一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件及其制备方法

本发明涉及电磁波动态调控器件及其制备方法。

背景技术：

1、二氧化钒(vo2)材料可在温度刺激下发生绝缘-金属相变，在相变前后其导电性、能带结构以及光学性质等均会发生改变，是最具潜力的电磁波动态调控材料之一。

2、然而，本征vo2的电磁波动态调控能力弱，难以满足实际应用需求。目前，主要可以通过两种手段提升vo2的电磁波动态调控能力，即构建基于vo2的fabry-pérot(f-p)腔和vo2超构结构，如公开号为cn110133759b、cn114976672a、cn112684648b和cn112921273b的专利，通过这两种方法分别实现了在近红外、中红外以及太赫兹微波等波段的电磁波动态调节，其本质是在特定波长处光的干涉或是vo2等离基元的局域共振效应。

3、虽然这两种结构提升了vo2在特定波段的电磁波动态调控能力，但是也将vo2动态调制电磁波的能力局域在较窄的波长范围内，限制了器件在多谱段的电磁波动态调控能力，阻碍了器件在不同电磁波谱段的功能集成。若使用r＝λ2/λ1(λ2和λ1分别代表vo2器件动态调控波长的最大值和最小值)来表征器件电磁波动态调控范围大小，现有vo2器件的r值均小于100，无法实现对宽波段、多频谱电磁波的动态调控。

技术实现思路

1、本发明要解决现有vo2电磁波动态调控器件无法实现对宽波段、多频谱电磁波的动态调控问题，而提供一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件及其制备方法。

2、一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件，它自下而上依次由基底、第一vo2层、第一中间介质层、选择反射层、第二vo2层、第二中间介质层和第三vo2层。

3、一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件的制备方法，它是按以下步骤进行的：

4、在基底上依次沉积第一vo2层、第一中间介质层、选择反射层、第二vo2层、第二中间介质层和第三vo2层，得到可见-微波多谱段电磁波动态调控器件；

5、所述的第一vo2层、第二vo2层及第三vo2层利用高能脉冲磁控溅射技术沉积得到；

6、所述的第一中间介质层及第二中间介质层利用直流磁控溅射技术或射频磁控溅射技术沉积得到：

7、所述的选择反射层利用射频磁控溅射技术沉积得到。

8、本发明所述的选择反射层、第二vo2层、第二中间介质层和第三vo2层构成顶层f-p腔(tfp)；

9、所述的第一vo2层、第一中间介质层以及顶层f-p腔构成底层f-p腔(bfp)。

10、本发明的有益效果是：

11、本发明在垂直方向上构建了两个叠层的vo2基f-p腔结构，上层结构为顶层f-p腔(tfp)，下层结构为底层f-p腔(bfp)，并在tfp和bfp中使用选择性反射材料替换传统f-p结构中底部的完全反射金属层，由于使用选择性反射材料(第一vo2层、si、ge)替换了传统f-p结构中的底部对宽波段电磁波完全反射的金属层，两层f-p腔得以实现对电磁波的共同作用，避免上层tfp将电磁波完全反射，导致电磁波无法传递至下层bfp进行进一步调控。在上层tfp中，选择反射层为只隔绝可见光的si、ge半导体层，对红外-微波波段的电磁波完全透过；而bfp中的第一vo2层为底部选择反射层，相变前vo2(m)对红外-微波波段电磁波完全透过，而相变后vo2(r)层对红外-微波波段电磁波完全反射。该结构可以实现对可见-微波超宽波段内电磁波的动态调控。可以将现有基于vo2的电磁波动态调控器件最大波长范围r值从100提升三个数量级至100000，为现有电磁波动态调控器件最高值。

12、1、tfp结构为第三vo2层/第二中间介质层/第二vo2层/选择反射层，其中选择反射层对红外-微波波段的电磁波完全透过，对可见光完全隔绝，利用vo2相变前后在可见波段的光学常数差异，实现可见波段(390nm～780nm)f-p共振吸收峰峰位的移动，即可见颜色的动态可逆切换；

13、2、bfp结构为顶层f-p腔/第一中间介质层/第一vo2层，顶层tfp结构在bfp中可视为单层薄膜，vo2相变前对红外-微波(780nm-3cm)完全透过，相变后半透过半反射；最底层vo2(第一vo2层)相变前也对红外-微波波段电磁波完全透过，而相变后对红外-微波波段电磁波完全反射，此时bfp产生位于红外-微波波段的f-p共振吸收峰，实现了温度响应的吸收大幅调控，且吸收峰位置根据不同应用需求，可在红外-微波范围内由第一中间介质层厚度任意调控；

14、3、bfp结构中，由于最底层vo2(第一vo2层)相变前后对红外-微波的电磁波特性发生从透过到反射的大幅转变，因此在非f-p共振波段，器件的红外-微波的光学响应从完全透过转变为完全反射。

15、本发明用于一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件及其制备方法。

技术特征：

1.一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件，其特征在于它自下而上依次由基底、第一vo2层、第一中间介质层、选择反射层、第二vo2层、第二中间介质层和第三vo2层。

2.根据权利要求1所述的一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件，其特征在于所述的基底为红外高反射基底、红外高透过基底或红外高吸收基底。

3.根据权利要求1所述的一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件，其特征在于所述的第一vo2层、第二vo2层及第三vo2层中w占w与v的总原子数的0％～5％。

4.根据权利要求1所述的一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件，其特征在于所述的第一中间介质层为hfo2层、sio2层、al2o3层、si层或ge层；所述的第二中间介质层为hfo2层、sio2层、al2o3层或tio2层；所述的选择反射层为si层或ge层。

5.根据权利要求3所述的一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件，其特征在于所述的第一vo2层、第二vo2层及第三vo2层的厚度均为5nm～1000nm。

6.根据权利要求4所述的一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件，其特征在于所述的第一中间介质层及第二中间介质层的厚度均为10nm～5μm；所述的选择反射层的厚度为10nm～200nm。

7.如权利要求1所述的一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件的制备方法，其特征在于它是按以下步骤进行的：

8.根据权利要求7所述的一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件的制备方法，其特征在于所述的第一vo2层、第二vo2层及第三vo2层具体是按以下步骤制备：在占空比为1:(10～200)、脉冲周期为100μs～5000μs、基板温度为25℃～600℃、溅射气压为0.4pa～2pa、氧气与氩气的流量比为(0.4～3):81及功率为80w～300w的条件下，利用高能脉冲磁控溅射技术沉积得到。

9.根据权利要求7所述的一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件的制备方法，其特征在于所述的第一中间介质层及第二中间介质层具体是按以下步骤制备：在功率为50w～400w、基板温度为25℃～500℃、溅射气压为0.4pa～2pa及氧气与氩气的流量比为(0～20):81的条件下，利用直流磁控溅射技术或射频磁控溅射技术沉积得到。

10.根据权利要求7所述的一种可见-微波多谱段电磁波动态调控器件的制备方法，其特征在于所述的选择反射层具体是按以下步骤制备：在功率为50w～400w、基板温度为25℃～500℃、溅射气压为0.4pa～2pa及氩气流量为20sccm～120sccm的条件下，利用射频磁控溅射技术沉积得到。

技术总结
一种可见‑微波多谱段电磁波动态调控器件及其制备方法，它涉及电磁波动态调控器件及其制备方法。本发明要解决现有VO<subgt;2</subgt;电磁波动态调控器件无法实现对宽波段、多频谱电磁波的动态调控问题。器件自下而上依次由基底、第一VO<subgt;2</subgt;层、第一中间介质层、选择反射层、第二VO<subgt;2</subgt;层、第二中间介质层和第三VO<subgt;2</subgt;层。制备方法：在基底上依次沉积第一VO<subgt;2</subgt;层、第一中间介质层、选择反射层、第二VO<subgt;2</subgt;层、第二中间介质层和第三VO<subgt;2</subgt;层。本发明用于可见‑微波多谱段电磁波动态调控器件及其制。

技术研发人员：李垚,魏航,豆书亮,谷金鑫,赵九蓬
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6