一种多功能相变单元及多功能超表面的制作方法

1.本实用新型涉及微电子、光学技术领域，具体而言，涉及一种多功能相变单元及多功能超表面。


背景技术：

2.目前，若要在一个光学器件上同时实现透射-反射双功能的切换，可以采用基于氧化钒的可调超表面，利用氧化钒在导体和半导体之间的切换，改变导体与半导体分别对应的折射率和消光系数，从而对相位进行调制以实现透射-反射双功能的切换。但是，这类基于氧化钒的可调超表面对相位的调制量是固定的，不能做到较高自由度的调制，导致相位可调范围较小。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种多功能相变单元及多功能超表面。
4.第一方面，本实用新型实施例提供了一种多功能相变单元，包括：纳米结构、氧化钒层、第一电极层、第二电极层、第三电极层和加热电阻；所述第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层在工作波段透明，所述多功能相变单元为一体结构；所述氧化钒层与所述加热电阻设置于所述第三电极层的一侧，所述加热电阻与所述氧化钒层在所述第三电极层上的投影为至少部分不重叠；在所述氧化钒层与所述加热电阻远离所述第三电极层的一侧设置有所述第二电极层；所述第二电极层与所述第三电极层用于对所述加热电阻施加电压；所述加热电阻能够改变所述氧化钒层的温度，使所述氧化钒层在不同温度下呈现导体态或者半导体态；在所述第二电极层远离所述氧化钒层与所述加热电阻的一侧设置有所述纳米结构，在所述纳米结构远离所述第二电极层的一侧设置有所述第一电极层；所述第一电极层与所述第二电极层用于对所述纳米结构施加电压，所述纳米结构由相变材料构成，且所述纳米结构根据所施加的电压实现晶态与非晶态的转换。
5.可选地，纳米结构根据所施加的电压实现晶态与非晶态的逐渐转换。
6.可选地，该多功能相变单元还包括基底，所述基底在工作波段透明；所述基底设置于所述第三电极层远离所述氧化钒层与所述加热电阻的一侧；或者，所述基底设置于所述第一电极层远离所述纳米结构的一侧。
7.可选地，纳米结构使用的相变材料为锗锑碲。
8.可选地，在所述纳米结构周围填充有填充材料，所述填充材料为在工作波段透明的材料，且所述填充材料的折射率与所述纳米结构的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。
9.可选地，第一电极层、所述第二电极层和所述第三电极层的材料为氧化铟锡。
10.可选地，多功能相变单元所调制的光包括可见光和/或红外光。
11.可选地，该多功能相变单元还包括绝缘层，所述绝缘层设置于所述第一电极层与
所述第二电极层之间。
12.可选地，纳米结构的数量为多个，且多个所述纳米结构与所述第一电极层相对应。
13.可选地，纳米结构和所述第一电极层的数量相同且均为多个，所述纳米结构与所述第一电极层一一对应。
14.第二方面，本实用新型实施例还提供了一种多功能超表面，包括：任一所述的多功能相变单元。
15.本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，在氧化钒层的基础上还设置有纳米结构，不仅可以通过改变该氧化钒层的温度从而改变该氧化钒层的状态，以实现将入射光进行反射与透射的两种不同功能的切换，还可以通过改变纳米结构的状态，对反射或透射出该多功能相变单元的出射光的出射角度进行高自由度的调控，且该多功能相变单元结构简单。
16.本实用新型实施例上述第二方面提供的方案中，该多功能超表面所包括的每一个多功能相变单元分别对应一个氧化钒层，能够独立调控每个多功能相变单元实现反射或者透射的功能，进而在该多功能超表面上形成部分反射部分透射的效果。
17.为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1示出了本实用新型实施例所提供的一种多功能相变单元的剖视图；
20.图2示出了本实用新型实施例所提供的多功能相变单元中，氧化钒层与加热电阻的第一种位置关系的俯视图；
21.图3示出了本实用新型实施例所提供的多功能相变单元中，氧化钒层与加热电阻的第二种位置关系的俯视图；
22.图4示出了本实用新型实施例所提供的多功能相变单元中，氧化钒层与加热电阻的第三种位置关系的剖视图；
23.图5示出了本实用新型实施例所提供的多功能相变单元实现反射功能的示意图；
24.图6示出了本实用新型实施例所提供的另一种多功能相变单元的结构示意图；
25.图7示出了本实用新型实施例所提供的具有多个纳米结构的多功能相变单元的结构示意图；
26.图8示出了本实用新型实施例所提供的具有数量一致的多个纳米结构与多个第一电极层的多功能相变单元的结构示意图；
27.图9示出了本实用新型实施例所提供的一种多功能超表面的示意图。
28.图标：
29.1-多功能相变单元、11-纳米结构、12-氧化钒层、13-第一电极层、14-第二电极层、15-第三电极层、16-加热电阻、17-基底、18-填充材料、19-绝缘层。
具体实施方式
30.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
31.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
32.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
33.本实用新型实施例提供了一种多功能相变单元，参见图1所示，图1为该多功能相变单元沿法线所在平面剖开后的主视图(一种剖视图)。该多功能相变单元包括：纳米结构11、氧化钒层12、第一电极层13、第二电极层14、第三电极层15和加热电阻16；该第一电极层13、第二电极层14和第三电极层15在工作波段透明，且该多功能相变单元为一体结构。
34.参见图1所示，氧化钒层12与加热电阻16设置于第三电极层15的一侧，加热电阻16与氧化钒层12在第三电极层15上的投影为至少部分不重叠；在氧化钒层12与加热电阻16远离第三电极层15的一侧设置有第二电极层14；第二电极层14与第三电极层15用于对加热电阻16施加电压；加热电阻16能够改变氧化钒层12的温度，使氧化钒层12在不同温度下呈现导体态或者半导体态。在第二电极层14远离氧化钒层12与加热电阻16的一侧设置有纳米结构11，在纳米结构11远离第二电极层14的一侧设置有第一电极层13；第一电极层13与第二电极层14用于对纳米结构11施加电压，纳米结构11由相变材料构成，且纳米结构11根据所施加的电压实现晶态与非晶态的转换。
35.如图1所示，在本实用新型实施例提出的多功能相变单元中，包括由上至下依次为相互间隔设置的第一电极层13、第二电极层14以及第三电极层15，其中，对于该多功能相变单元而言，上述三个电极层都是在工作波段透明的结构层，即上述三个电极层均对工作波段的光线具有高透过率，该工作波段为该多功能相变单元所调制的光的波段。可选地，多功能相变单元所调制的光包括可见光和/或红外光。即该多功能相变单元的工作波段为可见光和/或红外光对应的波段。其中，在第一电极层13与第二电极层14之间设置有与该两个电极层相互接触的纳米结构11，该纳米结构11可以对射入的光束进行整形调制，例如，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。其中，该第一电极层13与该第二电极层14可以对二者之间的纳米结构11施加电压，例如，该第一电极层13的输入电压为v1，第二电极层14的输入电压为v2，此时，该纳米结构11所接受的电压可以表示为δv1，且δv1＝|v
1-v2|。本实用新型实施例中，可以使用相变材料构成该纳米结构11，基于此，在该纳米结构11接受到不同电压时，例如调控第一电极层13或第二电极层14分别对应的输入电压v1或v2时，能够使该纳米结
构11所接受的电压δv1发生改变，从而可以使相变材料的纳米结构11实现晶态与非晶态的转换。例如，使该纳米结构11在电压δv1的作用下升温转化为晶态从而产生相变，改变通过该纳米结构11的光的出射角度。本实用新型实施例中，该转换过程可以是直接在晶态与非晶态两态之间相互切换，也可以是在晶态与非晶态之间逐渐进行转换。可选地，纳米结构11根据所施加的电压实现晶态与非晶态的逐渐转换。其中，可以将晶态与非晶态之间逐渐进行转换的过程称为部分晶化，其表示由相变材料构成的纳米结构11在晶态与非晶态之间的中间态。在部分晶化状态下，该相变材料构成的纳米结构11所具有的折射率与消光系数的数值，分别处于晶态时所对应的折射率和非晶态时所对应的折射率之间、以及晶态时所对应的消光系数和非晶态时所对应的消光系数之间，从而使相位的调制在晶态对应的相位与非晶态对应的相位之间连续变化，进而达到相位连续可调的目标。
36.如图1所示，在第二电极层14和第三电极层15之间设置有氧化钒层12以及与该两个电极层相互接触的加热电阻16，其中，该氧化钒层12与该加热电阻16到该第三电极层15上的投影是至少部分不重叠的，换句话说，该氧化钒层12与该加热电阻16在垂直于该第三电极层15的方向上(如图1中第三电极层15的上侧)不完全重叠。例如，可以如图2所示，在该氧化钒层12垂直于第三电极层15的侧面环绕设置加热电阻16；或者，也可以如图3所示，在该氧化钒层12的内部设置加热电阻16；再或者，还可以如图4所示，采用多个在水平方向开口的u型加热电阻16，以半包围形式在该氧化钒层12垂直于第三电极层15的侧面将该氧化钒层12包围，该氧化钒层12与该加热电阻16满足到第三电极层15上的投影为部分重叠，但不是完全重叠的条件。本实施例中氧化钒层12与加热电阻16的具体设置方式只要满足二者在第三电极层15表面的投影不完全重叠即可。本实用新型实施例只需令氧化钒层12与加热电阻16到第三电极层15上的投影为至少部分不重叠的情况，便可以使射入该多功能相变单元的光束不会因加热电阻16的阻挡而无法射入氧化钒层12，保证了加热电阻16不会将氧化钒层12与射入该多功能相变单元的光束隔开。
37.其中，该第二电极层14与该第三电极层15可以对二者之间的加热电阻16施加电压，例如，该第二电极层14的输入电压为v2，第三电极层15的输入电压为v3，此时，该加热电阻16所接受的电压可以表示为δv2，且δv2＝|v
2-v3|。在本实用新型实施例中，由于加热电阻16根据所接受的电压能够改变自身温度，从而可以影响氧化钒层12的温度，使该氧化钒层12的温度发生相应地改变；因此，当该氧化钒层12的温度由小于某阈值升高至该阈值(如阈值为68度)时，该氧化钒层12能够由半导体态转换为导体态。即在该氧化钒层12的温度小于阈值的情况下，该氧化钒层12为半导体态，在该氧化钒层12的温度大于阈值的情况下，该氧化钒层12为导体态。
38.如图1所示，在氧化钒层12为半导体态的情况下，由第一电极层13远离纳米结构11一侧射入的入射光(图1中由上向下射入的入射光)能够透过该氧化钒层12，并从第三电极层15远离氧化钒层12的一侧(图1中第三电极层15的下侧)射出，其中，图1中以实线表示该入射光、以虚线表示透过该氧化钒层12，并从第三电极层15远离氧化钒层12的一侧所透射出该多功能相变单元的出射光；并且，由于该多功能相变单元为同时包括纳米结构11与氧化钒层12的一体结构，因此，在该氧化钒层12为半导体态的情况下，若纳米结构11在非晶态与晶态之间转换，则在该转化过程中，出射光(如图1中的虚线)的出射角度会发生相应地变化。
39.并且，参见图5所示，在氧化钒层12为导体态的情况下，由第一电极层13远离纳米结构11一侧射入的入射光能够在该氧化钒层12的表面实现反射，图5中以实线表示该入射光、以虚线表示由该氧化钒层12表面所反射出该多功能相变单元的出射光；并且，由于该多功能相变单元为同时包括纳米结构11与氧化钒层12的一体结构，因此，在该氧化钒层12为导体态的情况下，若纳米结构11在非晶态与晶态之间转换，则在该转化过程中，出射光(如图5中的虚线)的出射角度会发生相应地变化。
40.本实用新型实施例所提供的多功能相变单元在氧化钒层12的基础上还设置有相变材料构成的纳米结构11，不仅可以通过改变该氧化钒层12的温度从而改变该氧化钒层12的状态，以实现将入射光进行反射与透射的两种不同功能之间的切换，还可以通过改变纳米结构11的状态，对反射或透射出该多功能相变单元的出射光的出射角度进行高自由度的调控。
41.可选地，如图6所示，该多功能相变单元还可以包括基底17，基底17在工作波段透明；该基底17设置于第三电极层15远离氧化钒层12与加热电阻16的一侧；或者，该基底17设置于第一电极层13远离纳米结构11的一侧。
42.本实用新型实施例中，在该多功能相变点单元的两侧，即第三电极层15远离氧化钒层12与加热电阻16的一侧(如图6所示该第三电极层15的下侧)，或第一电极层13远离纳米结构11的一侧(如图6所示该第一电极层13的上侧)可以设置基底17。该基底17为在工作波段透明的结构层，即该基底17对工作波段的光线具有高透过率，其中，该基底17的工作波段是该多功能相变单元所需调制的光所对应的工作波段。本实用新型实施例中，该基底17不仅能够对多功能相变单元所包括的第一电极层13、纳米结构11、第二电极层14、氧化钒层12、加热电阻16以及第三电极层15起到支撑的作用，且由于其对工作波段的光线具有高透过率，该基底17也不会影响光线在该多功能相变单元中的传播路线。
43.可选地，该纳米结构11使用的相变材料为锗锑碲。
44.其中，纳米结构11所选用的相变材料可以是锗锑碲(gst，gesbte)，例如，ge2sb2te5。锗锑碲具有实现相变能量要求低、相变可逆等特点，在不同的电压下锗锑碲可以实现晶态和非晶态间的可逆相变(如由非晶态转化为晶态的过程可以称作晶化过程)；并且，锗锑碲的晶化比例可通过控制晶化过程的物理参数获得，例如，对非晶态的相变材料锗锑碲进行加热，在其晶化过程中，其晶化比例可通过改变加热温度或加热时间来调控，以获得不同的折射率，实现由非晶态向晶态逐步转化的效果(如具有部分晶化的过程)，使该纳米结构11能够对相位进行连续调控。本实用新型实施例可以利用锗锑碲在晶态或非晶态折射率的不同从而实现对最终射出该多功能相变单元的出射光的出射角度的调节，且调节范围大，可实现连续调节。
45.可选地，在纳米结构11周围填充有填充材料18，填充材料18为在工作波段透明的材料，且填充材料18的折射率与纳米结构11的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5。
46.如图6所示，多功能相变单元还可以包括填充在纳米结构11周围的填充材料18。该填充材料18是一种在工作波段透明的材料，即该填充材料18对工作波段的光线(如可见光或红外光)具有高透过率或透过率位于40％～60％之间，以能够保护纳米级的纳米结构11。该填充材料18的折射率与纳米结构11的折射率之间的差值的绝对值大于或等于0.5，以避免填充材料18影响光线调制效果。具体地，该填充材料也可以是空气。
47.可选地，第一电极层13、第二电极层14和第三电极层15的材料为氧化铟锡(ito，indium tin oxide)，其是一种n型氧化物半导体，并且，其作为纳米铟锡金属氧化物可以具有很好的导电性，比较适用于制作成电极层设置于本实用新型实施例所提供的多功能相变单元中，用于令该第一电极层13和该第二电极层14对纳米结构11施加电压，以及令该第二电极层14和第三电极层15对加热电阻16施加电压。
48.可选地，参见图6所示，该多功能相变单元还可以包括绝缘层19，该绝缘层19设置于第一电极层13与第二电极层14之间。
49.本实用新型实施例中，在第一电极层13与第二电极层14之间可以设置有绝缘层19，该绝缘层19不仅可以隔离开该第一电极层13与第二电极层14，以防漏电；还可以对该多功能相变单元起相位调制作用的部分结构(如第一电极层13、纳米结构11和第二电极层14)起到支撑和保护的作用。
50.可选地，参见图7所示，纳米结构11的数量为多个，且多个纳米结构11与第一电极层13相对应。
51.如图7所示，在本实用新型实施例所提供的多功能相变单元中，可以包括多个纳米结构11，例如纳米结构11的阵列；并且，这些纳米结构11所组成的阵列与该多功能相变单元的第一电极层13相对应，即多个纳米结构11共用同一个第一电极层13，通过调控该第一电极层13能够对多个纳米结构11进行统一控制，例如通过改变该第一电极层13的输入电压，进而统一调控多个纳米结构11的电压。其中，在该多功能相变单元整体结构较大可容纳较多纳米结构11时，其也可以视作一种多功能超表面，例如，可以将该多功能相变单元应用于波前调控器。
52.可选地，参见图8所示，纳米结构11和第一电极层13的数量相同且均为多个，纳米结构11与第一电极层13一一对应。
53.如图8所示，在本实用新型实施例所提供的多功能相变单元中，可以包括数量一致的多个纳米结构11和多个第一电极层13，例如，该多功能相变单元中可以包括纳米结构11的阵列和第一电极层13的阵列。其中，每个纳米结构11都与一个第一电极层13相互对应，例如，纳米结构11的阵列中的每个元素分别与第一电极层13的阵列中的每个元素相互对应。在本实用新型实施例中，可以通过分别控制每一个第一电极层13对每一个第一电极层13所对应的纳米结构11分别进行控制，如调控每一个第一电极层13的输入电压v1(图8中每一个v1的大小都可以是互不相同的)，使不同的纳米结构11可以在其对应的第一电极层13的调控下改变通过该纳米结构11的光的出射角度，进而可以使射入该多功能相变单元的光可以透射至多种不同角度或反射至多种不同角度。其中，在该多功能相变单元整体结构较大可容纳较多纳米结构11和第一电极层13时，其也可以视作一种多功能超表面。
54.本实用新型实施例还提供一种多功能超表面，参见图9所示，包括：多个上述任一实施例提供的多功能相变单元1。
55.如图9所示，在本实用新型实施例所提供的多功能超表面中，多个多功能相变单元1可以以阵列的形式排列在同一平面。具体地，这些多功能相变单元1可以是生长在同一基底17上的多个单元；或者，这些多功能相变单元1可以共用同一个第三电极层15；再或者，这些多功能相变单元1还可以同时共用同一个第三电极层15和同一个基底17。例如，可以在基底17的一侧由下向上依次生长有第三电极层15、具有氧化钒层12与加热电阻16的一层、第
二电极层14、纳米结构11(或者，纳米结构11以及与纳米结构11处于同一层的填充材料18和/或绝缘层19)和第一电极层13，以生成多个多功能相变单元1(这些多功能相变单元1可以是由人为划分的多个单元)；或者，在第三电极层15的同一侧由下向上依次生长有具有氧化钒层12与加热电阻16的一层、第二电极层14、纳米结构11(或者，纳米结构11以及与纳米结构11处于同一层的填充材料18和/或绝缘层19)和第一电极层13，以生成多个多功能相变单元1；再或者，在一个基底17上设置一个第三电极层15，在该第三电极层15远离基底17的一侧由下向上依次生长有具有氧化钒层12与加热电阻16的一层、第二电极层14、纳米结构11(或者，纳米结构11以及与纳米结构11处于同一层的填充材料18和/或绝缘层19)和第一电极层13，以生成多个多功能相变单元1。
56.本实用新型实施例所提供的多功能超表面，其所包括的每一个多功能相变单元1分别对应一个氧化钒层12，能够独立调控每个多功能相变单元1实现反射或者透射的功能，进而在该多功能超表面上形成部分反射部分透射的效果，例如，可以将其应用于ar(augmented reality，增强现实)中的combiner(组合器)。
57.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。