實(shí)現(xiàn)了器件在0.6～0.9 THz 范圍內(nèi)的手性開(kāi)關(guān)切換。另外，通過(guò)梯度升高溫度實(shí)現(xiàn)了手性的多級(jí)調(diào)制。除了圓偏振，實(shí)現(xiàn)對(duì)線偏振的偏振轉(zhuǎn)換對(duì)于太赫茲偏振片等應(yīng)用也具有重要的意義，Chen 等人結(jié)合GST 的相變特性進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了雙功能的切換[58]。如圖4(e)所示，結(jié)構(gòu)由金屬-PI 介質(zhì)-金屬棒及不完整GST 圓盤構(gòu)成。如圖4(f)所示，在GST 非晶態(tài)下，器件在0.53～1.22 THz 范圍內(nèi)表現(xiàn)為寬帶的偏振轉(zhuǎn)換功能，入射的x偏振轉(zhuǎn)換為y偏振。x偏振的太赫茲波入射到器件表面，當(dāng)沿v軸和u軸反射的強(qiáng)度幾乎相同，相位接近180°時(shí)，滿足了交叉偏振轉(zhuǎn)換的要求，從而實(shí)現(xiàn)了y偏振出射。計(jì)算的偏振轉(zhuǎn)換率(polarization conversion ratio,PCR)如圖4(g)所示，在0.6～1.15 THz 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了90%以上的PCR。當(dāng)熱退火誘導(dǎo)GST 相變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)時(shí)，GST 與金屬棒組合成一個(gè)整體共同發(fā)揮作用從而引起寬帶的太赫茲波吸收。如圖4(h)所示，在0.44～1.34 THz 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了75%以上的吸收，結(jié)構(gòu)的高吸收主要來(lái)自GST 對(duì)入射波的高損耗。如圖4(i)所示，將結(jié)構(gòu)制作在PI 基底上可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)非易失柔性偏振轉(zhuǎn)換器件[61]。如圖4(j)，在GST 非晶態(tài)下實(shí)現(xiàn)了0.53～1.25 THz 范圍內(nèi)寬帶的線偏振轉(zhuǎn)換，在正入射下偏振轉(zhuǎn)換率大于0.7。通過(guò)逐漸升高溫度誘導(dǎo)GST 的多級(jí)相變還可實(shí)現(xiàn)對(duì)PCR 的多級(jí)次調(diào)制。另外，器件具有較好的角度不敏感性，如圖4(k)所示，在0°到50°寬帶角度斜入射下表現(xiàn)出0.7 的PCR 值。

圖4 非易失可重構(gòu)的太赫茲波偏振調(diào)制器件。(a-d)手性調(diào)制器件[59]；(e-h)偏振轉(zhuǎn)換雙功能器件[58]；(i-k)柔性線偏振轉(zhuǎn)換器件[61]Fig.4 Nonvolatile reconfigurable terahertz wave polarization modulation devices.(a-d) Chiral modulation devices[59];(e-h) Polarization conversion bifunctional devices[58];(i-k) Flexible linear polarization conversion devices[61]

3.3 非易失可重構(gòu)的太赫茲波前調(diào)制器件

利用超表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波前的調(diào)制是實(shí)現(xiàn)太赫茲波異常偏折器、聚焦透鏡、和渦旋器件等必不可少的。金屬等離子體結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波相位的調(diào)制，結(jié)合GST 的相變特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的可重構(gòu)波前調(diào)制，包括強(qiáng)度和相位的兩維調(diào)制[60]。C 型開(kāi)口環(huán)諧振器(C-shaped split-ring resonators,CSRR)，對(duì)太赫茲波輻射有強(qiáng)的諧振響應(yīng)。根據(jù)巴比涅原理，互補(bǔ)C 環(huán)也具有同樣的諧振響應(yīng)，如圖5(a)所示為45°開(kāi)口C 型槽諧振器(C-shaped slit resonators,CRs)結(jié)構(gòu)，當(dāng)線偏振光入射時(shí)，對(duì)稱和不對(duì)稱模式同時(shí)被激勵(lì)，兩種模式都會(huì)對(duì)輸出波的垂直偏振分量有貢獻(xiàn)，通過(guò)調(diào)整天線的幾何參數(shù)，包括線寬、半徑、和開(kāi)口等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光垂直偏振分量的強(qiáng)度和相位調(diào)制。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的波前控制，實(shí)現(xiàn)2π 的相位調(diào)制和幾乎相同的振幅調(diào)制是必要的。如圖5(a)所示，通過(guò)改變CRs 的幾何結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了8 階相位調(diào)制，覆蓋了2π 范圍的相位分布。進(jìn)一步在CRs 結(jié)構(gòu)與硅基底之間生長(zhǎng)一層GST 薄膜，利用其在晶態(tài)和非晶態(tài)之間的可逆相變可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的開(kāi)關(guān)控制。首先將結(jié)構(gòu)按照周期性排布，實(shí)現(xiàn)了異常偏折器件，如圖5(b)所示，利用基于光纖的角度分辨太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)器件的性能進(jìn)行了表征，在0.5 THz 到1 THz 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了寬帶的異常偏折功能，在0.8 THz處偏折角度為 35.6°，與廣義斯涅耳定律吻合θ=arcsin[λ/8P]=35.87°，其中P為結(jié)構(gòu)周期，通過(guò)誘導(dǎo)GST 的相變實(shí)現(xiàn)了偏折器的關(guān)閉。此外，根據(jù)透鏡成像原理，設(shè)計(jì)超表面的相位分布使得結(jié)構(gòu)的散射光在焦點(diǎn)處發(fā)生相長(zhǎng)干涉，可實(shí)現(xiàn)聚焦功能。相位計(jì)算公式為：，f為設(shè)計(jì)的焦距。根據(jù)計(jì)算的相位分布，在相應(yīng)的位置選擇對(duì)應(yīng)相位的CRs。利用近場(chǎng)掃描太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)對(duì)器件進(jìn)行表征，在0.4 到0.8 THz 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了寬帶聚焦效果。利用120 mJ/cm2的納秒激光脈沖和300 ℃熱退火可實(shí)現(xiàn)透鏡的反復(fù)開(kāi)關(guān)，進(jìn)一步調(diào)整脈沖能量，改變GST 的結(jié)晶比實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚焦強(qiáng)度的多級(jí)調(diào)制，如圖5(c)所示。通過(guò)將聚焦和螺旋相位板結(jié)合可實(shí)現(xiàn)太赫茲波聚焦渦旋器件，相位分布為：為超表面上任一點(diǎn)極坐標(biāo)，f為焦距，l為拓?fù)浜?。器件?.4 THz 到0.8 THz 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了+1 階的寬帶聚焦渦旋，為了驗(yàn)證可重構(gòu)性，執(zhí)行了多次擦寫循環(huán)，如圖5(d)所示，器件表現(xiàn)出了良好的可重復(fù)性。利用CRs 結(jié)合GST 實(shí)現(xiàn)了多種非易失可重構(gòu)的波前調(diào)制器件，同時(shí)具有多級(jí)調(diào)制和可重復(fù)使用的特性。除了能夠?qū)崿F(xiàn)單功能的太赫茲波前調(diào)制器件外，利用單個(gè)單元中的多個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)用方案還可以實(shí)現(xiàn)功能切換器件[63]。將GST 與金屬CRs 結(jié)合的主動(dòng)單元與金屬CRs 被動(dòng)單元相結(jié)合，利用GST 在非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)下不同的電導(dǎo)率從而實(shí)現(xiàn)功能單元的切換。如圖5(e)，在結(jié)晶態(tài)和非晶態(tài)下，實(shí)現(xiàn)了太赫茲波在寬帶范圍內(nèi)向相反的方向偏折，通過(guò)納秒激光脈沖和熱退火激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)了器件功能的重復(fù)切換。另外，如圖5(f)和5(g)通過(guò)合理設(shè)計(jì)相位分布，還可以實(shí)現(xiàn)變焦透鏡、變拓?fù)浜蓽u旋器件等。除了單個(gè)功能的切換，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了雙功能切換，如圖5(h)，實(shí)現(xiàn)了渦旋和透鏡功能的切換，器件都表現(xiàn)出了良好的可重構(gòu)性和非易失性。以上器件的實(shí)現(xiàn)仍然是通過(guò)光刻制作金屬諧振結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的調(diào)制，制作過(guò)程仍較為繁瑣復(fù)雜。Chen等提出了一種非易失可重構(gòu)的光打印太赫茲波調(diào)制器件[62]，如圖5(i)所示，借助掩膜版和激光打印的方式可實(shí)現(xiàn)多種調(diào)制器件。如圖5(j)和5(k)所示，利用非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)GST 的交替排布實(shí)現(xiàn)了光柵器件，通過(guò)改變泵浦激光脈沖能量實(shí)現(xiàn)了對(duì)透過(guò)率的多級(jí)調(diào)制，此外還改變光柵周期探究了瑞利異常頻率的變化。通過(guò)進(jìn)一步增大光柵周期實(shí)現(xiàn)了太赫茲波異常偏折功能，改變脈沖能量還可實(shí)現(xiàn)對(duì)偏折強(qiáng)度的多級(jí)調(diào)制。同時(shí)，也提出了一種光打印超薄寬帶透鏡，如圖5(l)所示，基于振幅型菲涅爾波帶片原理，利用衍射作用實(shí)現(xiàn)了太赫茲光束向焦點(diǎn)的偏折。通過(guò)將GST 薄膜設(shè)計(jì)劃分為一組交替排布的不透明和透明的徑向?qū)ΨQ區(qū)域，可以在設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)正入射太赫茲波的相長(zhǎng)干涉。進(jìn)一步通過(guò)利用光脈沖和加熱的方式實(shí)現(xiàn)了不同焦距透鏡的切換，驗(yàn)證了器件的可重構(gòu)性。

圖5 非易失可重構(gòu)的太赫茲波前調(diào)制器件。(a-d)太赫茲波多級(jí)開(kāi)關(guān)調(diào)制器件[60]；(e-h)太赫茲波功能切換器件[63]；(i-l)太赫茲波無(wú)光刻調(diào)制器件[62]Fig.5 Nonvolatile reconfigurable terahertz wavefront modulation devices.(a-d) Terahertz wave multi-level switching modulation devices[60];(e-h) Terahertz wave function switching devices[63];(i-l) Terahertz wave non-lithographic modulation devices[62]

3.4 易失性太赫茲波調(diào)制器件

以上總結(jié)的相關(guān)研究工作都是利用GST 的非易失性來(lái)實(shí)現(xiàn)各種非易失太赫茲波調(diào)制器件，器件同時(shí)具備可重構(gòu)性和多級(jí)調(diào)制等特性。在GST 相變過(guò)程中，利用光激勵(lì)可達(dá)到納秒量級(jí)的切換速度，但同時(shí)注意到利用熱和電激勵(lì)誘導(dǎo)GST 的相態(tài)切換仍然需要分鐘量級(jí)的時(shí)間尺度，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)太赫茲波超快調(diào)制器件來(lái)說(shuō)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。Pitchappa 等人利用不同相態(tài)下的GST 的半導(dǎo)體特性結(jié)合光激勵(lì)實(shí)現(xiàn)了超快易失性切換器件[54]。GST 在非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)下帶隙分別為0.8 eV 和0.5 eV，當(dāng)使用1.55 eV 的光子能量泵浦GST 薄膜時(shí)，光激發(fā)載流子會(huì)提高GST 電導(dǎo)率，降低其太赫茲波透過(guò)率。如圖6(a)所示，將GST 與ASRR 結(jié)合，光泵浦GST 實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fano 諧振的超快調(diào)制。采用不同的泵浦能量對(duì)沉積態(tài)和180 ℃退火后的GST 進(jìn)行光調(diào)制，隨著泵浦能量的增大，GST光電導(dǎo)率增大，F(xiàn)ano 諧振調(diào)制也隨之增大，在500 μJ cm—2時(shí)達(dá)到飽和。180 ℃退火的GST 可在更低的能量下實(shí)現(xiàn)完全調(diào)制，且調(diào)制效應(yīng)可在ps 內(nèi)恢復(fù)，如圖6(c)所示為光泵浦-太赫茲探測(cè)時(shí)間延遲測(cè)試結(jié)果，在4 ps 時(shí)調(diào)制效果最大，在19 ps 時(shí)完全恢復(fù)，驗(yàn)證了GST 超快易失性調(diào)制的可行性。此外，將ASRR制作在PI 基底上還可實(shí)現(xiàn)柔性超快太赫茲調(diào)制器件[64]，如圖6(d)所示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Fano 諧振的超快調(diào)制。易失性調(diào)制的功率閾值為0.4 W，如圖6(e)所示，在沉積態(tài)NVS1，0.4 W 的泵浦功率下，F(xiàn)ano 諧振調(diào)制最大達(dá)到了59%，在關(guān)閉泵浦后，調(diào)制效果消失。通過(guò)應(yīng)用0.5 W 光激勵(lì)2 min 將GST 切換到新的非易失態(tài)NVS2，應(yīng)用0～0.4 W 光泵浦NVS2 下的GST，實(shí)現(xiàn)了最大47%的調(diào)制。進(jìn)一步切換到NVS3 非易失態(tài)，實(shí)現(xiàn)了最大46%的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)了在不同GST 非易失態(tài)下的易失性調(diào)制。通過(guò)調(diào)節(jié)曲率還可實(shí)現(xiàn)對(duì)透過(guò)率的調(diào)制，圖6(f)展示了在不同曲率下的光泵透過(guò)率調(diào)制效果，曲率越大透過(guò)率調(diào)制越小。因此利用GST 的半導(dǎo)體特性，采用不同能量光泵浦可實(shí)現(xiàn)GST 的多級(jí)易失性超快調(diào)制。

圖6 易失性太赫茲波調(diào)制器件。(a-c)光泵浦Fano 調(diào)制器件[54]；(d-f)柔性超快太赫茲波調(diào)制器件[64]Fig.6 Volatile terahertz wave modulation devices.(a-c) Optically pumped Fano modulation devices[54];(d-f) Flexible ultrafast terahertz wave modulation devices[64]

4 總結(jié)

本文系統(tǒng)回顧了近年來(lái)基于硫?qū)倩锵嘧儾牧系目芍貥?gòu)太赫茲超表面器件的研究進(jìn)展。首先介紹了GST 在太赫茲波段的光譜特性以及利用光脈沖和熱退火實(shí)現(xiàn)GST 的可逆相變條件。GST 在非晶態(tài)和結(jié)晶態(tài)下表現(xiàn)出不同的電導(dǎo)率，在非晶態(tài)下，GST 的電導(dǎo)率接近0，在結(jié)晶態(tài)下，GST 的電導(dǎo)率在3×105S/m量級(jí)。當(dāng)GST 以薄膜形式存在于器件中時(shí)會(huì)對(duì)器件的整體透過(guò)率以及入射的太赫茲波和器件的耦合作用產(chǎn)生調(diào)制；當(dāng)GST 以連接島的形式存在于結(jié)構(gòu)間隙位置時(shí)會(huì)對(duì)器件的諧振響應(yīng)產(chǎn)生調(diào)制。因此通過(guò)將GST 與超表面設(shè)計(jì)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)多種非易失可重構(gòu)的太赫茲波調(diào)制器件。本文詳細(xì)闡述了基于GST 的超表面器件用于實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波振幅、偏振和波前調(diào)制的原理和應(yīng)用，利用光、熱和電激勵(lì)實(shí)現(xiàn)了器件的開(kāi)關(guān)、多級(jí)調(diào)制以及功能的切換，相比于VO2等相變材料，無(wú)需外界激勵(lì)來(lái)維持器件的光學(xué)性能，更有利于實(shí)際應(yīng)用。此外，本文也介紹了利用GST 的半導(dǎo)體特性來(lái)實(shí)現(xiàn)超快易失性太赫茲波調(diào)制的相關(guān)工作，實(shí)現(xiàn)了ps 量級(jí)的調(diào)制速度。

基于GST 的非易失和超快易失性調(diào)制器件進(jìn)一步豐富和發(fā)展了太赫茲波調(diào)制器件，有望應(yīng)用于太赫茲波成像、傳感和通信等領(lǐng)域。但同時(shí)注意到目前仍然存在一些亟待解決的問(wèn)題。首先，在實(shí)現(xiàn)GST 的可逆相變調(diào)控方式上，在太赫茲波段，目前主要應(yīng)用激光脈沖來(lái)誘導(dǎo)GST 的非晶化，以及熱退火誘導(dǎo)GST 的結(jié)晶化。盡管誘導(dǎo)GST 實(shí)現(xiàn)非晶態(tài)達(dá)到了ns量級(jí)，但結(jié)晶化至少需要兩分鐘以上的熱退火，這不利于實(shí)際的應(yīng)用。在紅外波段，全光激勵(lì)和全電激勵(lì)的可逆相變已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，光激勵(lì)可誘導(dǎo)非晶態(tài)GST 相變?yōu)镕CC 態(tài)，對(duì)于紅外波段，F(xiàn)CC 態(tài)與非晶態(tài)GST的光學(xué)對(duì)比度足夠大，但對(duì)于太赫茲波段仍然較小，需要進(jìn)一步誘導(dǎo)GST 相變到HCP 態(tài)。受限于GST材料本身性質(zhì)，其相變溫度隨著加熱速率的上升而升高，在ns 量級(jí)的激光脈沖激勵(lì)下其HCP 相變溫度超過(guò)了非晶化臨界點(diǎn)溫度，因此限制了超短激光脈沖誘導(dǎo)GST 相變到HCP 態(tài)。在紅外波段，利用電激勵(lì)焦耳加熱的方式實(shí)現(xiàn)了GST 的可逆相變，但擴(kuò)展到太赫茲波段其器件尺寸也相應(yīng)擴(kuò)大到了厘米量級(jí)，這對(duì)電壓源提出了更高的要求。因此在太赫茲波段實(shí)現(xiàn)GST 的全光/全電可逆相變是目前亟待解決的問(wèn)題，通過(guò)改變GST 的摻雜比、更加巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及使用更長(zhǎng)脈寬的脈沖等有望解決上述難題。其次，目前大部分的器件仍然是基于金屬結(jié)構(gòu)的等離激元諧振效應(yīng)，由于固有的金屬損耗以及低的偏振轉(zhuǎn)換效率等，導(dǎo)致器件整體效率較低，如何實(shí)現(xiàn)更加高效的動(dòng)態(tài)可調(diào)諧器件也是目前需要解決的，金屬反射式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及利用介質(zhì)單元結(jié)構(gòu)是較為可行的途徑。此外，目前實(shí)現(xiàn)的對(duì)動(dòng)態(tài)器件的調(diào)制仍然局限于整體效應(yīng)的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)的功能仍然受限，如何實(shí)現(xiàn)可編程調(diào)制即對(duì)不同像素施加不同激勵(lì)值得進(jìn)一步的深入研究。總之，在近幾年，基于硫?qū)倩锵嘧儾牧系目芍貥?gòu)太赫茲超表面器件得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，但目前仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)；同時(shí) 6G 技術(shù)的推進(jìn)以及人工智能的發(fā)展也給這一領(lǐng)域帶來(lái)了更多機(jī)遇。