线极化与圆极化波均可吸收的太赫兹超表面

利用VO₂嵌入超表面设计了一种实现不同频率,且线极化和圆极化两种模式入射下均产生高效率吸收的太赫兹超表面.当VO₂为绝缘态时,设计的超表面对圆极化波的旋向产生选择性吸收,在1.30 THz处对左旋圆极化波产生的吸收率大于95%,对右旋圆极化波不吸收,圆二色性为0.85.当VO₂为金属态时,在1.95 THz处,该超表面对TE线极化入射波吸收率达到98.5%.结果表明,在线极化和圆极化波入射下,所设计的超表面结构具有良好的广角吸收性能.由于它具有形态简单、易于加工等特点,在太赫兹波传感、成像和通信领域具有广阔的应用前景.     

基于新型钙钛矿材料的光场调控太赫兹超表面仿真研究

为实现高效太赫兹调控，迫切需要一种高效且成本低的材料。新型钙钛矿材料由于其优异的光电特性，加上钙钛矿制备工艺简单、可大批量生产等优点，非常适合作为太赫兹超材料的活性材料，通过外部激励改变活性材料的属性，可灵活调控太赫兹波。因此，选择新型钙钛矿材料外加光场调控太赫兹，分析在光场作用前(绝缘态)和在光场作用后(金属态)两种状态对单元结构太赫兹宽波段下幅值和相位的影响。设计出光场灵活调控的钙钛矿基1 bit太赫兹编码超表面结构，该结构由有机无机杂化钙钛CH₃NH₃PbI₃(MAPbI₃)、聚酰亚胺和铝构成。通过CST仿真结果显示，该超表面结构在光场的调控下能够实现宽谱(0.1、1、2、6 THz)太赫兹波的180°相位差变化，经过超表面编码结构的设计，同一编码序列实现远场波束的变换。研究结果表明，基于光场操控钙钛矿材料的编码超表面为实现灵活的太赫兹波调控提供了新的思路，在太赫兹通信、安检、生物医学成像等方面具有巨大的应用潜力。     

基于二氧化钒的太赫兹双频多功能编码超表面

提出了一种基于二氧化钒且工作频段可切换的太赫兹编码超表面.该编码超表面由金属-二氧化钒复合层、聚酰亚胺介质层、金属反射层构成,主要通过对顶层双裂环谐振器和十字结构的参数进行设计,获得其所需的性能;而二氧化钒材料的引入,巧妙地使其可工作于双频点,进而实现不同功能的切换.仿真结果表明:当二氧化钒处于绝缘态时,在f₁=0.34 THz的圆极化波垂直入射下,设计的编码超表面可以视为3-bit Pancharatnam-Berry相位编码超表面,通过对单元中双裂环谐振器设计卷积编码序列,使该编码超表面具有以特定角度出射拓扑荷数l=±1涡旋波束的功能;当二氧化钒处于金属态时,在f₂=0.74 THz的正交线极化波垂直入射下,设计的编码超表面可以视为2-bit各向异性编码超表面,通过对单元中十字结构分别设计随机编码序列和棋盘格编码序列,使该编码超表面具有雷达散射截面缩减和波束分束的功能.其可为太赫兹电磁超材料多功能器件的设计提供一定的参考.     

温度电压双可控宽带太赫兹极化转换/吸收超表面

提出了一种基于二氧化钒（VO₂）和石墨烯材料的温度电压双可控宽带极化转换/吸收超表面。通过调控超表面中VO₂和石墨烯的电导特性能够实现对极化转换和吸收功能的控制。结果显示：当VO₂处于金属态且石墨烯处于绝缘态时,超表面工作在宽带极化转换模式,在1.57～2.49 THz范围内可实现线极化转换功能;当VO₂处于绝缘态且石墨烯处于金属态时,超表面的工作状态切换为吸收模式,在1.56～2.99 THz范围内的吸收率均大于90%;极化转换和吸收性能可以分别通过控制VO₂的温度和石墨烯的偏置电压来调控。此外,通过本征模、阻抗匹配理论和电流磁场分布解释了该超表面的工作原理,并讨论了其工作性能在不同结构参数和入射角度下的稳定性。     

基于同一平面Au-VO2谐振器的可切换双功能超表面

本文基于二氧化钒(VO₂)温控相变特性，提出了一种可实现宽带极化转换和宽带吸收的可切换双功能超薄超表面。该超表面由位于同一平面的顶层Au-VO₂谐振器，中间硅(Si)介质层和底层连续金薄膜组成。室温时VO₂处于绝缘态，该超表面可作为宽带极化转换器，在1.76～12.50 THz范围内，极化转换率(PCR)达到90%以上，相对带宽为34.7%，且具有广角度入射的极化转换性能；当温度升高到68^?C时，VO₂处于金属态，超表面可作为宽带吸收器，在1.61～2.65 THz频段吸收率超过90%，相对带宽为48.8%，具有极化不敏感和广角入射的吸收特性。另外，通过本征模分解、电流电场分布以及阻抗匹配理论详细阐释了该超表面的工作机制。本文所提出的超表面仅采用VO₂一种相变材料，极化转换和吸收谐振器位于同一平面，其厚度仅为最小和最大工作波长的1/11和1/16，且具有灵活的可调控特性，可应用于开关、吸收器、极化转换器和隔离器等设备。     

可切换频段的太赫兹编码超表面

依据Pancharatnam-Berry(PB)相位原理提出了一种可切换频段的太赫兹编码超表面,其顶层是金属-二氧化钒（VO2）复合结构层,中间是聚酰亚胺介质层,底部为纯金属反射层。编码超表面单元按不同的编码序列排列构成的编码超表面,可以产生多种太赫兹波束形式,并且随着VO2的相变,可以在不改变原波束形式的情况下实现从单频段到双频段的切换功能。通过设计不同的编码序列,令编码超表面分别产生了涡旋波和散射波,对于垂直入射的右旋圆极化波（左旋圆极化波类似）：当VO2处于绝缘态时,在频段1.17～1.37 THz处可以产生与编码序列所对应的波束形式;当VO2相变为金属态时,在0.87～0.92 THz和1.4～1.6 THz两个不同频段处分别获得与VO2处于绝缘态时相同的波束形式,进一步拓宽波束产生的频段。所提出的编码超表面利用了VO2的相变特性增加了太赫兹工作的频段,为实现频段可切换的太赫兹编码超表面提供了思路,在太赫兹波束调控中的调频方面有一定参考意义。     

太赫兹多波束调控反射编码超表面

已报道的大多数编码超表面仅利用相位或幅度编码进行电磁波调控,限制了太赫兹波调控灵活性.本文提出了一种反射超表面单元,通过相位编码构造超表面,在圆极化波入射下获得反射波束分裂和偏转功能,实现对圆极化波束的灵活调控;同一超表面单元结构利用幅度编码构造超表面在线极化太赫兹波入射下,实现空间成像功能.通过相位编码和幅度编码结合构造超表面,提高了对太赫兹波操控的灵活性,该编码超表面构造思路可以为太赫兹器件设计提供一种全新思路.     

基于VO2和石墨烯实现hBN声子极化激元和自发发射率的主动调谐

鉴于极化激元对介电环境异常敏感的特性,本文中提出了双曲材料六方氮化硼(hBN)和石墨烯与相变材料二氧化钒(VO₂)组成的异质结构,用来研究hBN声子极化激元(PhPs)的主动可调谐性.研究结果表明,通过控制hBN/VO₂异质结构中VO₂相变可实现对hBN PhPs的主动调谐,获得主动可调谐的自发发射(SE)率.当在hBN/VO₂异质结构中添加石墨烯时,会在hBN双曲线带内耦合产生双曲等离子体-声子极化激元(HPPPs),而在双曲线带外产生表面等离子体-声子极化激元(SPPPs),通过控制VO₂相态和调节石墨烯化学势亦可实现石墨烯/hBN/VO₂异质结构的耦合色散及SE率的主动调谐.该研究为使用诸如相变材料和石墨烯等功能材料调谐各向异性光学材料与光的相互作用机制提供了理论指导.     

硅基VO2纳米薄膜光致绝缘体—金属相变的THz时域频谱研究

利用THz时域频谱技术(THz-TDS)研究了硅基二氧化钒(VO₂)纳米薄膜的光致绝缘体—金属相变特性.在连续光激发下前后,观察到了非常明显的THz透过率变化,并通过薄膜近似计算出了THz波段金属态VO₂薄膜的电导率.根据实验结果建立了金属态VO₂薄膜的等效Drude模型,得到了复电导率,复电容率以及复折射率等相关的基本参数,并通过基于时域有限积分法模拟了THz波穿透硅基金属态VO₂薄膜的过程,验证了所建立的模型的正确 关键词： 二氧化钒 光致相变 Drude模型 THz时域频谱技术     

硅基二氧化钒相变薄膜电学特性研究

本文以原子层沉积超薄氧化铝(Al₂ O₃)为过渡层, 采用射频反应磁控溅射法在硅半导体基片上制备了颗粒致密并具有(011)择优取向的二氧化钒(VO₂)薄膜. 该薄膜具有显著的绝缘体–金属相变特性, 相变电阻变化超过3 个数量级, 热滞回线宽度约为6℃. 基于VO₂薄膜构建了平面二端器件并测试了不同温度下I-V曲线, 观测到超过2个数量级的电流跃迁幅度, 显示了优越的电致相变特性. 室温下电致相变阈值电压为8.6 V, 电致相变弛豫电压宽度约0.1 V. 随着温度升高到60℃, 其电致相变所需要的阈值电压减小到2.7 V. 本实验制备的VO₂薄膜在光电存储、开关、太赫兹调控器件中具有广泛的应用价值.     

电磁编码超材料的理论与应用

本文系统地对编码超材料、数字超材料及现场可编程超材料的新进展进行了综述,讨论其对电磁波的实时调控和构造多功能器件的能力。首先,引入1-bit编码超材料,由"0"和"1"两种编码单元构成,分别对应于相位相反的电磁响应。通过控制不同的"0"和"1"编码序列,可以调控电磁波,并实现不同功能。这种1-bit编码超材料可以扩展到2-bit,甚至更高比特。其次,介绍了一种由开关二极管来控制的数字编码超材料,每个编码单元可通过二极管的开和关来获得不同的相位响应,进而获得不同的数字态。结合现场可编程门阵列(FPGA)控制系统,实现了对数字超材料的实时可编程设计,构造出现场可编程超材料。最后,研究了编码超材料对太赫兹波的调控,包括太赫兹波宽带漫散射及其对目标雷达散射截面(RCS)的缩减、各向异性编码超材料对太赫兹波的极化调控和波束调控等。数值仿真和实验测试结果吻合很好,验证了编码超材料的出色性能,展示了编码超材料调控电磁波的多功能性。编码超材料对微波及太赫兹波的实时控制可用于制作波束分离、波束偏折、极化转换等功能器件,也可在宽带范围内有效缩减目标RCS。     

基于编码相位梯度超表面实现太赫兹雷达散射截面缩减

本文设计了一种编码相位梯度超表面,用于实现太赫兹频段的雷达散射截面（RCS）缩减。依据Pancharatnam-Berry(PB)几何相位原理在超表面单元中引入相位梯度,设计出1 bit编码的两个元素“0”和“1”,使得两者的反射相位差接近180°。通过遗传算法得到编码相位梯度超表面中编码元素的最佳排列,实现了太赫兹波宽带RCS缩减。对编码相位梯度超表面进行建模分析,结果表明,在0.87～1.725 THz的宽频段内,设计的1 bit编码相位梯度超表面能实现大于10 dB的RCS缩减,最大缩减值达到31.26 dB。此外,分析了x和y极化波的入射角度变化对编码相位梯度超表面性能的影响,在0°～30°范围内,其性能稳定。以上结果表明,该类超表面在雷达隐身等方面具有潜在的应用价值。     

带宽可调谐的太赫兹超构材料半波片器件

基于二氧化钒(vanadium dioxide, VO₂)的相变原理,提出了一种“树叶型”复合超构材料,能够实现带宽可调谐的半波片功能。VO₂薄膜为绝缘态时,复合超构材料可以看作是空芯“树叶型”金属结构,能够实现双频带的半波片功能。在1.01～1.17 THz和1.47～1.95 THz频带范围内能够将y偏振光转换成x偏振光,偏振转换率大于0.9且平均相对带宽为26%。VO₂薄膜为金属态时,实芯“树叶型”金属结构的超构材料在1.13～2.80 THz范围内能够实现反射型的宽频带半波片功能,相对带宽为85%。利用瞬时表面电流分布和电场理论详细地分析了带宽可调谐半波片器件的工作原理。本文所提出的“树叶型”复合超构材料半波片器件在太赫兹成像、传感和偏振探测等领域具有潜在的应用前景。     

金属Pt薄膜上二氧化钒的制备及其电致相变性能研究

通过引入SiO₂氧化物缓冲层, 在金属Pt电极上利用射频磁控溅射技术成功制备出高质量的VO₂薄膜. 详细研究了SiO₂厚度对VO₂薄膜的晶体结构、微观形貌和绝缘体–金属相变(MIT)性能的影响. 结果表明厚度0.2 μm以上的SiO₂缓冲层能够有效 消除VO₂薄膜与金属薄膜之间的巨大应力, 制备出具有明显相变特性的VO₂薄膜. 当缓冲层达到0.7 μm以上, 获得的薄膜具有明显的(011)晶面择优取向, 表面平整致密, 相变前后电阻率变化达到3个数量级以上. 基于该技术制备了Pt-SiO₂/VO₂-Au三明治结构, 通过在垂直膜面方向施加很小的驱动电压, 观察到明显的阶梯电流跳跃, 证实实现了电致绝缘体–金属相变过程. 该薄膜制备工艺简单, 性能稳定, 器件结构灵活可应用于集成式电控功能器件. 关键词： 二氧化钒薄膜 相变特性 电致相变 阈值电压     

基于空间编码结构光源的2 bit光控可编程太赫兹超表面

设计了一种可由空间编码结构光控制的多功能太赫兹超表面单元，该单元由嵌有光敏半导体材料的金属裂环-二氧化硅介质层-金属底板组成。超表面单元通过结构光源的编码控制光改变单元顶层金属裂环内嵌光敏半导体的电导率来模拟不同形状的C形环，实现了具有2 bit相位编码的光控超表面单元设计。将超表面单元组成阵列，通过编码结构光的空间分布进一步实现了角度可控的异常反射，并获得不同阶数的涡旋波束。所提出的基于空间编码结构光源的新型太赫兹超表面光控方式解决了现有光控超表面功能单一、加工难度大等问题，为光控可编程太赫兹超表面技术发展提供了新的思路。     

VO2金属-绝缘体相变机理的研究进展

VO₂是一种热致相变金属氧化物. 在341 K附近, VO₂发生由低温绝缘体相到高温金属相的可逆转变, 同时伴随着光学、电学和磁学等性质的可逆突变, 这种独特的性质使得VO₂在光电开关材料、智能玻璃、存储介质材料等领域有着广阔的应用前景. 因此, VO₂金属-绝缘体可逆相变一直是人们的研究热点, 但其相变机理至今未有定论. 首先, 简要概述了VO₂相变时晶体结构和能带结构的变化情况: 从晶体结构来讲, 相变前后VO₂从低温时的单斜相VO₂(M)转变为高温稳定的金红石相VO₂(R), 在一定条件下此过程也可能伴随着亚稳态单斜相VO₂(B)与四方相VO₂(A)的产生; 从能带结构来看, VO₂处于低温单斜相时, 其d_//能带和π^*能带之间存在一个禁带, 带宽约为0.7 eV, 费米能级恰好落在禁带之间, 表现出绝缘性, 而在高温金红石相时, 其费米能级落在π^*能带与d_//能带之间的重叠部分, 因此表现出金属导电性. 其次, 着重总结了VO₂相变物理机理的研究现状. 主要包括: 电子关联驱动相变、结构驱动相变以及电子关联和结构共同驱动相变的3种理论体系以及支撑这些理论体系的实验结果. 文献报道争论的焦点在于, VO₂是否是Mott绝缘体以及结构相变与MIT相变是否精确同时发生. 最后, 展望了VO₂材料研究的发展方向.     

光温双控太赫兹波调制特性研究

基于多频带金属开口谐振环结构,利用GaAs材料的光敏特性和VO₂薄膜的热致相变特性,设计了一种既能实现光控又能实现温控的太赫兹(Terahertz, THz)波调制器,研究了光强和薄膜温度对 THz波调制特性的影响。结果表明,随着光强的增加,谐振频率均出现蓝移且谐振强度减小,当光强达到0.2 μJ·cm-2时,第二个谐振点(0.52 THz)蓝移了0.14 THz,透射幅度增加达50%;随着VO₂温度增加至相变温度以上,THz波透射幅度急剧减小,在0.63 THz处透射幅度减小达45.5%;当光强和温度同时控制时,随着光强和温度的增加,谐振点频率蓝移且谐振点处的THz波透射幅度增加,但在温度超过相变温度后,则温度控制起主导作用。设计的THz波调制器能通过光控和温控实现对THz波的明显调制效果,可为实现多功能的THz波功能器件的设计及应用提供参考。     

基于VO2薄膜相变原理的温控太赫兹超材料调制器

利用二氧化钒薄膜绝缘相–金属相的相变特性, 提出了一种基于超材料的温控太赫兹调制器, 研究了相变超材料在太赫兹波段的传输特性和温控可调谐特性. 当入射太赫兹波为水平偏振或垂直偏振状态时, 器件的透过率谱线在1 THz附近呈现出两个独立的、中心频率分别为1.3 THz和1.7 THz、 带宽分别为0.2 THz和0.35 THz的 透射宽带. 当温度从40℃至80℃变化时, 两宽带的透过率发生明显的降低, 在二氧化钒的相变温度(68℃)时尤其灵敏, 对入射光的二种偏振状态, 调制深度均达到60%以上, 实现了良好的调制效果. 关键词： 太赫兹超材料 2薄膜')" href="#">VO₂薄膜 调制器 相变     

纳米VO2/ZnO复合薄膜的热致变色特性研究

为提高VO₂薄膜的热致变色性能,采用纳米结构和复合结构二者相结合的方法,通过磁控溅射技术先在玻璃衬底上制备高(002)取向ZnO薄膜,再在ZnO层上室温沉积钒金属薄膜,最后经热氧化处理获得纳米结构VO₂/ZnO复合薄膜.利用变温拉曼光谱观察分析了VO₂/ZnO薄膜相变前后的晶格畸变和键态的演变过程,讨论了薄膜的结构与热致红外开关特性和相变温度的内在关系.结果显示,与相同条件获得的同厚度的单层VO₂薄膜相比,纳米VO关键词： ZnO 2')" href="#">VO₂ 纳米复合薄膜 热致变色 拉曼光谱     

基于石墨烯的太赫兹波散射可调谐超表面

设计了一个可调谐的太赫兹超表面,由在随机反射超表面基底中嵌入可偏置的双层石墨烯构成,可以实现对太赫兹波散射特性的动态调控.全波仿真试验结果证实了所预期的超表面散射可调性能.通过增大偏置电压提升石墨烯的费米能级,使得该超表面的太赫兹波散射样式从漫反射逐渐向镜面反射过渡,从而实现散射特性的连续调控,且该超表面具有对电磁波极化角度不敏感的特点.这些特性使得该超表面能很好地融合到变化的环境中,在太赫兹隐身方面具有潜在的应用价值.