二氧化钒对异向介质太赫兹调制特性的研究_余萍_熊狂炜

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。
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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
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-
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。
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。
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，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］。
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。