專利名稱：一種基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波調(diào)制裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太赫茲波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于二氧化釩薄膜相變特性的 太赫茲波調(diào)制裝置及其方法。
背景技術(shù)：
太赫茲(Terahertz)波是指頻率在0.廣IOTHz (波長(zhǎng)為3000 30 μ m)范圍內(nèi)的電 磁波，其波段位于毫米波與紅外線之間，是宏觀電磁理論向微觀量子理論過渡的區(qū)域，有著 重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。近年來(lái)，隨著THz輻射源及探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，THz技術(shù)在物理 學(xué)、材料學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、天文學(xué)和國(guó)防等領(lǐng)域的應(yīng)用得到很大發(fā)展。THz波的瞬時(shí)帶寬很寬(0.廣ΙΟΤΗζ)，用于通信可以獲得高達(dá)lOGB/s的無(wú)線傳輸 速度，遠(yuǎn)高于目前的寬帶技術(shù)。同時(shí)，THz波相對(duì)于其他波段的電磁波具有非常強(qiáng)的互補(bǔ)特 征。與微波和毫米波相比，THz波系統(tǒng)可以獲得更高的分辨率，具有突出的抗干擾能力；與 激光相比，THz系統(tǒng)具有視場(chǎng)寬、搜索能力好、適用于惡劣天氣條件等優(yōu)點(diǎn)。因此，THz通信 能以極高的帶寬進(jìn)行高保密衛(wèi)星通信。對(duì)于THz通信，需要使用調(diào)制器對(duì)傳輸過程中的THz波進(jìn)行調(diào)制，以控制其強(qiáng)度、 相位或者頻率。作為THz通信系統(tǒng)中的重要一環(huán)，THz波調(diào)制器的研究已逐漸成為一個(gè)熱 點(diǎn)。通過探討和發(fā)掘新型功能材料，研究其介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、折射率等電磁參數(shù)可調(diào)的特 性，可以為THz調(diào)制器件的開發(fā)提供廣泛的思路。中國(guó)專利CN 101881919 A提出一種基于 非線性光子晶體的光控THz波調(diào)制器，利用光子晶體點(diǎn)缺陷的缺陷模頻率的動(dòng)態(tài)遷移來(lái)實(shí) 現(xiàn)對(duì)THz波的通、斷調(diào)制。中國(guó)專利CN 100424550 C和CN 101546047 A分別公開了一種 光子晶體THz波調(diào)制器裝置及其方法、一種光控平板式光子晶體THz波調(diào)制裝置及其方法， 它們利用光子晶體的光子禁帶邊緣調(diào)制THz波信號(hào)的方法，對(duì)THz波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。這類帶 隙遷移型太赫茲調(diào)制器的帶隙邊緣往往達(dá)不到很陡峭，因而其調(diào)制性能指標(biāo)通常不是很理 想。近年來(lái)，對(duì)人工復(fù)合的超材料的研究不斷取得進(jìn)展。利用超材料奇異的物理性質(zhì)，可以 實(shí)現(xiàn)THz波的頻率和強(qiáng)度調(diào)制。2006年，Hou-Tong Chen等人首次提出在超材料結(jié)構(gòu)上利用 外加偏壓激發(fā)的方式來(lái)調(diào)制THz波的幅度(H. T. Chen, W. J. Padi 11a, A. J. Taylor, et al. Active terahertz metamaterial device. Nature, 2006, 44:597-600)。同年， Padilla等也提出通過外加激光激發(fā)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)基于超材料的THz動(dòng)態(tài)器件的強(qiáng)度可 調(diào)(W. J. Padillaj A. J. Taylor. Dynamical electric and magnetic Metamaterials response at terahertz frequencies. Phys. Rev. Lett. , 2006，96，107401:1-4)。該 器件是在一塊GaAs半導(dǎo)體基片上刻蝕出超材料周期結(jié)構(gòu)，當(dāng)對(duì)器件外加脈沖激光時(shí)，半導(dǎo) 體基片中的載流子發(fā)生變化，從而引起THz波傳輸幅度的變化和諧振頻率的動(dòng)態(tài)藍(lán)移。但 是，目前超材料THz動(dòng)態(tài)功能器件普遍存在開關(guān)效率和速率低的問題。因此，以超材料結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的THz動(dòng)態(tài)器件，需要選擇更加合適的核心動(dòng)態(tài)功能材料才能進(jìn)一步提高THz 動(dòng)態(tài)器件的調(diào)制效率和速率。選擇電性能突變量大、突變迅速的材料替代目前一般的半導(dǎo)體材料是解決上述問題的關(guān)鍵。作為一種典型的光學(xué)和電學(xué)開關(guān)材料，二氧化釩晶體在68°C會(huì)發(fā)生單斜結(jié)構(gòu)半導(dǎo) 體相二氧化釩(M)和四方結(jié)構(gòu)金屬相二氧化釩(R)之間的可逆相變(SMT)，相變過程伴隨 著光、電等物理性質(zhì)的急劇變化。同時(shí)，其SMT相變過程相當(dāng)迅速，可以在ps量級(jí)完成，且 相變前后電阻率的變化最高可達(dá)5個(gè)數(shù)量級(jí)。利用這種特性，二氧化釩晶體在非致冷紅外 焦平面陣列、光存儲(chǔ)器件、熱敏光電開關(guān)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究已取得較大進(jìn)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波調(diào)制裝置及 其方法。該調(diào)制裝置由基底、二氧化釩薄膜和表面金屬超材料三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中，二氧化 釩薄膜均勻生長(zhǎng)在基底表面，然后再在二氧化釩薄膜表面制備金屬超材料結(jié)構(gòu)。所述的二氧化釩薄膜通過溶膠凝膠、濺射、氣相沉積、真空蒸發(fā)工藝中的至少一種 來(lái)制備，薄膜厚度為30 800nm。所述的基底材料為硅、砷化鎵、石英、藍(lán)寶石中的至少一種，其厚度為0. 1 3mm。所述的金屬超材料結(jié)構(gòu)通過刻蝕法在二氧化釩薄膜表面實(shí)現(xiàn)。基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波調(diào)制方法是利用外加熱量、偏壓或激光中 的一種或多種途徑來(lái)激發(fā)二氧化釩薄膜，使其發(fā)生單斜結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體相二氧化釩(M)和四方 結(jié)構(gòu)金屬相二氧化釩(R)之間的可逆相變(SMT)。在由半導(dǎo)體相向金屬相轉(zhuǎn)變過程中，二 氧化釩薄膜的電阻率大幅減小，其對(duì)于THz波的透過率急劇下降；由金屬相回復(fù)半導(dǎo)體相 轉(zhuǎn)變過程中，二氧化釩薄膜的電阻率大幅增加，其對(duì)于THz波的透過率急劇增大，從而實(shí)現(xiàn) 對(duì)THz波的強(qiáng)度調(diào)制。本發(fā)明采用二氧化釩薄膜為核心動(dòng)態(tài)功能材料來(lái)設(shè)計(jì)和制備THz動(dòng)態(tài)調(diào)制器件。 其優(yōu)點(diǎn)在于，無(wú)論是外加熱量、偏壓還是外加激光激勵(lì)，二氧化釩薄膜SMT過程中的電阻率 突變量及其對(duì)THz波的透過率變化大，相變速度快(ps量級(jí))，可以實(shí)現(xiàn)效率更高、速度更快 的動(dòng)態(tài)調(diào)制。


圖1. 本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；該裝置由基底(1)、二氧化釩薄膜(2)和表面 金屬超材料結(jié)構(gòu)(3)組成。圖2. —種利用二氧化釩薄膜相變特性調(diào)制太赫茲波的工作原理示意圖；通過 外加熱量來(lái)激發(fā)二氧化釩薄膜相變。相變前后，二氧化釩薄膜對(duì)THz波具有積極的響應(yīng)，薄 膜相變前后透過率變化高于80%，并且諧振波頻率發(fā)生偏移。從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)THz波的強(qiáng)度 調(diào)制。
具體實(shí)施例方式
以下通過具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明實(shí)施例1
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波 調(diào)制裝置及其方法。該調(diào)制裝置由基底、二氧化釩薄膜和表面金屬超材料三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其 中，二氧化釩薄膜通過溶膠凝膠法均勻生長(zhǎng)在厚度為0. 8mm的硅基底表面，薄膜厚度控制 在SOnm左右，然后在二氧化釩薄膜表面刻蝕制備金屬超材料結(jié)構(gòu)。利用外加熱量激發(fā)二氧化釩薄膜，使其發(fā)生單斜結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體相二氧化釩(M)和四 方結(jié)構(gòu)金屬相二氧化釩(R)之間的可逆相變(SMT)。在升溫到68°C以上時(shí)，二氧化釩薄膜 由半導(dǎo)體相向金屬相轉(zhuǎn)變，薄膜的電阻率大幅減小，其對(duì)于THz波的透過率急劇下降；在降 溫至68°C以下時(shí)，二氧化釩薄膜由金屬相回復(fù)半導(dǎo)體相，薄膜的電阻率大幅增加，其對(duì)于 THz波的透過率急劇增大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)THz波的強(qiáng)度調(diào)制。實(shí)施例2
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波 調(diào)制裝置及其方法。該調(diào)制裝置由基底、二氧化釩薄膜和表面金屬超材料三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其 中，二氧化釩薄膜通過磁控濺射法均勻生長(zhǎng)在厚度為Imm的石英基底表面，薄膜厚度控制 在600nm左右，然后在二氧化釩薄膜表面刻蝕制備金屬超材料結(jié)構(gòu)。利用波長(zhǎng)為600nm，功率為400mW的外加激光激發(fā)二氧化釩薄膜，使其發(fā)生單斜結(jié) 構(gòu)半導(dǎo)體相二氧化釩(M)和四方結(jié)構(gòu)金屬相二氧化釩(R)之間的可逆相變(SMT)。在由半 導(dǎo)體相向金屬相轉(zhuǎn)變的過程中，二氧化釩薄膜的電阻率大幅減小，其對(duì)于THz波的透過率 急劇下降；由金屬相回復(fù)半導(dǎo)體相轉(zhuǎn)變的過程中，二氧化釩薄膜的電阻率大幅增加，其對(duì)于 THz波的透過率急劇增大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)THz波的強(qiáng)度調(diào)制。實(shí)施例3
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波 調(diào)制裝置及其方法。該調(diào)制裝置由基底、二氧化釩薄膜和表面金屬超材料三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其 中，二氧化釩薄膜通過氣相沉積法均勻生長(zhǎng)在厚度為2mm的藍(lán)寶石基底表面，薄膜厚度控 制在200nm左右，然后在二氧化釩薄膜表面刻蝕制備金屬超材料結(jié)構(gòu)。首先利用外加電場(chǎng)使薄膜預(yù)置到35°C，然后再輸入強(qiáng)度為20V的直流電壓信號(hào)， 使二氧化釩薄膜發(fā)生單斜結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體相二氧化釩(M)和四方結(jié)構(gòu)金屬相二氧化釩(R)之 間的可逆相變(SMT)。在由半導(dǎo)體相向金屬相轉(zhuǎn)變的過程中，二氧化釩薄膜的電阻率大幅減 小，其對(duì)于THz波的透過率急劇下降；由金屬相回復(fù)半導(dǎo)體相轉(zhuǎn)變的過程中，二氧化釩薄膜 的電阻率大幅增加，其對(duì)于THz波的透過率急劇增大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)THz波的強(qiáng)度調(diào)制。
權(quán)利要求
1.一種基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波調(diào)制裝置及其方法，其特征在于該調(diào)制 裝置由基底(1)、二氧化釩薄膜(2)和表面金屬超材料(3)三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成；其中，二氧化釩薄 膜均勻生長(zhǎng)在基底表面，然后再在二氧化釩薄膜表面制備金屬超材料結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波調(diào)制裝置及其方法， 其特征在于二氧化釩薄膜厚度為30 800nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波調(diào)制裝置及其方法， 其特征在于基底材料為硅、砷化鎵、石英和藍(lán)寶石中的至少一種，其厚度為0.1 3mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波調(diào)制裝置及其方法， 其特征在于金屬超材料結(jié)構(gòu)通過刻蝕法在二氧化釩薄膜表面實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波調(diào)制裝置及其方法， 其特征在于該裝置利用二氧化釩可逆相變過程中光、電等物理性質(zhì)急劇變化的特性，實(shí)現(xiàn) 太赫茲波的調(diào)制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波調(diào)制方法，其特征在 于二氧化釩可逆相變是利用外加熱量、偏壓或激光中的一種或多種途徑來(lái)激發(fā)。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于二氧化釩薄膜相變特性的太赫茲波調(diào)制裝置及其方法，它由基底、二氧化釩薄膜和表面金屬超材料三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成。這種太赫茲波調(diào)制裝置利用二氧化釩可逆相變過程中光電參數(shù)突變量大和相變時(shí)間短的特性，實(shí)現(xiàn)太赫茲波的強(qiáng)度調(diào)制。裝置調(diào)制方法是采用外加熱量、偏壓或激光激發(fā)中的一種或多種途徑來(lái)激發(fā)二氧化釩薄膜。本發(fā)明采用二氧化釩薄膜為核心動(dòng)態(tài)功能材料來(lái)設(shè)計(jì)和制備太赫茲波動(dòng)態(tài)調(diào)制器件，可以解決目前太赫茲動(dòng)態(tài)器件調(diào)制效率低、調(diào)制速度慢的問題。
文檔編號(hào)G02F1/355GK102081274SQ201010600378
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月22日
發(fā)明者張玉波, 張雅鑫, 施奇武, 毛茂, 顏家振, 黃婉霞 申請(qǐng)人:四川大學(xué)