相变氧化物THz波传输特性及集成超材料调制器应用

太赫兹（THz）亚波长尺度的负折射率金属开口微环阵列利用LC谐振电路中电感L或电容C值的改变可以实现THz波的传输调制。本项目提出金属-绝缘相变（MIT）氧化物与金属开口谐振微环阵列集成的THz波调制器，研究利用~1 kHz温度场或~10 MHz外电场的改变触发MIT氧化物发生金属-绝缘相变来改变材料的电阻率或介电常数，通过电阻率的改变切换金属导线的导电路径来调谐LC谐振电路中的L值、或通过介电常数的改变来调谐电路中的C值，以此来实现低插入损耗、高调制深度的THz波传输调制。主要研究内容为：以VO2为重点的MIT氧化物异质结外延生长及结构表征；不同温度或电场偏置条件下材料的THz波吸收与阻抗特性；金属相VO2和贵金属线等离子谐振频率与负介电常数、集成开口微环的负磁导率；调L、调C或LC共调的集成调制器的仿真设计、制备、以及性能测试。

1、金属-绝缘相变（MIT）VO2薄膜生长。研究磁控溅射工艺在不同蓝宝石衬底上沉积MIT氧化物VO2的晶体结构、相变以及THz波的传输特性，发现VO2在c面上为沿[020]方向的三畴外延结构、r面上为沿[200]和[-211]方向的孪晶外延结构、而在m面上由于界面扩散导致沿[-402]方向的择优取向生长；在r面上显示更为理想的MIT特性，其中相变前后电阻率的变化达9.4e+4倍、而温度回线宽度仅为3.9 K，且在0.1-2.0 THz测试带宽范围内对THz波的传输调制深度达到98%。2、VO2混合集成THz波超材料。（1）研究了混合集成LC谐振环阵列器件的制备以及对THz波的远、近场调控，发现利用VO2的MIT可以实现对THz波远场的双带传输调制、有效地操控近场强度以及热点尺寸、以及具有补偿因近场耦合引起的谐振频率漂移的能力；（2）研究了开关可控的THz波完美吸收器（MPA）结构，发现当VO2为金属相时MPA在1.2 THz设计频率处的吸收率高达99.8%、而当恢复到绝缘相时的吸收率仅为5.4%，调制深度为94.6%。3、其它超材料器件(如改变器件尺寸，也可THz波谱工作)。（1）研究了外电场控制下的电磁感应透明（EIT）超材料的结构，发现如果把PIN二极管与偶极谐振器件阵列集成在一起、利用外电场偏置改变PIN二极管的开关状态可以实现器件在6.13 GHz频率处EIT的主动控制、且强度可连续改变，最大的强度调制深度达85%；（2）偏振不敏感THz波宽带吸收器。发现同心金属环阵列的超材料结构的3dB带宽为3.7 THz（2.38-6.08 THz），实现峰值吸收率99.9%、平均吸收率大于75%。4、金属表面等离子体超材料结构的应用研究拓展。（1）金属光栅表面等离子体谐振传感器的结构与角度灵敏度极限。结果显示角度灵敏度极限与工作波长无关；对于待测液的折射率na=1.32-1.36，单（双）滴法的灵敏度最大分别为493.7（535.9）°/RIU；可以忽略金属的氧化效应对高品质因素Al基器件的灵敏度退化影响。（2）金属表面等离子耦合增强石墨烯探测器的长波红外（LIR）吸收（这些结构也可以应用于THz波）。发现利用EIT效应可以实现偏振不敏感探测更可以利用偏振转换实现极大增强局域光场；另外，合理的叉指电极结构可以把石墨烯对LIR的吸收率从不足2.3%提高到50%。