专利名称：一种基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及其方法
技术领域：
本发明属于太赫兹波应用技术领域，特别涉及一种基于二氧化钒薄膜相变特性的 太赫兹波调制装置及其方法。
背景技术：
太赫兹(Terahertz)波是指频率在0.广IOTHz (波长为3000 30 μ m)范围内的电 磁波，其波段位于毫米波与红外线之间，是宏观电磁理论向微观量子理论过渡的区域，有着 重要的学术和应用研究价值。近年来，随着THz辐射源及探测技术的发展，THz技术在物理 学、材料学、生物医学、天文学和国防等领域的应用得到很大发展。THz波的瞬时带宽很宽(0.广ΙΟΤΗζ)，用于通信可以获得高达lOGB/s的无线传输 速度，远高于目前的宽带技术。同时，THz波相对于其他波段的电磁波具有非常强的互补特 征。与微波和毫米波相比，THz波系统可以获得更高的分辨率，具有突出的抗干扰能力；与 激光相比，THz系统具有视场宽、搜索能力好、适用于恶劣天气条件等优点。因此，THz通信 能以极高的带宽进行高保密卫星通信。对于THz通信，需要使用调制器对传输过程中的THz波进行调制，以控制其强度、 相位或者频率。作为THz通信系统中的重要一环，THz波调制器的研究已逐渐成为一个热 点。通过探讨和发掘新型功能材料，研究其介电常数、磁导率、折射率等电磁参数可调的特 性，可以为THz调制器件的开发提供广泛的思路。中国专利CN 101881919 A提出一种基于 非线性光子晶体的光控THz波调制器，利用光子晶体点缺陷的缺陷模频率的动态迁移来实 现对THz波的通、断调制。中国专利CN 100424550 C和CN 101546047 A分别公开了一种 光子晶体THz波调制器装置及其方法、一种光控平板式光子晶体THz波调制装置及其方法， 它们利用光子晶体的光子禁带边缘调制THz波信号的方法，对THz波进行强度调制。这类带 隙迁移型太赫兹调制器的带隙边缘往往达不到很陡峭，因而其调制性能指标通常不是很理 想。近年来，对人工复合的超材料的研究不断取得进展。利用超材料奇异的物理性质，可以 实现THz波的频率和强度调制。2006年，Hou-Tong Chen等人首次提出在超材料结构上利用 外加偏压激发的方式来调制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等也提出通过外加激光激发的方式来实现基于超材料的THz动态器件的强度可 调(W. J. Padillaj A. J. Taylor. Dynamical electric and magnetic Metamaterials response at terahertz frequencies. Phys. Rev. Lett. , 2006，96，107401:1-4)。该 器件是在一块GaAs半导体基片上刻蚀出超材料周期结构，当对器件外加脉冲激光时，半导 体基片中的载流子发生变化，从而引起THz波传输幅度的变化和谐振频率的动态蓝移。但 是，目前超材料THz动态功能器件普遍存在开关效率和速率低的问题。因此，以超材料结构 设计为基础的THz动态器件，需要选择更加合适的核心动态功能材料才能进一步提高THz 动态器件的调制效率和速率。选择电性能突变量大、突变迅速的材料替代目前一般的半导体材料是解决上述问题的关键。作为一种典型的光学和电学开关材料，二氧化钒晶体在68°C会发生单斜结构半导 体相二氧化钒(M)和四方结构金属相二氧化钒(R)之间的可逆相变(SMT)，相变过程伴随 着光、电等物理性质的急剧变化。同时，其SMT相变过程相当迅速，可以在ps量级完成，且 相变前后电阻率的变化最高可达5个数量级。利用这种特性，二氧化钒晶体在非致冷红外 焦平面阵列、光存储器件、热敏光电开关等领域的应用研究已取得较大进展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及 其方法。该调制装置由基底、二氧化钒薄膜和表面金属超材料三层结构构成。其中，二氧化 钒薄膜均勻生长在基底表面，然后再在二氧化钒薄膜表面制备金属超材料结构。所述的二氧化钒薄膜通过溶胶凝胶、溅射、气相沉积、真空蒸发工艺中的至少一种 来制备，薄膜厚度为30 800nm。所述的基底材料为硅、砷化镓、石英、蓝宝石中的至少一种，其厚度为0. 1 3mm。所述的金属超材料结构通过刻蚀法在二氧化钒薄膜表面实现。基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制方法是利用外加热量、偏压或激光中 的一种或多种途径来激发二氧化钒薄膜，使其发生单斜结构半导体相二氧化钒(M)和四方 结构金属相二氧化钒(R)之间的可逆相变(SMT)。在由半导体相向金属相转变过程中，二 氧化钒薄膜的电阻率大幅减小，其对于THz波的透过率急剧下降；由金属相回复半导体相 转变过程中，二氧化钒薄膜的电阻率大幅增加，其对于THz波的透过率急剧增大，从而实现 对THz波的强度调制。本发明采用二氧化钒薄膜为核心动态功能材料来设计和制备THz动态调制器件。 其优点在于，无论是外加热量、偏压还是外加激光激励，二氧化钒薄膜SMT过程中的电阻率 突变量及其对THz波的透过率变化大，相变速度快(ps量级)，可以实现效率更高、速度更快 的动态调制。
图1. 本发明装置的结构示意图；该装置由基底(1)、二氧化钒薄膜(2)和表面 金属超材料结构(3)组成。图2. —种利用二氧化钒薄膜相变特性调制太赫兹波的工作原理示意图；通过 外加热量来激发二氧化钒薄膜相变。相变前后，二氧化钒薄膜对THz波具有积极的响应，薄 膜相变前后透过率变化高于80%，并且谐振波频率发生偏移。从而可以实现对THz波的强度 调制。
具体实施例方式
以下通过具体实施方式
对本发明进行进一步的说明实施例1
本发明的目的通过以下技术方案来实现一种基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波 调制装置及其方法。该调制装置由基底、二氧化钒薄膜和表面金属超材料三层结构构成。其 中，二氧化钒薄膜通过溶胶凝胶法均勻生长在厚度为0. 8mm的硅基底表面，薄膜厚度控制 在SOnm左右，然后在二氧化钒薄膜表面刻蚀制备金属超材料结构。利用外加热量激发二氧化钒薄膜，使其发生单斜结构半导体相二氧化钒(M)和四 方结构金属相二氧化钒(R)之间的可逆相变(SMT)。在升温到68°C以上时，二氧化钒薄膜 由半导体相向金属相转变，薄膜的电阻率大幅减小，其对于THz波的透过率急剧下降；在降 温至68°C以下时，二氧化钒薄膜由金属相回复半导体相，薄膜的电阻率大幅增加，其对于 THz波的透过率急剧增大，从而实现对THz波的强度调制。实施例2
本发明的目的通过以下技术方案来实现一种基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波 调制装置及其方法。该调制装置由基底、二氧化钒薄膜和表面金属超材料三层结构构成。其 中，二氧化钒薄膜通过磁控溅射法均勻生长在厚度为Imm的石英基底表面，薄膜厚度控制 在600nm左右，然后在二氧化钒薄膜表面刻蚀制备金属超材料结构。利用波长为600nm，功率为400mW的外加激光激发二氧化钒薄膜，使其发生单斜结 构半导体相二氧化钒(M)和四方结构金属相二氧化钒(R)之间的可逆相变(SMT)。在由半 导体相向金属相转变的过程中，二氧化钒薄膜的电阻率大幅减小，其对于THz波的透过率 急剧下降；由金属相回复半导体相转变的过程中，二氧化钒薄膜的电阻率大幅增加，其对于 THz波的透过率急剧增大，从而实现对THz波的强度调制。实施例3
本发明的目的通过以下技术方案来实现一种基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波 调制装置及其方法。该调制装置由基底、二氧化钒薄膜和表面金属超材料三层结构构成。其 中，二氧化钒薄膜通过气相沉积法均勻生长在厚度为2mm的蓝宝石基底表面，薄膜厚度控 制在200nm左右，然后在二氧化钒薄膜表面刻蚀制备金属超材料结构。首先利用外加电场使薄膜预置到35°C，然后再输入强度为20V的直流电压信号， 使二氧化钒薄膜发生单斜结构半导体相二氧化钒(M)和四方结构金属相二氧化钒(R)之 间的可逆相变(SMT)。在由半导体相向金属相转变的过程中，二氧化钒薄膜的电阻率大幅减 小，其对于THz波的透过率急剧下降；由金属相回复半导体相转变的过程中，二氧化钒薄膜 的电阻率大幅增加，其对于THz波的透过率急剧增大，从而实现对THz波的强度调制。
权利要求
1.一种基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及其方法，其特征在于该调制 装置由基底(1)、二氧化钒薄膜(2)和表面金属超材料(3)三层结构构成；其中，二氧化钒薄 膜均勻生长在基底表面，然后再在二氧化钒薄膜表面制备金属超材料结构。
2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及其方法， 其特征在于二氧化钒薄膜厚度为30 800nm。
3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及其方法， 其特征在于基底材料为硅、砷化镓、石英和蓝宝石中的至少一种，其厚度为0.1 3mm。
4.根据权利要求1所述的基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及其方法， 其特征在于金属超材料结构通过刻蚀法在二氧化钒薄膜表面实现。
5.根据权利要求1所述的基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及其方法， 其特征在于该装置利用二氧化钒可逆相变过程中光、电等物理性质急剧变化的特性，实现 太赫兹波的调制。
6.根据权利要求5所述的基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制方法，其特征在 于二氧化钒可逆相变是利用外加热量、偏压或激光中的一种或多种途径来激发。
全文摘要
本发明提出了一种基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及其方法，它由基底、二氧化钒薄膜和表面金属超材料三层结构构成。这种太赫兹波调制装置利用二氧化钒可逆相变过程中光电参数突变量大和相变时间短的特性，实现太赫兹波的强度调制。装置调制方法是采用外加热量、偏压或激光激发中的一种或多种途径来激发二氧化钒薄膜。本发明采用二氧化钒薄膜为核心动态功能材料来设计和制备太赫兹波动态调制器件，可以解决目前太赫兹动态器件调制效率低、调制速度慢的问题。
文档编号G02F1/355GK102081274SQ201010600378
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月22日 优先权日2010年12月22日
发明者张玉波, 张雅鑫, 施奇武, 毛茂, 颜家振, 黄婉霞 申请人:四川大学