A onda terahertz (Terahertz, THz) é a frequência na 0,1 ~ 10 THz (comprimento de onda de 30 ~ 3000? M), posicionado entre a onda electromagnética e de ondas milimétricas infravermelho, tendo transitórios (picossegundos), a velocidade, a relação sinal-ruído e alta, com grande potencial para aplicação em alta velocidade de banda larga de comunicações, imagens, armazenamento e outros campos. fonte THz e tecnologia de detecção nos últimos anos tem havido um progresso considerável, mas porque o material tem uma resposta natural a uma falta de ondas THz, como parte das aplicações THz essenciais, o dispositivo tem um THz reguladora de elevada eficiência relativamente escassos.

(Metamaterials,) para o surgimento e desenvolvimento de aplicações de dispositivo de regulação de ideias THz, que é uma concebido artificialmente por novo material, e inclui um negativo materiais constantes dieléctricas geralmente não têm uma permeabilidade negativo e outras propriedades, lata THz em resposta a uma onda forte. Mas para atingir o controle dinâmico das ondas THz, estrutura metamaterial indivíduo, ainda há dificuldades na fabricação, defeitos e pobre tunability. Por material dopado semicondutor, grafeno, filmes finos ferroeltricos, o material supercondutor e o material de mudan de fase em combinação, alterando as propriedades do material e outros incentivos aplicados campo eléctrico ou do laser, pode controlar as características de resposta de frequência da microestrutura artificial, e, assim, realizar as ondas THz controle dinâmico . Nestes métodos, o material semicondutor convencional (silício, GaAs, etc) alterar a concentração de suporte é limitado na excitação, o tempo de reacção é mais lenta, de modo a limitar a profundidade e a taxa de dispositivos de modulação. E os custos de produção de alta qualidade grafeno são relativamente caros, a aplicação prática de uma certa distância. Dois (VO2) durante a fase de transformação devido grandes propriedades de resistência específica, bem como projectar uma mudança de fase de velocidade ultra-rápida, a fim de suportar estes materiais funcionais, e o seu método de preparação convencional (e.g., método sol - gel, uma pulverização por magnetrão método de pulverização, o método de deposição química e deposição por laser pulsado) tem sido mais maduro, e ligando-se mais conveniente metamaterial dispositivo de processamento. Explorar metamateriais e VO2 combinam para produzir eficientes, dinâmicos e terahertz flexível dispositivos funcionais também tem sido uma questão tópico quente. Este artigo apresenta as propriedades de transição de fase de VO2, penteado realizar um trabalho de pesquisa relacionado de THz características de transmissão de onda da transição de fase em filmes de VO2 nos últimos anos, combinados com a mais recente progresso da pesquisa de ondas THz em casa e no exterior para conseguir a regulamentação da revisão de VO2 e metamateriais, e VO2 foram discutidas na banda perspectiva terahertz.

A transição de uma fase VO2

VO2 é um sistema de electrões fortemente correlacionada óxido, os estímulos externos para induzir o metal minuto que é reversivelmente - transição isolador. Desde 1959 MORIN F J relatada pela primeira vez características de transição de fase VO2, os pesquisadores VO2 propriedades do material com base no desempenho em relação a vários estudos, influência e mecanismo de mudança de fase de mudança realizado muito trabalho.

transição de fase induzida termicamente é os primeiros estudos mais, quando a temperatura atingiu 68 , VO2 semicondutor de cristal monoclínico vai fase (M) para a fase tetragonal reversivelmente entre um metal (R) de uma mudança de fase ocorre como mostrado na Fig. 1. E a mudança relatada na resistividade antes e depois de uma mudança de fase até 5 ordens de magnitude , a velocidade de mudança de fase até o fim da sub-ps . E que acompanham as transições de fase, a estrutura cristalina de VO2, o índice de refracção e de susceptibilidade magnética, também irá alterar drasticamente. Além disso, o VO2 excitação do campo eléctrico, excitação laser, excitação ou mais da tensão sob a acção de modo de excitação pode também ser a mudan de fase , que grandemente enriquecido a aplicação de VO2.

VO2 de transição de fase é garantida excelente para a função dinâmica onda THz do dispositivo, mas existem muitos factores que afectam o desempenho da película de mudança de fase. Em que a microestrutura do filme (tamanho de grão, cereais tamanho limite, densidade, etc.) e a composição química são transição chave VO2 fase fina afecta o desempenho de . A mudança pode ser conseguido através da optimização da microestrutura dos parâmetros do processo de filme fino, ajustando desse modo as propriedades de transição de fase. A composição química é também um factor de VO2 propriedades de transição de fase fina, por exemplo, por W, Mo e outros elementos dopados mudança de fase pode reduzir o limiar de excitação, para além disso se encontram a real .

Estudo THz-onda característica de transmissão 2 VO2 filmes finos de mudança de fase

THz transmitância onda mudará com o VO2 resistência varia, e, por conseguinte, o controlo dinâmico de excitação aplicada às ondas THz VO2 característica fina mudança de fase podem ser utilizados de forma eficiente. Desde 2006, JEPSEND PU, etc. Universidade Técnica da Dinamarca que se aproveitam de terahertz espectroscopia de domínio (THz-TDS) testar a transição de fase de VO2 filmes finos induzida em características da banda terahertz quentes, os resultados do teste mostraram que, com VO2 mudança de fase película fina , ondas THz transmitido diminui gradualmente, o que irá ser descrito para modular o comutador de direcção produção THz propagação VO2 THz fina ou semelhante é viável . Em 2008, NAKAJIMA M et al relataram a mudança de fase filme comportamento VO2 óptico ultra ondas THz modulado . Os resultados experimentais mostram que o tempo de transformação VO2 película é de 0,7 ps, a modulação de amplitude pode ser implementado para 40% das ondas THz.

Além de explorar a transição de fase de excitação diferente de VO2, os investigadores, mas também para aumentar a sua proporção antes de mudar a mudança de fase das ondas THz, optimizando a qualidade do filme. 2010, Chen C et al depositado por pulverização catódica um VO2 película fina de alta qualidade , para cada da amplitude de modulação de frequência de ondas THz são maiores do que 80%, a película é excelente no efeito de transição de fase é devido à sua especial estrutura de crescimento epitaxial. Em 2011, Harvard University MANDAL P et al VO2 filmes finos preparados pelo mesmo crescimento epitaxial, para dar cerca de 85% do efeito de interruptor THz . No entanto, tais métodos para a preparação do material requer maior Shiqi Wu et al., As influências da microestrutura VO2 sistema e composição química do seu desempenho de transmissão das ondas THz experimentalmente , VO2 película fina feita de mudança de fase THz ondas percolação: isto é, de baixa pureza devido à falta de regiões de mudança de fase e um furos de película fina, etc., proporcionam uma folga para as ondas THz transmissão de canais de escoamento, resultando na relação de redução ondas THz comutação de película fina. Baseado nesta teoria, a regulação da espessura da película para atingir a microestrutura através nano densificação, pode ser preparado de forma estável ondas finais THz VO2 fina proporção maior de comutação elevada do que 80%, como mostrado na FIG.

Além disso, Zhu et ai HF. 17-18 apresenta um método baseado na combinação de impedância THz transição de fase fina de modulação de amplitude o VO2 (Fig. 3), utilizando um filme de mudança de VO2 em condutividade durante uma mudança de fase, pia ajuste dinâmico ao fundo / filme / ar impedância de interface, para conseguir a profundidade de modulação do estado de impedância VO2 semicondutor de amplitude para um estado elevado para 94,5% da profundidade de modulação de amplitude, e um estado de impedância de correspondência a uma VO2 estado metálico de cerca de 97,6%. Este trabalho fornece uma nova maneira para a regulação dinâmica de THz onda baseado em filmes finos de VO2.

3 Material de VO2 em combinação com o controlo dinâmico para alcançar ondas de super THz

O material de película fina VO2 em combinação com super, pode desempenhar um VO2 filmes finos durante a fase de transição rápida, regulação eficiente e ondas THz transmissão THz características de ressonância onda do metamaterial. Nos últimos anos, os investigadores fizeram muitas tentativas, a combinação proposta de ambos ultra amplitude e fase de modulação, um absorvedor sintonizável, interruptores, e dispositivos de controlo dinâmico outras aplicações THz polarização conversor. Actualmente, VO2 e metamaterials modo de ligação é a unidade principal em conjunto com a estrutura metamaterial VO2, se mais ser discriminado, podem ser divididos em categorias compostas compósitos e incorporados de sobreposição e, além disso, há alguns estudos apresentados directamente para o VO2 material é modelado, a nova configuração metamaterial isento de metais. A seguir irá introduzir esses tipos de situação.

3.1 VO2 e compósito sobreposição meta-prima

Ele refere-se a um compósito sobreposta como uma camada de material dieléctrico por cima uma porção de camada de VO2. Antes da mudança de fase, o estado de semicondutores de VO2 mostrou pouco efeito sobre a transmissão das ondas THz. Após a mudança de fase, VO2 estado metálico eficaz para alcançar blindagem das ondas THz. Assim, tem sido cuidadosamente concebido materiais ultra-estrutural, pode enriquecer as funções de regulação de ondas THz. Em 2009, DRISCOLL T, et ai. , publicado no artigo da ciência, o uso de VO2 material de mudança de fase como o desenho de núcleo do material super-memória, propostos materiais de VO2 de viabilidade utilizados no dispositivo função THz, mostrado na Figura 4. 2018, HU F et al. camada dieléctrica A inserção de película fina VO2 Si3N4, concebido de banda larga intensidade THz modulador é uma operação em um intervalo de frequência baixa e muito baixa corrente. Através da aplicação de uma corrente entre o metal quente óhmica pode causar transição de fase VO2, em 0,5 THz pode ser implementada a uma profundidade de modulação de 99%. Em 2014, grupo de pesquisa Professor Zhang Yaxin em colaboração com a Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia da Universidade de Sichuan grupo de pesquisa Professor Huang Wanxia, com base nas características de VO2 fotoexcitação, uma nova dinâmica ajustável terahertz ressonância dispositivo funcional, mostrada na Figura 5, a frequência de ressonância dupla 0,28 ~ 0,36 THz alcançado entre a banda de passagem, uma profundidade de modulação de 80% . O dispositivo pode proporcionar a 1 MHz, sob o controlo da modulação de laser bomba ultra-rápida velocidade, é actualmente os melhores resultados relatados na arte. Com o aumento da velocidade de modulação, a profundidade de modulação sério declínio e, assim, falhar. Os investigadores acreditam que a película de mudança de fase Responder intervalo de tempo significativo, a mudança de fase que conduz a um tempo de circulação melhorado são aplicadas ao dispositivo de modulação é uma das principais razões para a taxa reduzida.

Além disso, a estrutura de múltiplas camadas da VO2 metamaterial múltiplas camadas são sobrepostas estruturas compostas, podem ser concebidos alguns terahertz novo dispositivo funcional. Quando VO2 uma fase de semicondutores, é uma estrutura de metal implementada principalmente regulação terahertz onda unidade de ressonância, e quando a fase de metal para o VO2 fase, VO2 ou um metal do metal original estado da interagem ressonante ou formar uma nova ressonância câmara, pode alcançar um único dispositivo de estado sólido de uma pluralidade de funções. 2018, LI X K et al VO2 concebido usando absorção e reflexão do estado de um hipersuperfcie comutável . Quando o VO2 num estado de isolamento, hipersuperfcie pode estar na gama de 0,535 ~ 1,3 THz frequência é de 97,2% a absorção de ondas THz; VO2 uma vez aquecida e mudar para um estado totalmente metálico, hipersuperfcie concebido em frequência de 0,5 ~ 1,3 THz mostram a gama de reflexão eficaz. A estrutura proposta irá ser aplicada a uma determinada temperatura e sensores de imagem. Além disso, a camada de ressonância e uma estrutura de metal VO2 intencionalmente sobreposta, Zhao Y et al concebida uma larga comutáveis terahertz fina metamaterials absorvedor , como mostrado na FIG. VO2 de tal modo que a introdução da chave de dissipador de calor estrutural, isto é, 1,12 ~ 1,25 THz THz pode banda larga de absorção é transferido para 0,76 THz ~ 0,86 THz outro absorvedor de banda larga, e a taxa de absorção das duas bandas, alterando a temperatura exceder 90 %, rico dispositivo absorvedor THz funcionalidade.

3,2 VO2 e material ultra-embedded compósito

VO2 com metamaterial composto incorporado refere-se ao material de metal é incorporado na estrutura do ressonador VO2, a porção de concentração do campo eléctrico é, geralmente, utilizando-se assim uma característica de mudança de fase de VO2, aumento ou diminuição do campo eléctrico local, para conseguir a onda terahertz regulamentação. A estrutura pode ser usado o modo FM VO2 incorporado e funções de comutação, 2018, CAI H L et al proposto um híbrido com base no VO2 hipersuperfcie . THz modulação de onda é realizada pelo VO2 folga material embutido duas assimétrica ressonador anel dividido, a configuração absoluta de uma profundidade de modulação de 54%. A estrutura para alcançar o tempo de comutação de 2,2 s e a um gatilho eléctrico e fornece modulação ultra-rápido dentro de 30 ps a excitação por impulsos laser de fem. Este estudo fornece directrizes para o estudo de comutadores controlados electricamente e ultra-rápidos terahertz dispositivos ópticos terahertz e semelhantes. 2019, Universidade de Nanjing propôs uma estrutura de duas virada para fora a partir da abertura da estrutura de metal com uma matriz periódica dos calços que consistem de VO2. Esta estrutura pode ser utilizada processo de handover VO2 para realizar a alteração na condutividade do modo de modificação de fase de ressonância. Além disso, com base na estimulação do calor, luz e energia eléctrica, esta experiência mostra que o fenómeno de mudança de modo . Esta estimulação de estrutura de comutação de modo de ressonância diferente é útil para a manipulação das ondas THz em aplicações práticas.

Além disso, com base nas frequências de metamaterial VO2 THz pode também ser implementado no controle de fase e a conversão de polarização. 2018, Nouman M T et al proposto de super superfície VO2 com base em modulação de fase e THz polarização. Estrutura composta de grade de metal misto e película VO2. Ao variar o tamanho da corrente de polarização de entrada para conseguir uma frequência de ressonância de 0,52 THz ~ 0,37 THz mover-se de. Esta mudança de frequência causadas pelo incidente mudança de fase de campo polarizado-y de 64 °. Além disso, com as características ópticas de VO2 de mudança de fase, UESTC Zhangya Xin et al VO2 inserção de película terá Metamaterial conceber uma única estrutura VO2 composição aninhados , como se mostra na FIG 7 (a) mostrado na FIG. Ao controlar a energia de um laser externo, para conseguir um deslocamento de fase de cerca de 0,6 THz, e dentro de 575 ~ 630 GHz da largura de banda, para alcançar um mais do que 130 ° a fase do controlo dinâmico onda terahertz. Esta tecnologia de modulação de mudança de fase tem perspectiva ampla aplicação no campo da imagiologia THz e comunicações.

2018, Zheng X X et al proposto metamaterial contendo conversor VO2 fina polarização THz, a Fig. 7 (c) ~ Fig. 7 (d) mostrado na FIG. Esta estrutura permite que mais de 90% da taxa de conversão de polarização de banda larga (PCR) a 4,95 ~ 9,39 THz, e 98,9% mais elevada do que pode ser obtido efeito de conversão de polarização para os três picos. O conversor pode ser utilizado para desenvolver os meios de polarização e o sensor de temperatura .

3.3 todos dieléctrico estrutura VO2 metamaterial

A maioria dos estudos apresentados VO2 refere-se a uma estrutura compósita com o complexo de metal de criação de micro-arquitectura meta-material e de processamento, camadas de metal adicionais pode também conduzir à absorção das ondas THz e a perda de energia da dispersão e semelhantes. Recentemente, há poucos estudos sobre proposto filme VO2 material super all-dielétrico. Por exemplo, em 2010, a indústria UESTC Toki et al descreveram pela primeira vez o filme fino VO2 é modelado para formar um agregado periódico de metamaterial célula topo. VO2 usando a transição de fase pode ser obtida uma modulação de amplitude de 65% a 0,6 THz . 2019, Liu H et al proposto estrutura VO2 sintonizável THz elemento funcional , como mostrado na FIG. A uma baixa temperatura, a estrutura de absorção de ondas de baixa incidente THz. No entanto, medida que a temperatura aumenta de 50 ° C.] C a 70 , VO2 filme isolador gradualmente a partir de uma fase de metal, desta vez, a estrutura proposta é gradualmente transformada em um absorvedor THz banda larga, cerca de 2,0 THz é obtido numa gama de frequências contínua largura de banda de absorção elevada (superior a 80%). Em outro regulamento calor absorvedor de uma ampla gama de flexibilidade tal, não é fácil de conseguir.

4 Conclusão

A condutividade da fase de material de mudança de VO2 mutações características na região de THz das características de resposta rápidos torná-lo mostram grande potencial nas ondas THz dispositivo de controlo dinâmico. Mas ainda há muitas questões que precisam de mais estudos. Em primeiro lugar, a qualidade do VO2 material de película fina é a base para a sua aplicação na região de THz, o desenvolvimento do processo de fabrico mais eficiente e estável permanece um desafio. Em segundo lugar, embora a velocidade teórica de transição VO2 fase na ordem de PS, mas a velocidade de resposta do dispositivo funcional relacionado THz actualmente desenvolvido bem abaixo do valor teórico. Estudos de acompanhamento devem abandonar gradualmente mecanismo de material de mudança, design otimização estrutural e outras pesquisas e tentar melhorá-lo. Além disso, as características complexas da estrutura composta metamaterial VO2- envolve complexo projeto da estrutura metamaterial, ele vai trazer alguns desafios tecnologia micro-fabricação.

Referências

CUI T, BAI B, SUN H.Tunable metasurfaces baseado em materiais ativos .Advanced Functioniona Materiais, 2019,29 (10): 1.806.692.

MORIN F J.Oxides que mostram uma transição metal-isolador à temperatura Neel .Physical Review Letters, 1959,3 (1): 34-36.

QAZIBASH H H, H BREHM, CHAE B, et al.Mott transição em VO2 revelado por espectroscopia de infravermelho e nanoimaging .A ciência, 2007,318 (5857): 1750-1753.

Lysenko S, VIKHNIN V, FERNANDEZ F, et transição de fase al.Photoin-duzido isolador-metal em filmes cristalinos VO2 e modelo de susceptibilidade dieléctrico .Physical Review B, 2007,75 (7): 075109.

LEE J S, ORTOLANI H, SCHADE L, detecção et al.Microspectro-escópico de áreas condutoras locais gerados por transição de fase eléctrica induzida por pulsos em filmes de VO2 .Applied Física letra, 2007,91 (13): 133509.

SHAO Z, X CAO, Luo H, et al.Recent progresso no mecanismo de transição de fase e a modulação de materiais de dióxido de vanádio .NPG ÁSIA Materiais, 2018,10: 581-605.

Processo F C.Modifications nas propriedades de transição de fase de filmes pré-depositado de VO2 .Journal de Aspiração Ciência e Tecnologia A: Vacuum, Superfícies, e Films, 1984,2 (4): 1509-1512.

JI C, WU Z, X WU et al.Optimization de propriedades de transição de fase de metal-a-isolador em filmes de VO2 policristalinos para aplicações terahertz modulação por dopagem .Journal de Física Química C, 2018,6 (7): 1.722-1.730.

MAI G Q, B HU, HU T, et al.Electrical propriedade de conjunto de película nanofio VO2 Mo-dopado pelo método de sol-gel de fusão-quenching .Journal de Física Química B, 2006,110 (39): 19083-19086.

JEPSEN P L, FISCHER B M, Thoman A, et transição de fase al.Metal-isolador em um filme fino VO2 observado com terahertz espectroscopia .Physical Review B, 2006,74 (20): 205103.

NAKAJIMA H, TAKUBO N, Z Hiroi, et al.Photoinduced estado metálico no VO2 provado pelo terahertz espectroscopia de bomba-sonda .Applied Physics Letters, 2008,92 (1): 011907.

CHEN C, Zhu Y, Zhao Y, et al.VO2 multidomínio crescimento hete-roepitaxial e terahertz modulação de transmissão .Applied Physics Letters, 2010,97 (21): 211905.

MANDAL P, Speck A, KO C, et estudos al.Terahertz espectroscopia no epitaxial de dióxido de vanádio filmes finos de todo o metal de transição isolador .Optics Letters, 2011,36 (10): 1927-1929.

SHI Q W, Huang W, LU T, et al.Nanostructured VO2film com alta transparência e melhorado de comutação em relação gama THz .Applied Physics Letters, 2014,104 (7): 071903.

SHI Q W, Huang W X, Xu Y J, et al.Synthesis e transmissão terahertz propriedades de filmes de dióxido de vanádio nano-porosa .Journal of Physics D: Applied Physics, 2012,45 (38): 385302.

SHI Q, Huang W, Zhang Y, et al.Giant propriedades de transição de fase na gama de terahertz em filmes de VO2 depositado pelo método de sol-gel .ACS Applied Materials & Interfaces, 2011,3 (9): 3523-3527.

ZHU H F, J LI, Zhong S, et al.Continuously sintonizando a adaptação de impedância na gama de frequências de banda larga em terahertz película fina VO2 .Optical Materiais Express, 2019,9 (1): 315-329.

ZHU H F, G DU H, J LI, et al.Near-perfeito modulação de amplitude da onda de terahertz activado por combinação de impedância em filmes finos de VO2 .Applied Physics Letters, 2018,112 (8): 081103.

DRISCOLL t, PALIT S, QAZILBASH M M, et al.Dynamic sintonização de um híbrido de ressonância-metamaterial infravermelho utilizando o dióxido de vanádio .Applied Physics Letters, 2008,93 (2): 024101.

HU F, LI Y, Xu X, et al.Broadband grande profundidade da modulação terahertz modulador de intensidade de corrente baixa-desencadeada com base em VO2 incorporado metamaterials híbridos .Applied Física Express, 2018,11 (9): 092.004.

Zhang Y, QIAO S, dom G, et al.Photoinduced metamaterials terahertz activos com película de dióxido de vanádio nanoestruturada depositado pelo método de sol-gel .Optics Express, 2014,22 (9): 11070-11078.

LI X F, S TANG, Ding F, et al.Switchable multifuncional terahertz metasurfaces empregando vanádio dióxido .Scientific Reports, 2019,9 (1): 5454.

ZHAO Y, Huang Q, CAI H, et al.a banda larga e absorvedor perfeito à base de VO2 comutável à frequência THz .Optics Communications, 2018.426: 443-449.

CAI H L, Chen S, Zou C, et al.Multifunctional metasurfaces híbridos para a afinação dinâmica de ondas terahertz .Advanced Optical Materials, 2018,6 (14): 1.800.257.

ZHANG C, Zhou L, WU J, et controlo al.Active de terahertz ondas usando teriais metama-vanádio-dióxido incorporado .Physical avaliação Aplicada, 2019,11 (5): 054016.

Nouman M T, HWANG J H, Faiyaz M, et al.Vanadium filtros sintonizáveis frequência metasurface dióxido de base para a realização de fase óptica terahertz reconfigurável e controle de polarização .Optics Express, 2018,26 (10): 12922-12929.

ZHAO Y, Zhang Y X, SHI Q, et al.Dynamic controlo do grande deslocamento de fase de ondas duzido-photoin via terahertz vanádio nanoestruturas de acoplamento dióxido .ACS Photonics, 2018,5 (8): 3040-3050.

ZHENG X X, Xiao Z, Ling X.A híbrido sintonizável metamaterial reflexivo polarização conversor com base na película de óxido de vanádio .Plasmonics, 2018,13 (1): 287-291.

Q WEN Y., Zhang H W, Yang Q H, et al.Terahertz metamaterials com VO2 cut-fios para tunability térmica .Applied Physics Letters, 2010,97 (2): 021111.

LIU H, Wang Z H, LI L, et al.Vanadium-dióxido assistida banda larga sintonizável terahertz metamaterial absorvedor .Scientific Reports, 2019,9 (1): 5751.

Informação sobre o autor:

Way - luz, Peng Bo, Huang Wanxia, Shiqi Wu

(Escola de Ciência dos Materiais e Engenharia da Universidade de Sichuan, Chengdu 610064)