L'onde térahertz (THz, THz) est la fréquence de la 0,1 ~ 10 THz (longueur d'onde de 30 ~ 3000 pm), positionnée entre l'onde électromagnétique et à ondes millimétriques infrarouge, ayant transitoires (picosecondes), la vitesse, rapport signal sur bruit et haute, avec un grand potentiel pour des applications dans les communications à large bande à grande vitesse, l'imagerie, le stockage, et d'autres domaines. source THz et de la technologie de détection au cours des dernières années a fait des progrès considérables, mais parce que le matériau a une réponse naturelle à un manque d'ondes THz, dans le cadre des applications THz essentielles, le dispositif a une THz réglementaire à haut rendement relativement rare.
(métamatériaux,) pour l'émergence et le développement d'applications d'idées dispositif de régulation THz, qui est un conçu artificiellement par de nouveaux matériaux, et comprend un des matériaux de constante diélectrique négative ont généralement pas une perméabilité négative et d'autres propriétés, peut THz en réponse à une forte vague. Mais pour obtenir un contrôle dynamique des ondes THz, la structure métamatériau individuelle, il y a encore des difficultés dans la fabrication, les défauts et les pauvres accordabilité. Par matériau semi-conducteur dopé, le graphène, films minces ferroélectriques, la matière supraconductrice et le matériau à changement de phase en combinaison, en changeant les propriétés du matériau et d'autres incitations appliquées champ électrique ou laser, on peut contrôler les caractéristiques de réponse en fréquence de la microstructure artificielle, et donc de réaliser les ondes THz contrôle dynamique . Dans ces procédés, le matériau semi-conducteur classique (de silicium, GaAs, etc.) modifier la concentration de porteurs est limité dans l'excitation, le temps de réaction est plus lente, de manière à limiter la profondeur et la vitesse de dispositifs de modulation. Et les coûts de production de graphène de haute qualité sont relativement chers, l'application pratique d'une certaine distance. Deux (de VO2) au cours de la transformation de phase en raison de grandes propriétés de résistance spécifique ainsi que la projection d'un changement de phase ultrarapide vitesse, afin de tenir ces matériaux fonctionnels, et son procédé de préparation classique (par exemple, procédé sol - gel, d'une pulvérisation cathodique à magnétron procédé de pulvérisation cathodique, un procédé de dépôt chimique et de dépôt par laser pulsé) a été plus mature, et plus dispositif de traitement de liaison métamatériau pratique. Explorez métamatériaux et VO2 se combinent pour produire des dispositifs efficaces, fonctionnels dynamiques et flexibles térahertz a également été un problème de sujet brûlant. Ce document présente les propriétés de transition de phase de VO2, transport peignés travaux de recherche connexes des caractéristiques de transmission des ondes THz de la transition de phase dans les films VO2 au cours des dernières années, combinée avec les derniers progrès de la recherche des ondes THz à la maison et à l'étranger pour obtenir le règlement de l'examen de VO2 et métamatériaux, et VO2 ont été discutées à la bande perspective térahertz.
La transition de la phase 1 VO2
VO2 est un oxyde système d'électrons fortement corrélés, des stimuli externes pour induire le métal de minute qui est réversible - transition de l'isolateur. Depuis 1959 MORIN F J d'abord rapporté des caractéristiques de transition de phase VO2, les chercheurs VO2 propriétés des matériaux en fonction des performances par rapport à diverses études, l'influence et le mécanisme de changement de phase de changement effectué beaucoup de travail.
transition de phase induite par la chaleur est la plus premières études, lorsque la température a atteint 68 , le cristal semi-conducteur de VO2 sera phase monoclinique (M) à la phase tétragonale de manière réversible entre un métal (R) d'un changement de phase se produit comme représenté sur la. figure 1. Et le changement de résistivité rapportée avant et après un changement de phase jusqu'à 5 ordres de grandeur , la vitesse de changement de phase à l'ordre du sous-ps . Et les transitions de phase d'accompagnement, structure cristalline de VO2, l'indice de réfraction et la susceptibilité magnétique, changeront aussi fortement. De plus, l'excitation VO2 de champ électrique, une excitation laser, l'excitation ou plus de la contrainte sous l'action du mode d'excitation peut également être le changement de phase , ce qui a grandement enrichi l'application de VO2.
VO2 excellente transition de phase est garantie pour la fonction dynamique d'onde THz du dispositif, mais il y a beaucoup de facteurs qui influent sur la performance du film de changement de phase. Dans lequel la microstructure de film (taille du grain, la taille limite des grains, la densité, etc.) et la composition chimique sont transition clé de phase mince VO2 affecte les performances de . Le changement peut être réalisé par l'optimisation de la microstructure des paramètres minces de traitement de film, ajustant ainsi les propriétés de transition de phase. La composition chimique est une des propriétés de transition de phase mince facteur de VO2, par exemple en W, Mo et d'autres éléments dopés à changement de phase peut réduire le seuil d'excitation, afin de répondre en outre la réelle .
Etude caractéristique de transmission à ondes THz 2 VO2 films minces de changement de phase
THz facteur de transmission d'onde change avec la résistance varie VO2, et donc l'excitation de commande de dynamique appliquée aux ondes THz VO2 fonction mince à changement de phase peut être utilisé efficacement. Depuis 2006, JEPSEND PU, etc. Université technique du Danemark qui profitent de térahertz spectroscopie de domaine (THz-TDS) tester les couches minces de VO2 transition de phase induite dans les caractéristiques de la bande térahertz chaud, les résultats des tests ont montré que le changement de phase de film mince VO2 , les ondes THz transmis diminue progressivement, ce qui sera décrit pour moduler le commutateur de sens de production de propagation THz mince VO2 THz ou similaire est réalisable . En 2008, M NAKAJIMA et al ont rapporté le film comportement optique à changement de phase VO2 ultrarapide ondes THz modulé . Les résultats expérimentaux montrent que le temps de transformation d'un film de VO2 est de 0,7 ps, la modulation d'amplitude peut être mise en uvre à 40% des ondes THz.
En plus d'explorer les différentes transitions de phase d'excitation de VO2, les chercheurs, mais également à augmenter le ratio de commutation avant le changement de phase des ondes THz en optimisant la qualité du film. 2010, CHEN C et al déposée par pulvérisation magnétron d'une couche mince de haute qualité VO2 , pour chacune de l'amplitude de la modulation de fréquence des ondes THz sont supérieures à 80%, le film est excellent en termes de l'effet de transition de phase est en raison de son extraordinaire structure de croissance épitaxiale. En 2011, l'Université de Harvard MANDAL P et al VO2 minces films préparés par la même croissance épitaxiale, pour obtenir environ 85% de l'effet de l'interrupteur THz . Cependant, de tels procédés pour la préparation de la matière l'exige. Ultérieure Shiqi Wu et al, Les influences de la microstructure de VO2 du système et la composition chimique de la performance de transmission des ondes THz expérimentalement , film mince VO2 faits de changement de phase THz ondes percolation: à savoir une faible pureté due à aucune région à changement de phase et un des trous de film mince, etc. fournir un espace pour la transmission canaux d'écoulement ondes THz, résultant en un rapport de réduction des ondes THz de commutation de film mince. Sur la base de cette théorie, la régulation de l'épaisseur du film pour obtenir la microstructure à travers nano densification, peut être préparé de manière stable ondes THz finales VO2 rapport mince commutation élevée supérieure à 80%, comme le montre la Fig.
En outre, ZHU HF et al. présente une méthode basée sur une modulation d'amplitude THz adaptation d'impédance VO2 transition mince de phase (fig. 3), en utilisant un changement de film de VO2 de conductivité lors d'un changement de phase, d'un évier de réglage dynamique vers le bas / film / air impédance d'interface, pour atteindre la profondeur de modulation d'amplitude état d'impédance à semi-conducteur de VO2 à un état haut à 94,5% de la profondeur de modulation d'amplitude, et un état d'adaptation d'impédance à un état métallique VO2 d'environ 97,6%. Ce travail fournit une nouvelle façon pour la régulation dynamique de THz ondulatoires basés sur des films minces VO2.
3 VO2 matériau en combinaison avec le contrôle dynamique pour atteindre super-ondes THz
Le VO2 mince matériau de film en combinaison avec des super, peut jouer un VO2 couches minces lors de la transition de phase rapide, la régulation efficace et transmettant les ondes THz THz caractéristiques de résonance d'onde de la métamatériau. Ces dernières années, les chercheurs ont fait beaucoup de tentatives, la combinaison proposée à la fois l'amplitude et modulation de phase ultra-rapide, un absorbeur accordable, commutateurs et autres applications convertisseur de polarisation THz dispositifs de contrôle de la dynamique. À l'heure actuelle, le mode de liaison VO2 et métamatériaux est l'unité principale en liaison avec la structure de VO2 métamatériau, si plus être en panne, peut être divisé en catégories composites overlay et intégrés composites, en plus, il existe peu d'études présentées directement à la VO2 la matière est configurée, la configuration exempte de métal nouveau métamatériau. Ce qui suit présentera ces types de situations.
3,1 VO2 et composite superposition de méta-matériau
Elle se réfère à un composite superposé en tant que couche de matériau diélectrique sur une partie de la couche de VO2. Avant le changement de phase, l'état de semi-conducteurs de VO2 a montré peu d'effet sur la transmission des ondes THz. Après le changement de phase, l'état métallique VO2 efficace pour réaliser un blindage des ondes THz. Ainsi, il a été soigneusement conçu des matériaux ultra-structure, peuvent enrichir les fonctions de régulation des ondes THz. En 2009, DRISCOLL T, et al. , publié dans l'article Science, l'utilisation d'un matériau à changement de phase VO2 que la conception de base du matériau à mémoire de super faisabilité proposées matériaux de VO2 utilisés dans l'appareil de fonction THz, représenté sur la figure 4. 2018, HU F et al. La VO2 mince insertion de film diélectrique de couche, conçu modulateur d'intensité THz à large bande est une exploitation dans une plage de fréquences basses et très faible courant. En appliquant un courant à travers le métal chaud ohmique peut provoquer une transition de phase VO2, à 0,5 THz peut être mis en oeuvre à une profondeur de modulation de 99%. En 2014, le groupe de recherche Professeur Zhang Yaxin en collaboration avec l'Université des sciences et la technologie, l'Université du Sichuan groupe de recherche Professeur Huang Wanxia, en fonction des caractéristiques de VO2 photoexcitation, un nouveau dispositif fonctionnel résonance térahertz ajustable dynamique, illustré à la figure 5, la double fréquence de résonance 0,28 ~ 0,36 THz réalisée entre la bande passante, une profondeur de modulation de 80% . Le dispositif peut fournir le 1 MHz sous le contrôle de la modulation de laser de pompage vitesse ultra-rapide, est actuellement les meilleurs résultats rapportés dans l'art. Avec l'augmentation de la vitesse de modulation, la profondeur de modulation grave déclin, et ne parviennent donc. Les chercheurs pensent que le film de changement de phase Répondre retard important, changement de phase conduisant à un temps de circulation amélioré sont appliqués au dispositif de modulation est une raison principale pour le taux réduit.
En outre, la structure multicouche de la VO2 métamatériau multicouche sont superposées des structures composites, peuvent être mis au point un nouveau dispositif térahertz fonctionnel. Lorsque VO2 une phase semi-conductrice est une structure métallique régulation mis en oeuvre principalement d'onde térahertz unité de résonance, et lorsque la phase métallique à la phase VO2, VO2 ou un métal du métal d'origine de l'état de résonance ou interagissent former une nouvelle résonance chambre, peut réaliser un dispositif à semi-conducteur unique d'une pluralité de fonctions. 2018, Li x K et al VO2 conçu en utilisant l'absorption et l'état de réflexion d'une hypersurface commutable . Lorsque le VO2 dans un état d'isolation, hypersurface peut être dans la gamme de fréquence de 0,535 ~ 1,3 THz est l'absorption de 97,2% des ondes THz, une fois VO2 chauffé et le passage à un état entièrement métallique, conçu hypersurface dans 0,5 ~ 1,3 fréquence THz montrer la gamme de réflexion efficace. La structure proposée sera appliquée à un certain capteurs de température et de l'imagerie. En outre, la couche de résonance et une structure métallique VO2 intentionnellement superposées, Y ZHAO et al conçu un absorbeur commutables terahertz mince large bande métamatériaux, comme représenté sur la Fig. VO2 de telle sorte que l'introduction de l'interrupteur de dissipateur structurel de chaleur, à savoir 1,12 THz ~ 1,25 THz peut à large bande d'absorption est commuté à 0,76 THz ~ 0,86 THz un autre absorbeur à large bande, et la vitesse d'absorption à partir des deux bandes en changeant la température dépasse 90 %, la fonctionnalité riche dispositif d'absorption d'THz.
3,2 VO2 et un matériau composite ultra-embedded
VO2 avec métamatériau composite intégré se réfère à la matière métallique est incorporée dans la structure de résonateur VO2, la partie de concentration de champ électrique est généralement, en utilisant de ce fait une caractéristique de changement de phase de VO2, augmenter ou diminuer le champ électrique local, pour réaliser l'onde térahertz la réglementation. La structure peut être utilisée en mode FM intégré de VO2 et les fonctions de commutation, 2018, CAI H L et al proposé un hybride sur la base du VO2 hypersurface . THz modulation d'onde est réalisée par la réaction de VO2 matériau noyé deux résonateur à anneau fendu asymétrique, la configuration absolue d'une profondeur de modulation de 54%. La structure pour atteindre le temps de commutation de 2,2 s à un déclencheur électrique et fournit une modulation ultra-rapide à moins de 30 ps à excitation par impulsions femtoseconde. Cette étude fournit des directives pour l'étude des interrupteurs commandés électriquement et des dispositifs optiques ultra-rapides terahertz térahertz et analogues. 2019, University Nanjing a proposé une structure de deux opposée à l'ouverture de la structure métallique avec un réseau périodique de cales constituées de VO2. Cette structure peut être utilisée processus de transfert VO2, pour réaliser la variation de la conductivité du mode de résonance à changement de phase. De plus, en fonction de la stimulation de la chaleur, la lumière et l'électricité, cette expérience montre que le phénomène de commutation de mode . Cette stimulation de structure différente de commutation de mode de résonance est utile pour manipuler les ondes THz dans des applications pratiques.
En outre, sur la base des fréquences métamatériaux VO2 THz peuvent également être mis en uvre dans le contrôle de phase et de conversion de polarisation. 2018, nouman M T et al ont proposé surface super- VO2 basé sur THz modulation et de polarisation de phase. Structure de réseau de diffraction composé métallique mixte et un film VO2. En faisant varier la taille du courant de polarisation d'entrée pour obtenir une fréquence de résonance de 0,52 THz ~ 0,37 THz passer de. Ce décalage de fréquence provoqué par la phase de terrain incidente polarisée y-changement de 64 °. En outre, avec les optiques à changement de phase caractéristiques de VO2, UESTC Zhangya Xin et al VO2 insert de film métamatériau concevoir une structure composite unique imbriquée VO2 , comme le montre la figure 7 (a) représenté sur la Fig. En contrôlant la puissance d'un laser externe, pour obtenir un décalage de phase de près de 0,6 THz, et à l'intérieur de 575 ~ 630 GHz de bande passante, pour parvenir à une plus de 130 ° la phase de la commande de dynamique de l'onde térahertz. Cette technologie de modulation par déplacement de phase a une large possibilité d'application dans le domaine de l'imagerie THz et de communication.
2018, ZHENG X X et al ont proposé métamatériau contenant convertisseur de polarisation mince THz de VO2,. La figure 7 (c) ~. La figure 7 (d) représenté sur la Fig. Cette structure permet à plus de 90% du taux de conversion de polarisation à large bande (PCR) à 4,95 ~ 9,39 THz, et 98,9% de plus que l'on peut obtenir l'effet de conversion de polarisation au niveau des trois sommets. Le convertisseur peut être utilisé pour développer les moyens de polarisation et le capteur de température .
3.3 toute la structure diélectrique métamatériau VO2
La plupart des études présentées VO2 concerne une structure composite avec la conception de micro-architecture complexe métal méta-matériau et de traitement, des couches métalliques supplémentaires peuvent également conduire à l'absorption des ondes THz et la perte d'énergie de la dispersion et analogues. Récemment, il y a peu d'études sur film VO2 matériel proposé super tout diélectrique. Par exemple, en 2010, l'industrie UESTC Toki et al décrit la première fois le film mince VO2 est modelée pour former un réseau périodique de métamatériaux de cellules souche. VO2 utilisant la transition de phase peut être obtenue par modulation d'amplitude de 65% à 0,6 THz . 2019, LIU H et al ont proposé la structure VO2 accordable THz élément fonctionnel , comme représenté sur la Fig. À basse température, la structure de faible absorption des ondes THz incidente. Cependant, lorsque la température augmente de 50 °.] C à 70 , le film isolant VO2 progressivement à partir d'une phase métallique, cette fois, la structure proposée se transforme progressivement en un absorbeur d'THz à large bande, environ 2,0 THz est obtenu dans une plage de fréquences continue la largeur de bande d'absorption élevée (supérieure à 80%). Dans d'autres la régulation thermique d'absorption d'une telle gamme de flexibilité n'est pas facile à réaliser.
4 Conclusion
La conductivité des mutations matériau à changement de phase de VO2 caractéristiques de la région THz des caractéristiques de réponse rapide font montre un grand potentiel dans les ondes THz dispositif de contrôle dynamique. Mais il y a encore beaucoup de questions qui ont besoin d'une étude plus approfondie. Tout d'abord, la qualité du matériau en film mince VO2 est la base de son application dans la région THz, le développement de procédés de fabrication plus efficace et stable restent difficiles. En second lieu, bien que la vitesse théorique de transition de phase VO2 de l'ordre de PS, mais actuellement développé vitesse de réponse du dispositif fonctionnel lié THz bien inférieur à la valeur théorique. Des études de suivi devraient changement de phase mécanisme de matériaux, la conception d'optimisation structurelle et d'autres recherches et essayer de l'améliorer. De plus, les caractéristiques complexes de la structure composite VO2- métamatériau comprend la conception de la structure métamatériau complexe, il apportera des défis de la technologie micro-fabrication.
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Informations sur l'auteur:
Way - la lumière, Peng Bo, Huang Wanxia, Shiqi Wu
(School of Materials Science and Engineering, Université du Sichuan, Chengdu 610064)
