一种垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器及其调控方法与流程

本发明属于太赫兹应用技术领域，具体涉及一种垂直结构的二氧化钒调制器及其调控方法，通过电调控来实现高速、高效的太赫兹波调制。

背景技术

太赫兹是一种频率范围在0.1～10thz(波长为3000～30μm)特殊频段的电磁波，恰好处于微波与红外之间的电场波谱范围。它具有大容量、高安全性、高传输速率、高抗干扰性及强穿透性等许多优异的特性，在生物医学、高速通信、天文、军事、安保、探测成像等以及相关的交叉学科领域具有广阔的应用前景。由于现代社会对无线通信的需求越来越迫切，因此太赫兹通信系统近来已成为一个研究热点。要实现太赫兹高速、宽带通信，最为关键的器件是太赫兹调制器件。

二氧化钒(vo2)是一种具有绝缘体-金属态相变特性的材料，在外界刺激(温度、光照、电场、应力)下会从单斜绝缘体态(高阻态)向四方金属态(低阻态)转变，在晶体的一级位移相变中，其电阻率会有2-4个数量级的变化，其介电常数、磁导率等参数，以及微波、光学甚至太赫兹波特性都会随着相变过程发生显著的可逆性变化。具体来说，绝缘态时，太赫兹波能良好透过vo2薄膜，金属态时，太赫兹波被vo2薄膜反射。更为重要的是，vo2的相变速度极快，用飞秒激光泵浦vo2薄膜时,响应时间小于1ps。因此，vo2是一种非常有前途的太赫兹功能材料，尤其在高速调制器件方面。

过去，基于vo2的调制器件的研究主要集中在热激发金属-绝缘体相变。但是实际研究发现，热触发vo2薄膜相变因为需要进行升降温的变化，控制相变的速度比较慢，而且发生相变以后温度冷却也需要一个很长的过程，不利于反复的操作，同时需要额外加热装置，操作复杂。这些极大地限制了基于vo2的太赫兹调制器的发展。另一方面，采用电控触发vo2的相变以实现可调式电子器件的研究越来越受到人们的关注。通过给vo2薄膜施加电压，从而诱发电驱动的金属-绝缘体相变(e-mit)，随之的电子相关效应可以带来超快的开关速率，但是基于电控触发vo2相变的调制器件结构到目前为止是极其缺乏的。且现有的采用电驱动vo2的结构大都是横向电压式的平面器件结构(电流方向平行于薄膜表面)。该类型结构的器件都面临相变阈值电压过高(高达数百伏)的问题，这导致了器件高能耗问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器，能够通过电控方式高速、高效地调制太赫兹波，从而解决传统二氧化钒调制器件开关速度慢、需要外加装置及电驱动vo2结构相变阈值电压过高等缺点。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器，包括介质基底，所述介质基底由对太赫兹波透明的材料构成。在所述介质基底上通过工艺生长或者转移一层底层导电薄膜，所述底层导电薄膜由对太赫兹波透明的材料构成，再在底层导电薄膜上生长二氧化钒薄膜层，最后在制备好的二氧化钒薄膜层上制作顶层金属电极。其中，二氧化钒薄膜作为功能材料调制入射的太赫兹波，底层导电薄膜和顶层电极作为上下电极加载调制电压。

所述的底层导电薄膜应当具有良好的导电性和很高的太赫兹透过率(≥85％)。作为优选，可以选择石墨烯薄膜或dmso掺杂pedot:pss薄膜中的一种，同时，导电薄膜作为衬底应有助于其上面二氧化钒薄膜的制备。进一步优选的，底层导电薄膜通过化学气相淀积或旋涂工艺直接生长或者转移到介质基底上。

所述的二氧化钒薄膜为未掺杂二氧化钒薄膜或掺杂二氧化钒薄膜，所述掺杂二氧化钒薄膜的掺杂元素是w、mo、ti、nb、ta或al中的一种或多种。二氧化钒薄膜具有优异的的金属-绝缘体相变特性，可以显著地改变太赫兹波的透射性能。进一步优选的，二氧化钒薄膜通过磁控溅射或脉冲激光沉积获得。进一步优选的，二氧化钒薄膜厚度为20-500nm，该厚度下二氧化钒薄膜电导率在从绝缘体到金属的相变过程中可以发生100-10000倍的变化，其中绝缘态时电导率为1-100s/m，金属态时电导率为10000-1000000s/m。

顶层电极由金、银、铂或铝、铜、钛金属中的一种构成，厚度为100-500nm，电极尺寸选取的原则是其在二氧化钒薄表面所占的比例要小，保证太赫兹波在调制之前可以正常通过器件，电极覆盖二氧化钒薄膜表面的比例为1％-20％之间。例如可采用200μm×200μm的尺寸。

一种垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器件的调控方法：通过对垂直式结构中的底层透明导电薄膜和顶层电极施加驱动电压，触发中间层的二氧化钒薄膜相变来实现太赫兹波的调制。

优选的，通过对vo2薄膜上下层的导电薄膜层与金属电极施加驱动电压，触发中间层的vo2薄膜发生金属-绝缘体相变，最终实现对太赫兹波的调制。vo2薄膜在相变前处于高阻的绝缘态，载流子少，对太赫兹波的阻碍小，透过率很高。当驱动电压超过触发vo2薄膜相变阈值电压后，vo2薄膜晶体结构从单斜向金红石结构变化成金属态，电导急剧增大，载流子增多，对太赫兹的反射率增强，从而造成太赫兹波透过率的明显减弱。需要说明的是因为vo2薄膜的相变过程是可逆的，在驱动电压减小到小于阈值电压后，vo2薄膜会重新转化为绝缘态，对太赫兹波处于高透过率状态，因此调制器的调制特性也是可逆的。

由于vo2薄膜电触发相变的超快电子开关效应，器件的开关时间可以比热致相变快几个数量级。一般来说，热致相变的弛豫时间为10^-6s，而在其他条件不变的情况下，电触发相变时弛豫时间约为2×10^-9s。因此，与热触发二氧化钒器件相比，电触发二氧化钒器件相变速度快，响应时间更短。同时，在本发明的垂直式器件结构中两电极之间的间距是在微米尺度范围中，从而只需较小的阈值电压就足以使vo2发生相变，这大大缩短了开关时间。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明中，通过电控来进行工作而不需要外加光照、加热等激励，这对于器件的小型化、实用化和量产化具有很大的优势。

2、本发明中，二氧化钒调制速度快，通过电触发vo2薄膜实现绝缘和金属态之间的相变，器件的开关时间有望达到纳秒量级。

3、本发明中，垂直结构中两电极之间的间距是在微米尺度范围中，从而只需较小的阈值电压就足以使vo2发生相变，这大大缩短了开关时间。

4、本发明中，利用vo2薄膜作为调制功能层，因为vo2的相变在很宽的太赫兹频段上都有明显的调制作用，所以器件的宽带效应极具显著。

5、本发明中，利用为对太赫兹波透明的导电薄膜(石墨烯)作为底电极，可以避免vo2薄膜和以往的金属薄膜电极之间的应力，提高vo2薄膜的质量，工艺操作过程简单、要求低。

6、本发明中，基底和导电薄膜都是对太赫兹波高度透明的材料，保证了太赫兹波在调制之前能正常通过器件，插入损耗低。

7、本发明对于vo2薄膜在高速太赫兹调制器件上的应用具有重大意义。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明实施例中垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器的结构示意图；

图2为本发明实施例中垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器的俯视图；

图3为本发明实施例中垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器的模拟结果曲线图；

图4为本发明实施例中二氧化钒薄膜的电阻在相变前后的变化特性曲线；

图5为本发明实施例中二氧化钒薄膜在电触发相变的开关时间示意图；

图6为本发明实施例中垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器中两电极之间的距离示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的技术方案为：

一种垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器，包括从下到上依次分布的介质基底1，底层导电薄膜2，二氧化钒薄膜3和顶层电极4；所述介质基底1和底层导电薄膜2由对太赫兹波透明的材料制成。

优选的，介质基底1由高阻硅或蓝宝石制成。

优选的，底层导电薄膜2由石墨烯薄膜或dmso掺杂pedot:pss薄膜制备。

进一步优选的，底层导电薄膜2通过化学气相淀积或旋涂工艺直接生长或者转移到介质基底上。

优选的，二氧化钒薄膜3为未掺杂二氧化钒薄膜或者掺杂二氧化钒薄膜，所述掺杂二氧化钒薄膜的掺杂元素是w、mo、ti、nb、ta或al中的一种或多种。

进一步优选的，二氧化钒薄膜3通过磁控溅射或脉冲激光沉积制备。

进一步优选的，二氧化钒薄膜3厚度为20-500nm。

优选的，顶层电极4由金、银、铂、铝、铜或钛金属中的一种构成，厚度为100-500nm。电极的大小在下层二氧化钒薄膜表面所占的比例小，保证太赫兹波在调制之前可以正常通过器件。

本发明还提供上述垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器的调控方法：通过对垂直式结构中的底层透明导电薄膜和顶层电极施加驱动电压，触发中间层的二氧化钒薄膜相变来实现太赫兹波的调制。

优选的，当驱动电压超过相变阈值电压后，二氧化钒薄膜转化为成金属态，器件对太赫兹波处于低透过率状态；当驱动电压减小到小于阈值电压后，二氧化钒薄膜会重新转化为绝缘态，器件对太赫兹波处于高透过率状态，所述转化过程是可逆的。

下面参照图1至图6通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明：

图1为本发明一种垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器的结构示意图。其中1为介质基底，2为底层导电薄膜层，3为二氧化钒薄膜，4为顶层电极，5为恒电位仪。先在介质基底上通过工艺生长或者转移一层底层导电薄膜，再在底层导电薄膜上制备二氧化钒薄膜层，最后在制备好的二氧化钒薄膜层上制作顶层电极，从而制得一种垂直结构的二氧化钒太赫兹调制器。值得注意的是，如图2所示，为了保证太赫兹波在调制之前可以正常通过器件，vo2薄膜上表面的金属电极在二氧化钒薄表面所占的比例要小。

更具体来讲，本实施例以高阻硅-转移石墨烯薄膜-二氧化钒薄膜-金电极的垂直结构制备太赫兹调制器，其具体工艺步骤为：

①高阻硅基底清洗。

在对高阻硅基底进行清洗处理时，其步骤为：将高阻硅基底放入丙酮中超声10-30min，除去表面杂质，紧接着放入无水乙醇中超声10-30min，除去残留丙酮，再放入去离子水中超声清洗10-30min，除去残留乙醇，最后放入无水乙醇中保存，使用前用氮气吹干。

②石墨烯薄膜转移。

首先，将石墨烯薄膜生长完成的铜片剪取合适大小的铜片，在内侧均匀涂抹pmma有机玻璃试剂，方便石墨烯薄膜与铜基底进行完全分离。其次，放入50毫升0.10％的过硫酸铵溶液中浸泡去除铜基底。过硫酸铵溶液与同类型的氯化铁试剂相比，反应后不会引入多余的杂质.然后，用去离子水清洗残留在薄膜表面的过硫酸铵。接着，用硅衬底托出含有pmma石墨烯薄膜，第二次均匀涂满pmma试剂，防止薄膜断裂。最后，放入丙酮溶液中浸泡一定时间，待完全去除表面pmma后取出。最后，在高阻硅基底上成功转移出石墨烯薄膜。

③二氧化钒薄膜生长。

在以上转移了石墨烯薄膜的高阻硅基底上使用直流磁控溅射制备二氧化钒薄膜。本底真空度小于1.0×10^-3pa，沉积时基片温度是60℃。以金属v靶作为溅射靶材，通入氩气在真空环境下进行预溅射25min，溅射电流为0.34±0.01a，以除去靶材上面可能被氧化的部分及其它污染物等。然后通入氧气，在氧气和氩气混合气氛下，进行反应溅射沉积，此时的氩流量为98sccm，氧流量是2sccm，溅射时间为30min。溅射结束后，在氧气氛下进行高温退火，氧流量为15sccm，退火温度425℃，退火时间30min。退火处理完成后，在真空环境下自然冷却至室温。

④金电极制备。

通过电子束蒸发在vo2薄膜表面沉积au电极作为上电极，大小为200μm×200μm。

本发明实例制备出来的vo2薄膜具有优异相变性能，其电阻突变可以超过2-3个数量级，如图3所示。进一步研究vo2薄膜相变前后太赫兹透过率的变化，具体结果为：vo2薄膜在相变前处于高阻的绝缘态，因为载流子少，对太赫兹波的阻碍小，所以透过率很高；当vo2薄膜晶体结构从单斜向金红石结构变化成金属态，电导率急剧增大，载流子增多，对太赫兹的反射率增大，从而造成了太赫兹波透过率的明显减弱。这些结果意味着vo2薄膜应用于高效调制的太赫兹波技术是可行的。

本发明实例中的石墨烯作为衬底，可以避免vo2薄膜和以往的金属薄膜电极之间的应力，提高制备出来vo2薄膜的质量。图3中的结果也证明了石墨烯薄膜上的vo2薄膜具有优异相变性能。此外，石墨烯薄膜在太赫兹波段的透过率高于90％，保证太赫兹波在调制之前在器件中处于高透过率状态，降低器件的插入损耗。

图4给出了本实施例中调制器的模拟计算结果。结果表明在1.9-7thz频率范围内，通过对本发明中的vo2薄膜两侧的导电薄膜层与金属电极施加驱动电压，触发中间层的vo2薄膜发生金属-绝缘体相变，调制器的调制幅度可以达到70％以上。因为上层电极尺寸在vo2薄膜的表面所占的比例很小，所以太赫兹波在调制之前可以正常通过器件。在vo2处于绝缘体状态时，入射的太赫兹波以高透过率状态通过薄膜的其它区域(电极结构以外的区域)。同时，在激励中间层的vo2薄膜发相变过程，相变的区域并不仅仅发生在金属电极下面的区域面积，相变会很快地扩散到薄膜的其它区域，从而使太赫兹波的透过率大大降低。同时因为vo2薄膜的金属-绝缘体相变在很宽的太赫兹频段上都有明显的调制作用，所以器件的宽带效应也极具显著。

本发明中的调制器的调制速率主要取决于功能层的二氧化钒薄膜电触发开关时间。根据vo2薄膜电触发相变的超快电子开关效应理论，电触发相变的开关时间可以比热致相变快几个数量级，属于超快的量级。研究结果发现电触发相变时弛豫时间可以达到2×10^-9s(参阅图5)。因此，基于vo2薄膜的电触发器件必定具有所述的“高速”特点。

现有的采用电驱动vo2的结构大都是横向电压式的平面器件结构(电流方向平行于薄膜表面)。该类型结构的器件都面临相变阈值电压过高(高达数百伏)的问题。由图6可知，本发明中的垂直结构的器件(电流方向垂直于薄膜表面)中，两电极之间的间距是在200nm左右(vo2薄膜的厚度)，从而只需较小的阈值电压(数伏量级)就足以使vo2发生相变，这会大大提高了器件的寿命和减低整体的功耗。

因此，本发明中的基于垂直结构的器件具有插入损耗低、速度快、功耗低、集成度高、结构简单等优点，在高速太赫兹调制器件上有更广泛的应用价值。

当然，本发明中的各层结构还可以采用其它的类似作用的材料和结构，如基底可以采用蓝宝石，导电薄膜可以dmso掺杂pedot:pss薄膜，中间功能层可以采用掺杂二氧化钒薄膜，顶层电极可以采用叉指结构等。因此，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。