二氧化钒对异向介质太赫兹调制特性的研究_余萍_熊狂炜

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异向介质通常由能发生电磁谐振的金属结构单 元组成,金属开口谐振环 ( SRRS) 是其中的一种, 于 1999 年时由 Pendry[13]提出。SRRS 中金属环和 开口环分别为电容和电感,在外电场或外磁场作用 下产生 LC 谐振,其共振频率 。现有的太赫兹异向 介质器件很多利用电谐振结构,这种电谐振 SRRS 结构对称,各个环路激发的 LC 振荡方向相反,所 以磁场响应相互抵消,仅对电场有响应。另外,异 向介质结构单元的形状和尺寸一旦固定,其谐振频 率再很难改变。如果想要得到主动调控,可以在掺 杂的半导体基底上或者将半导体载流子引入电磁结 构中,结合电或光激励来实现,Chen 等[14]在异向 介质太赫兹调制方向做出了创新性的贡献。
文章运用 CST 仿真软件得到异向介质不同条
①收稿日期: 2013 - 11 - 01 基金项目: 国家自然科学基金 ( 11047115) ,华东交通大学校立科研基金资助 ( 12JC02) 。 作者简介: 余萍 ( 1978 - ) ,女,江西临川人,讲师,硕士,主要研究方向: 光电子材料与器件, Email: yping@ ecjtu. jx. cn。
关键词: 异向介质; 金属开口环; 二氧化钒; 太赫兹调制 中图分类号: TM154. 4,O411. 3 文献标识码: A 文章编号: 1671 - 380X ( 2013) 12 - 0005 - 03
The Research of Metamaterial Terahertz Modulation Properties on Vanadium Oxide YU Ping,XIONG Kuang - wei
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第 12 期
宜春学院学报
第 35 卷
件下的透过率曲线 S21,来说明 VO2 对异向介质的 太赫兹调制特性。当 VO2 呈绝缘相时,有 LC 谐振 和偶极子谐振,而当 VO2 呈金属相时,LC 谐振消 失,仅有偶极子谐振,并且频率向减小方向漂移。 进一步文章中还说明插入缝隙的 VO2 薄膜厚度对 透过率曲线的影响。 1 设计和模拟
图 4 VO2 为绝缘相时不同厚度的透过率曲线
图 5 VO2 为金属相时不同厚度的透过率曲线图 3 结论
文章利用电谐振 SRRS 典型结构,用 CST Micromave studio 2011 仿真软件模拟,说明 VO2 太赫 兹调制特性。当 VO2 为绝缘相时,可以看到很明 显的 LC 谐振; 而当 VO2 为金属相时不出现 LC 谐
太赫兹波是一种介于微波与红外波之间的电磁 波,早在 20 世纪 70 年代就已经引起科学家们的关 注[1],但当时 对 太 赫 兹 波 各 方 面 特 性 的 研 究 和 了 解非常 有 限, 因 此 形 成 所 谓 的 “太 赫 兹 空 白 ” ( Terahertz Gap) 。太赫兹技术在短距离无线通信、 生物传感、医疗诊断、材料特性光谱检测等方面均 具有潜在的应用[2 - 4],近年来,随着量子级联激光 器[5]、自由电 子 激 光 器[6] 的 制 作 成 功 能 产 生 连 续 太赫兹波,因此太赫兹技术成为当今国际上的一个 研究热点。
( School of Basic Sciences,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China) Metamaterial is composed of metal split rings that distribute periodically on the dielectric substrate surface,and its characteristics lie on the metal split ring structure largely. But it is affected by material parameters for the resonant characteristics of metal split ring,and the modulation effects can be obtained by changing capacitance or inductance. VO2 thin film with insulator - metal transition was inserted in the gap of metal split ring in this paper,utilizing to theory study and CST simulation software,the modulation properties of VO2 were simulated. Moreover it is better modulation effect for VO2 thin film with the thickness of more than 0. 1 μm by the simulation results. Key words: Metamaterial; Metal Split Ring; VO2 ; THz Modulate
第 12 期
余 萍,熊狂炜: 二氧化钒对异向介质太赫兹调制特性的研究
第 35 卷
( a) 绝缘相; ( b) 金属相 图 3 电场方向平行开口方向时的调制曲线图
为了进一步说明 VO2 调制特性,还研究了厚 度对透过率的影响。如图 4 和 5 是电场方向垂直开 口时不同厚度下的 CST 仿真软件的透过率曲线图。 图 4 中可以发现 VO2 为绝缘相时厚度不同对透过 率几乎没有影响,不同厚度下的透过率曲线几乎是 重合的。而当 VO2 为金属相时,不同厚度情况下 透过率还是有差别。从图 5 中可以很明显看到,随 着厚度的增加透过率在逐渐减小,频率向减小方向 移动。厚度为 0. 01 和 0. 02μm 时,谐振频率处的 透过率 在 25% 以 上,达 到 0. 1μm 时,透 过 率 在 10% 。这可能是因为 VO2 太薄时,能量可能没有 在 VO2 层 完 全 衰 减,所 以 电 磁 波 还 能 穿 透 金 属, 随着厚度加 大, 能 量 损 耗 越 来 越 严 重, 最 后 达 到 10% 以下,所以至少选用 0. 1μm 以上的厚度可以 达到更好的调制深度。
钒的氧化物一直是人们关注的焦点,VO2 由于 其相变温 度 最 接 近 常 温 而 得 到 更 大 关 注[7]。 研 究 者们发现 68℃ 左右,VO2 能发生从绝缘相到金属
相的转变,而且这种转变是可逆的。在转变的过程 中还伴有电学、磁学、光学性能的突变。研究者们 进一步发现 VO2 薄膜具有皮秒量级的绝缘 - 金属 相变特性,如果利用光激发方式,相变速度还可达 飞秒量级[8]。因此 VO2 在太赫兹功能器件方面的 潜在应用引起了大家的关注,而时域太赫兹光谱也 表明 VO2 相变时透过率有很大的改变,说明 VO2 在太赫 兹 调 制 和 开 关 方 面 有 很 强 的 应 用 价 值[9], 通过 VO2 薄膜与异向介质的组合,研究者们已经 成功研制出了太赫兹开关和调制器[10 - 12]。
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( a) 电谐振 SRRS 结构单元
( a) 绝缘相; ( b) 金属相 图 2 电场垂直开口方向时的调制曲线图 图 3 为电场平行于开口方向时的仿真模拟结果 图,模拟设置条件和图 2 一样。 ( a) VO2 为绝缘 相; ( b) VO2 为 金 属 相。和 垂 直 时 不 同,不 管 VO2 为绝缘或者是金属相时都没有出现 LC 谐振, 只在频率为 1. 056THz 附近出现一个偶极子谐振, 而且透过率曲线基本重合的,说明在这种情况下不 能对异向介质进行调制。
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电谐振 SRRS 典型结构 Chen 等[14]在 nature 上 面的一篇文章有过报导。图 1 是模拟所用的结构单 元: 白色部分代表金属,厚度为 200nm; 灰色部分 为衬底,该衬底在太赫兹波段几乎透明,能量损耗 可以忽略; 缝隙处深褐色部分为插入的 VO2 薄膜。 模拟单元周期为 P = 60μm,金属环长度 a = 40μm, 金属线宽为 w = 3μm,缝隙宽度为 g = 4μm,开口 宽度 d = 8μm。图 2 是模拟结构的透视图,灰色部 分为相对于太赫兹波段透明且能量损耗小的某种介 质衬底,黑色部分为 VO2 ,厚度可以改变,白色部 分就是金属开口环。对此结构进行模拟,说明 VO2 对异向介质太赫兹调制特性。
( b) 模拟结构的透视图 图 1 电谐振 SRRS 典型结构 2 结果和分析 文章 利 用 三 维 电 磁 仿 真 软 件 CST Microwave studio 2011 对该结构太赫兹透射率进行模拟仿真。 平面电磁波沿 Z 方向垂直入射,电场方向有与开 口方向垂直和平行两种极化方向,电磁仿真得到透 射系数 S21,通过透射系数说明 VO2 调制的特性。 图 2 所示为电场垂直于开口方向时透过率曲线 的仿真模拟结果图。( a) VO2 为绝缘相; ( b) VO2 为金属相。VO2 在绝缘相时介电常数 ε = 9,在金 属相时介电常数设为 Durde 模型,模拟时厚度设为 200nm。当 VO2 为绝缘相时,频率大约为 0. 7THz 左右有一个带宽很窄的 LC 谐振; 而在在 1. 554THz 左右是带宽很宽的高频偶极子谐振,没有出现磁谐 振是因为前面已经提到这种对称结构,磁场响应抵 消的缘故。当 VO2 为金属相时没有看到 LC 谐振出 现,这是因为填充开口的 VO2 变成金属导致开口短 路,不形成 LC 振荡回路,所以只出现高频处的偶极 子谐振,而且频率移到了 1. 42THz 处。
第 35 卷 第 12 期 2013 年 12 月
宜春学院学报 Journal of Yichun College
Vol. 35,No. 12 Dec. 2013
二氧化钒对异向介质太赫兹调制源自文库性的研究
余 萍,熊狂炜 ( 华东交通大学 基础学院 应用物理系,江西 南昌 330013)

摘 要: 异向介质是由在介质衬底表面上周期分布的金属开口环组成,它的特性很大程度上 取决于开口环的结构特性。金属开口环的谐振特性和组成材料的介电常数有很大的关系,可以通 过改变电容或电感来达到调制的效果。研究中在开口缝隙处插入可以发生绝缘 - 金属相变的二氧 化钒 ( VO2 ) 薄膜,用 CST 软件进行仿真,可以看到有明显的调制现象。另外,通过仿真还表明 VO2 薄膜厚度在 0. 1μm 以上能达到更好的调制效果。
振,高频的偶极子谐振向频率减少方向移动,这是 由于等效的 L 变长带来的结果。这样利用 VO2 的 相变从而达到主动调制的目的,而且通过对不同厚 度的透 过 率 进 行 模 拟 时 还 发 现 VO2 薄 膜 厚 度 在 0. 1μm 以上能够达到更好的调制效果。
参考文献: [1] J. W. Fleming. High resolution submillimeter - wave Fou-
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