基于光誘導二氧化釩薄膜相變的太赫茲波調制材料研究

張冬煜，彭曉昱，杜海偉，馬勇，3，羅春華

（1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.中國科學院重慶綠色智能技術研究院 太赫茲技術研究中心，重慶 400714；3.重慶郵電大學 光電工程學院，重慶 400065）

太赫茲技術在材料、化學、生物醫學、安檢等許多領域有著獨特的應用前景，但目前由于缺少有效的太赫茲功能器件（如太赫茲偏振片、濾波片、分束器和吸波器等），使得上述應用受到嚴重制約。太赫茲波段不同于其它波段的是，自然界絕大多數物質對其缺乏有效響應，因此很難用于對太赫茲波進行調制，不過近些年超材料的興起促進了太赫茲功能材料的發展。超材料是一種由人工設計的具有周期單元陣列結構的電磁材料，是人工構成的、具有自然界材料所不具備物理性質的復合材料，其性質往往不是由構成材料的本征性質決定，而是取決于其中的微納結構。最早的超材料是基于單元結構設計的開口諧振環結構，它具備負折射率和負介電常數等特性。隨著研究的逐漸深入，人們提出了越來越多的單元結構，更多的響應特性也隨之被發現。如各向異性材料對電磁波振幅、相位及偏振態的調制，不同結構組合或多層材料所構成的多頻及寬頻共振響應的吸收材料，引入了本征半導體、摻雜半導體、絕緣-金屬相變材料的超材料設計以實現光開關和調制器等。

在一些自動控制應用中需要使用主動調制功能器件，這些器件的設計中通常會使用一些相變材料，而這些材料的相變可以通過不同的激發方式來實現。Morin等人[1]報道了一類金屬-絕緣體相變（metal-insulator transition，簡稱MIT）的金屬氧化物（如二氧化鈦和二氧化釩等），當溫度上升到臨界溫度Tc，它的電導率會急劇上升。通過對MIT現象進行大量研究發現，這種金屬氧化物不僅可以通過熱激發，還可以通過光激發實現相變，其中由于二氧化釩（VO2）薄膜相變溫度（340K）最接近室溫而受到越來越多的關注。VO2是一種具有皮秒量級絕緣體-金屬可逆相變特性的氧化物，從低溫單斜結構（絕緣態）轉變到高溫四方結構（金屬態），在相變過程中電導率的變化高達5個數量級。1996年Becker[2]利用飛秒激光脈沖激發VO2薄膜，發現VO2薄膜相變光學性質與其高溫時金屬態非常接近，因此認為光誘導也可激發VO2薄膜相變。此外，這種材料還可以通過電場和太赫茲場等方式激發相變。

根據在不同激發方式下VO2材料的相變特性，人們利用VO2薄膜材料與微納結構相結合來實現對太赫茲波進行調制。Kim等人[3]制備一個以Au-VO2為圖案層的諧振環（SRR-VO2），通過調節溫度改變VO2內部電導率，同時通過調節SRR間隙等參數來調節太赫茲波透射的諧振頻率，優化后該結構在0.3THz和0.72THz有50%調制效率。為了實現在溫度變化過程中對電導率的精確控制，Karaoglan-Bebek[4]制備了一種在VO2中摻雜金屬元素鎢的薄膜，該薄膜對電場強度調制深度可達65%，相變溫度為40℃。由于熱激發引起的相變速率慢，適合用于設計自動溫控器件。VO2的光激發相變則是一個超快過程，Becker發現利用飛秒激光僅5ps就有相變產生，適合用于設計超快控制器件。如李偉等人[5]實現了在1.15THz處有60%以上調制深度的快速響應太赫茲調制材料，Zhang等人[6]制備了在0.28-0.36THz頻段處超過80%的調制深度的快速響應太赫茲調制材料。不過以上這些調制材料的調制頻率都在1.5THz以下，目前幾個太赫茲以上的快速主動調制材料還鮮有報道。

為了實現對太赫茲更高頻段進行快速調制，本文基于光激發VO2薄膜超快相變特性與人工電磁結構設計相結合的方法，利用時域有限積分法模擬仿真，研究和探索在更高頻段實現快速響應的太赫茲調制材料。

1 二氧化釩材料的介電常數

本文中所使用的二氧化釩材料的電光參數來自文獻[7]。該文獻中，作者在藍寶石晶體上制備了200nm厚VO2薄膜，利用波長為800nm激光激發VO2薄膜，使用太赫茲時域系統探測得到該樣品光激發前后的電磁特性參數，經計算可得到VO2薄膜光激發前后介電常數的實部和虛部，如圖1所示。在絕緣體—金屬相變過程中，透射率隨時間變化逐漸減小，通過對比可看出光激發前后介電常數有著顯著改變。

圖1 VO2薄膜介電常數ε

2 二氧化釩薄膜厚度對調制效果的影響

為了研究VO2薄膜厚度對調制效果的影響，利用上述二氧化釩的介電常數數據設計了如圖2所示的四層方形薄膜疊加構成的周期陣列結構，（a）、（b）分別為樣品的三維圖和側視圖。底層金屬薄膜和頂層圖案層金屬薄膜材料均為金（黃色），厚度分別為d1和d4；第二層材料為高阻硅（藍色），厚度為d2，其介電常數為11.9，電導率為0.00025S/m；在硅膜上沉積第三層厚度為d3的二氧化釩薄膜（紅色）。該樣品的具體尺寸如表1中樣品1所示。

圖2 材料結構

表1 調制材料樣品參數

由于設計的調制材料是相對于x和y軸正交方向的對稱結構，其TE模式和TM模式偏振入射結果相同。太赫茲波垂直入射到調制材料表面，改變樣品1中VO2薄膜厚度（參數d3分別為1、5、10、15、20nm）模擬得到不同厚度條件下該材料在激光激發前后的透射率譜圖。如圖3所示，VO2薄膜厚度的變化將顯著影響某些頻段的透射率。在圖3（a）中2.93THz和3.28THz處透射率隨d3的增加先增大后降低，在d3=5nm時有最高透射率；在圖3（b）中，材料在2.93THz和3.28THz處透射率隨d3得增加而增大，在d3=5nm時有較低透射率。為了定量描述上述因VO2薄膜厚度的變化導致的光激發前后透射率的變化，引入調制深度[8]的概念。這里調制深度定義為( )Tun-T510Tun，其中在光激發前材料的太赫茲波透射率為Tun，激發后材料的太赫茲波透射率為T510。

圖3 模擬計算得到光激發前后VO2薄膜厚度不同條件下通過樣品1的透射率

圖4 VO2薄膜優化厚度（d3=5nm）條件下光激發前后樣品1的太赫茲波透射率

為了方便觀察，將圖3中具有最大調制時對應的VO2薄膜厚度d3=5nm的結果單獨列出進行對比。如圖4所示，計算后可得在2.93THz和3.28THz處調制深度分別為56%和71%。

3 樣品周期結構參數對調制頻率的影響

在保持VO2薄膜厚度d3=5nm的條件下，發現改變周期邊長（參數a）、VO2薄膜邊長（參數b）和底層金屬薄膜邊長（參數e）等樣品的周期陣列結構參數，可以改變材料的調制頻率。通過對參數a、b和e進行優化，我們獲得一個較好調制效果，具體參數如表1中樣品2所示。光激發前后調制結果如圖5所示，可見在2THz和2.69THz處有較高調制，調制深度分別為82%和71%。

圖5 VO2薄膜優化厚度（d3=5nm）條件下光激發前后樣品2的太赫茲波透射率

4 討論

為了進一步理解基于VO2薄膜的上述太赫茲波調制材料的調制特性，仿真了樣品1在光激發前后太赫茲波經過樣品的電場分布。圖6（a）、（b）分別展示了樣品1光激發前和光激發后，在同一相位（Φ=120）、頻率為2.93THz平面太赫茲波經過樣品1的電場分布，其中間位置為樣品，底層為材料金，其上邊在黑色框里為介質層硅，在硅上為VO2薄膜，頂層為材料金。由圖6（a）未受光照激發結果可見，經過樣品1后的透射太赫茲波電場較強，這是由于在室溫無光照激發時VO2薄膜呈絕緣體相，故大部分太赫茲波將透過樣品。由圖6（b）受光照激發后結果可見，透射太赫茲波電場較弱，這是因為當受光照激發時VO2薄膜產生了MIT相變，在相變過程中，VO2電導率快速增加變為金屬相，所以導致大部分THz波被反射。由圖6（a）和6（b）的結果對比可見，正是由于受光激發前后的上述透射率的顯著差異，獲得了在該頻率處的透射率強度的明顯調制。

圖6 VO2薄膜優化厚度（d3=5nm）條件下樣品1在光激發前（a）和激發后（b）的電場分布

5 結論

基于光激發VO2薄膜的絕緣體—金屬相的轉變特性，利用VO2薄膜與人工電磁結構材料相結合來構建太赫茲波調制材料，通過仿真模擬，研究了該材料中VO2薄膜厚度和樣品周期陣列結構參數對于調制效果的影響。發現對于一定結構的樣品，存在一個優化的VO2薄膜厚度，在這個厚度條件下，可在某些頻段獲得較高的調制深度；而在優化后的VO2薄膜厚度條件下，可以通過改變周期性結構參數來進一步改變調制頻率。獲得2個典型樣品：樣品1在2.93THz和3.28THz處有較明顯的調制，其調制深度分別為56%和71%；樣品2在2THz和2.69THz處有明顯調制，調制深度分別為82%和71%。這些結果表明通過改變周期性結構參數可以對透射太赫茲波進行頻率調制。由于光激發VO2薄膜可實現超快相變，這為基于快速主動式太赫茲調制材料的太赫茲器件的實現提供了可行的思路。