二氧化釩輔助的可切換多功能超材料結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析

隨著太赫茲技術(shù)的迅速發(fā)展，基于太赫茲的超材料的應(yīng)用擁有了更多可能性，在濾波器、調(diào)制器、偏振轉(zhuǎn)換器、吸收器等許多方面的應(yīng)用都受到了諸多關(guān)注。石墨烯、液晶（LC）、二氧化釩（VO?）等可調(diào)諧材料的出現(xiàn)，為功能性超材料器件的開(kāi)發(fā)提供了新的途徑。VO?作為一種典型相變材料，通過(guò)各種激勵(lì)方式（如熱、電等）可使其發(fā)生相變，在溫度變化時(shí)，其電導(dǎo)率會(huì)發(fā)生近4個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，同時(shí)也會(huì)呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)，這使得VO?適用于設(shè)計(jì)多功能超材料器件。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)計(jì)量大學(xué)和天津大學(xué)的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)在《中國(guó)光學(xué)（中英文）》期刊上發(fā)表了以“二氧化釩輔助的可切換多功能超材料結(jié)構(gòu)”為主題的文章。該文章第一作者為陳欣怡，通訊作者為中國(guó)計(jì)量大學(xué)嚴(yán)德賢副教授，主要從事太赫茲微波技術(shù)及器件的研究工作。

本文提出了一種基于VO?相變特性的開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)多功能超材料偏振轉(zhuǎn)換器件。該器件由VO?填充的開(kāi)口諧振環(huán)和中心放置十字的頂層、聚酰亞胺（PI）介質(zhì)層和金屬基底構(gòu)成。VO?在絕緣態(tài)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)交叉極化轉(zhuǎn)換功能，在0.48~0.87 THz范圍內(nèi)，偏振轉(zhuǎn)換率大于90%。當(dāng)VO?為金屬態(tài)時(shí)，該器件能夠?qū)崿F(xiàn)雙頻吸收和高靈敏度傳感功能。在1.64 THz和2.15 THz頻率處的吸收率大于88%。通過(guò)改變樣品材料的折射率，兩個(gè)頻率點(diǎn)處的傳感靈敏度分別約為25.6 GHz/RIU和159 GHz/RIU，品質(zhì)因子Q分別為71.34和23.12。所提出的超材料多功能器件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可切換功能和高效率極化轉(zhuǎn)換等特性，在未來(lái)太赫茲通信、成像等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

本文提出的超材料多功能器件的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。該單元結(jié)構(gòu)從上至下依次是由VO?填充的開(kāi)口諧振環(huán)和金屬十字結(jié)構(gòu)構(gòu)成的頂層結(jié)構(gòu)、PI介質(zhì)層及底部金屬層。本文使用CST Microwave Studio軟件對(duì)提出的結(jié)構(gòu)及其特性進(jìn)行仿真研究。太赫茲波沿著z方向垂直入射到超材料結(jié)構(gòu)表面。仿真時(shí)，在x和y方向上添加單元周期邊界，在z方向添加開(kāi)放邊界條件。

圖1 所提出的多功能超材料器件的結(jié)構(gòu)示意圖。（a）三維視圖；（b）俯視圖；（c）側(cè)視圖。

參數(shù)優(yōu)化之后，設(shè)定其結(jié)構(gòu)單元的周期Px=Py=100 μm，圓環(huán)開(kāi)口角度α=30°，開(kāi)口圓環(huán)外半徑R?=45 μm，開(kāi)口圓環(huán)內(nèi)半徑R?=42 μm，中心十字的較長(zhǎng)邊為b=32 μm，中心十字的較短邊為a=10 μm，PI介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)為ε=3.5，損耗角正切值為tan δ=0.0027，厚度為Z?=45 μm。底層金屬材料為金，其厚度為Z?=0.1 μm，電導(dǎo)率為σ（gold）=4.09×10? S/m。根據(jù)之前的研究結(jié)果，可以使用Drude模型來(lái)描述VO?在太赫茲波段的特性。通過(guò)外部電場(chǎng)、光場(chǎng)和溫度場(chǎng)的作用，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)改變VO?的相變特性，進(jìn)而影響VO?的電導(dǎo)率。在本文中，當(dāng)VO?的電導(dǎo)率從小于100 S/m變化為高于200000 S/m時(shí)，VO?可以從絕緣態(tài)變化為金屬態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的功能。

結(jié)果與討論

VO?為絕緣態(tài)時(shí)超表面為偏振轉(zhuǎn)換器

當(dāng)VO?處于絕緣態(tài)時(shí)，該結(jié)構(gòu)可以看作是一個(gè)偏振轉(zhuǎn)換器件，能夠?qū)崿F(xiàn)線偏振-線偏振和線偏振-圓偏振轉(zhuǎn)換。工作帶寬和轉(zhuǎn)換效率是超材料偏振轉(zhuǎn)換器的重要性能指標(biāo)。

基于優(yōu)化后的幾何參數(shù)，在VO?處于絕緣態(tài)（電導(dǎo)率為20 S/m）時(shí)，對(duì)0.2~1.2 THz范圍內(nèi)的超材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，得到了兩種模式下的共極化反射和交叉極化反射系數(shù)。由于該結(jié)構(gòu)在x和y方向具有對(duì)稱性，在正常入射條件下，TE模和TM模是簡(jiǎn)并的，對(duì)偏振極化角不敏感，故本文提出的結(jié)構(gòu)在TE模TM模下共極化反射系數(shù)與交叉極化反射系數(shù)是相同的，如圖2（a）所示。在0.48~0.87 THz頻率范圍內(nèi)，共極化反射系數(shù)相對(duì)較低，而交叉極化反射系數(shù)較高，可以實(shí)現(xiàn)交叉偏振轉(zhuǎn)換。

在頻率為0.41 THz和1.0 THz處，交叉極化反射系數(shù)和共極化反射系數(shù)相等，可以實(shí)現(xiàn)線偏振-圓偏振轉(zhuǎn)換。圖2（b）給出了計(jì)算得到的偏振轉(zhuǎn)換率。從圖2（b）可以看出，在0.48~0.87 THz頻率范圍內(nèi)，線偏振-交叉線偏振的偏振轉(zhuǎn)換效率高于90%，并且在0.52 THz、0.66 THz和0.85 THz頻率處的轉(zhuǎn)換效率接近100%，能夠?qū)崿F(xiàn)完美線偏振-線偏振轉(zhuǎn)換。

由圖2可知，在0.4 THz頻率附近PCR曲線有明顯的峰谷。這是由于在該頻點(diǎn)附近存在線偏振-圓偏振轉(zhuǎn)換，在該頻點(diǎn)處線-線偏振轉(zhuǎn)換效率受到交叉極化反射和共極化反射轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的電磁波極化偏移的影響導(dǎo)致偏振轉(zhuǎn)換效率下降。同時(shí)，通過(guò)對(duì)0.41 THz和1.0 THz處的轉(zhuǎn)換特性進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)在這兩個(gè)頻率處能夠?qū)崿F(xiàn)線偏振-圓偏振轉(zhuǎn)換，可以將入射的線偏振太赫茲波轉(zhuǎn)換為圓偏振太赫茲波。

圖2 仿真得到的（a）反射系數(shù)和（b）不同偏振入射的PCR

另外，由于超材料結(jié)構(gòu)的工作性能在一定程度上受幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，為得到最理想的參數(shù)，本文研究了結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對(duì)工作性能的影響。在研究過(guò)程中，除一個(gè)待研究參數(shù)改變外，其他參數(shù)保持初始設(shè)置不變。分別研究了參數(shù)b、Z?和R?對(duì)偏振轉(zhuǎn)換率的影響，如圖3所示。如圖3（a）所示，偏振轉(zhuǎn)器的工作帶寬隨著中心十字較長(zhǎng)邊長(zhǎng)度b的增加而減小，帶寬變窄，且較高頻率處的完美偏振轉(zhuǎn)換頻率呈紅移的趨勢(shì)。

由圖3（b）可知，介質(zhì)層厚度Z?對(duì)該結(jié)構(gòu)偏振轉(zhuǎn)換率的影響較小。由圖3（c）可知，當(dāng)開(kāi)口諧振環(huán)外半徑R?從43 μm增加到48 μm時(shí)，偏振轉(zhuǎn)換帶寬的低頻部分受到的影響較大，偏振轉(zhuǎn)換率降低，但高頻部分的偏振轉(zhuǎn)換帶寬受到影響較小。基于上述分析，在現(xiàn)有的器件加工條件下，當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，對(duì)偏振轉(zhuǎn)換性能的影響是可接受的。

圖3 當(dāng)VO?處于絕緣態(tài)時(shí)，結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)偏振轉(zhuǎn)換率的影響。（a）中心十字長(zhǎng)邊長(zhǎng)b；（b）介質(zhì)厚度Z?以及（c）開(kāi)口諧振環(huán)外半徑R?

上述分析結(jié)果表明，本文提出的超材料多功能偏振轉(zhuǎn)換器件能夠在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率的偏振轉(zhuǎn)換。其可應(yīng)用在醫(yī)學(xué)成像、偏振轉(zhuǎn)換器件的研制等方面。由于頻譜資源充足，太赫茲通信具有比現(xiàn)有微波通信更高的數(shù)據(jù)容量，偏振和軌道角動(dòng)量（OAM）復(fù)用可以進(jìn)一步增加信息容量。通過(guò)偏振轉(zhuǎn)換來(lái)操縱超表面的輸出電磁場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)諸如平面透鏡、光束偏轉(zhuǎn)器、全息成像和渦旋波發(fā)生器等各種功能器件。

當(dāng)VO?處于金屬態(tài)時(shí)超材料結(jié)構(gòu)性能分析

當(dāng)VO?處于金屬態(tài)時(shí)，由VO?填充缺口的開(kāi)口諧振環(huán)可以近似看作是一個(gè)圓環(huán)。此時(shí)，所設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)雙頻吸收和傳感功能。

金屬態(tài)時(shí)作為雙頻吸收器

當(dāng)VO?處于金屬態(tài)時(shí)，所提出的太赫茲超材料能夠?qū)崿F(xiàn)吸收功能，并研究了其光學(xué)特性。當(dāng)VO?處于金屬態(tài)時(shí)，計(jì)算了超材料結(jié)構(gòu)作為吸收器時(shí)的相關(guān)工作性能，以及相對(duì)阻抗的實(shí)部和虛部，結(jié)果如圖4（a）所示，其中黑色實(shí)線表示吸收光譜A（ω），藍(lán)色和紅色虛線分別表示吸收器共極化反射和交叉極化反射。從圖4（a）中可以看出，在1.64 THz和2.15 THz頻率處可以觀察到2個(gè)不同的吸收峰，吸收率大于88%。且1.64 THz處的吸收峰的帶寬小于2.15 THz頻率處的吸收峰帶寬。

下面將運(yùn)用阻抗匹配理論闡明吸收器的工作機(jī)理。吸收器的相對(duì)阻抗的實(shí)部和虛部均可由S參數(shù)反演法導(dǎo)出。圖4（b）給出了所提出吸收器的吸收譜和相對(duì)阻抗實(shí)部和虛部。從圖中可以看出，在1.64 THz和2.15 THz頻率處的兩個(gè)吸收峰附近，相對(duì)阻抗的實(shí)部逐漸接近于1，虛部逐漸接近于0，在這兩個(gè)頻率處實(shí)現(xiàn)了吸收器和空氣之間的阻抗匹配。需要說(shuō)明的是，由于所設(shè)計(jì)的超材料器件的單元結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，當(dāng)偏振角為90°時(shí)，能夠得到大致相同的吸收特性，相關(guān)結(jié)果在文中沒(méi)有給出。

圖4 VO?處于金屬態(tài)時(shí)，所設(shè)計(jì)的超材料結(jié)構(gòu)的吸收特性。（a）反射系數(shù)和吸收特性；（b）相對(duì)阻抗的實(shí)部和虛部

當(dāng)VO?處于金屬態(tài)時(shí)，研究了部分幾何參數(shù)（b、R?、Z?）對(duì)所設(shè)計(jì)超材料結(jié)構(gòu)的太赫茲吸收特性的影響，如圖5所示。由圖5（a）可以看出，超材料結(jié)構(gòu)頂層中心十字長(zhǎng)邊長(zhǎng)b的變化會(huì)引起吸收諧振峰的輕微紅移，且隨著b的增加，高頻處的吸收也有輕微降低。從圖5（b）能夠看出，隨著介質(zhì)層Z?從43 μm增加到47 μm，低頻處的吸收峰具有一定程度的紅移，且吸收率從接近100%下降到70%左右。

相較于低頻處的吸收峰，高頻處的吸收峰表現(xiàn)出較為顯著的紅移現(xiàn)象，吸收率變化不大。從圖5（c）可以看出，當(dāng)頂層圓環(huán)結(jié)構(gòu)外半徑R?從43 μm增加到47 μm時(shí)，低頻處的吸收峰呈現(xiàn)輕微的藍(lán)移現(xiàn)象，且吸收率略微升高，高頻處的吸收峰出現(xiàn)輕微紅移趨勢(shì)，但吸收率增加明顯。

圖5 吸收器單元結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)太赫茲吸收率的影響。（a）中心十字長(zhǎng)邊長(zhǎng)b；（b）介質(zhì)層厚度Z?；（c）開(kāi)口諧振環(huán)半徑R?

為進(jìn)一步研究本器件的吸收機(jī)理，研究了當(dāng)入射太赫茲波為TE偏振波時(shí)，該吸收結(jié)構(gòu)在兩個(gè)吸收峰（1.64 THz和2.15 THz）處的頂層微結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布，如圖6所示。圖6（a）給出了頻率為1.64 THz處微結(jié)構(gòu)上的電場(chǎng)分布，該頻率處的電場(chǎng)主要分布在中心十字結(jié)構(gòu)的末端處，與底部金屬薄膜層存在很強(qiáng)的耦合，引起了此頻率處太赫茲波的吸收。而如圖6（b）所示，在頻率為2.15 THz處，電場(chǎng)主要均勻分布在頂層的圓環(huán)結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)致此處太赫茲波的吸收。

圖6 頂層微結(jié)構(gòu)在諧振頻率。（a）1.64 THz和（b）2.15 THz處的電場(chǎng)分布

最后，本文對(duì)不同偏振（TE偏振和TM偏振）入射太赫茲在不同入射角度時(shí)的吸收特性進(jìn)行了研究。從圖7（a）可以看出，對(duì)于TE偏振入射太赫茲波，當(dāng)入射角增加時(shí)，低頻處的吸收峰分裂為兩個(gè)；高頻處的吸收峰表現(xiàn)出紅移趨勢(shì)，且在入射角大于20°時(shí)此處吸收峰的諧振逐漸轉(zhuǎn)移到另一個(gè)吸收峰上。從圖7（b）可以看出，入射角度對(duì)TM偏振入射太赫茲波的影響較大，當(dāng)入射角度大于20°時(shí)，吸收特性受影響較大，且分裂為多個(gè)頻率范圍的吸收區(qū)域。

圖7 不同入射角的超材料結(jié)構(gòu)吸收特性。（a）TE偏振入射；（b）TM偏振入射

金屬態(tài)時(shí)作為傳感器

根據(jù)太赫茲超材料的傳輸特性，本文提出的超材料結(jié)構(gòu)能夠?qū)Σ煌凵渎实耐獠拷橘|(zhì)表現(xiàn)出良好的傳感特性，可通過(guò)改變背景介質(zhì)的折射率得到吸收的變化特性。由此，對(duì)該結(jié)構(gòu)在1.64 THz和2.15 THz頻率處的傳感特性進(jìn)行研究。將不同折射率的待測(cè)介質(zhì)層設(shè)置在該超材料結(jié)構(gòu)的頂層用來(lái)模擬傳感樣品環(huán)境。如圖8（a）所示，隨著折射率從1.0增加到1.25，兩個(gè)吸收峰呈現(xiàn)紅移的變化趨勢(shì)，這表明該結(jié)構(gòu)對(duì)外界環(huán)境的介電常數(shù)比較敏感，所以這種結(jié)構(gòu)在傳感方面具有較大的應(yīng)用潛力。

靈敏度是衡量傳感器靜態(tài)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，可以通過(guò)靈敏度來(lái)衡量折射率傳感器的性能。對(duì)于低頻諧振頻率1.64 THz處的吸收峰，通過(guò)線性擬合，可求得該諧振頻率處的傳感靈敏度約為25.6 GHz/RIU，如圖8（b）所示。對(duì)于較高諧振頻率2.15 THz處的吸收峰，通過(guò)線性擬合可得該頻率處的傳感靈敏度約為159 GHz/RIU，如圖8（c）所示。相比較而言，較高頻率吸收峰處的傳感靈敏度較高。傳感器的質(zhì)量因子Q可以表示為Q＝f?/?f，其中，f?是諧振吸收峰的諧振頻率，?f是諧振頻率處的半高寬度。

通過(guò)計(jì)算，在1.64 THz和2.15 THz處吸收峰的Q因子分別為71.34和23.12。綜上分析，與其他傳統(tǒng)材料的傳感器相比，該結(jié)構(gòu)靈敏度高，傳感性能良好，且響應(yīng)速度優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器。該結(jié)構(gòu)在金屬態(tài)時(shí)，實(shí)現(xiàn)的吸收和傳感功能均可應(yīng)用在能量采集和光學(xué)傳感中，可拓展到太赫茲成像、檢測(cè)等領(lǐng)域?；诔牧衔掌鞯纳飩鞲锌梢酝ㄟ^(guò)增強(qiáng)局域電磁諧振，實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)分辨，大大提高傳感器的分辨率與靈敏度。目前基于超材料的太赫茲傳感器已被廣泛應(yīng)用于蛋白質(zhì)濃度檢測(cè)、病毒檢測(cè)、癌細(xì)胞及其標(biāo)記物檢測(cè)。

圖8 吸收器用作傳感器時(shí)的性能分析。

（a）吸收特性隨待測(cè)樣品折射率的變化情況；（b）1.64 THz頻率處的傳感特性；（c）2.15 THz頻率處的傳感特性

結(jié)論

本文提出一種基于VO?相變特性的開(kāi)口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)多功能超材料器件，該器件在VO?處于不同條件下可實(shí)現(xiàn)功能切換。當(dāng)VO?處于絕緣態(tài)時(shí)，此結(jié)構(gòu)作為偏振轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)高效率的線偏振-線偏振轉(zhuǎn)換，在0.48~0.87 THz頻率范圍內(nèi)，偏振轉(zhuǎn)換率大于90%。當(dāng)VO?處于金屬態(tài)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)雙頻吸收和高靈敏度傳感功能。

在1.64 THz和2.15 THz頻率處具有2個(gè)不同的吸收峰，吸收率大于88%。接著研究了在這兩個(gè)頻率點(diǎn)處的傳感特性，通過(guò)改變樣品材料的折射率得出，兩個(gè)頻率點(diǎn)處的傳感靈敏度分別約為25.6 GHz/RIU和159 GHz/RIU，而兩個(gè)頻率點(diǎn)處的Q因子分別為71.34和23.12，展現(xiàn)出優(yōu)良的傳感性能。同時(shí)還研究了結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)偏振轉(zhuǎn)換性能和吸收性能的影響，從而為樣品的實(shí)際加工提供參考。本文提出的超材料器件具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)諧范圍廣、多功能應(yīng)用等特點(diǎn)，大大提升了器件實(shí)用可行性，并為太赫茲波段多功能器件的研究提供了思路。

審核編輯：劉清