二氧化钒辅助可切换多功能超材料器件制造技术

本发明专利技术公开了一种二氧化钒辅助可切换多功能超材料器件。该多功能超材料器件由正方形周期单元结构在平面上按阵列形式连续拼接而成；每个正方形周期单元结构由不同的功能层叠加而组成，从上至下依次是顶部二氧化钒贴片阵列、上层介质层、金属光栅层、二氧化钒薄膜、下层介质层和底部金属层；顶部二氧化钒贴片阵列由四个六边形二氧化钒贴片在上层介质层表面按2

【技术实现步骤摘要】
二氧化钒辅助可切换多功能超材料器件


[0001]本专利技术属于太赫兹波器件领域，具体涉及一种二氧化钒辅助可切换多功能超材料器件。

技术介绍

[0002]太赫兹波在电磁波谱中介于红外光和微波之间，频率在0.1到10THz之间。近年来，太赫兹科学及相关技术发展迅速，在通信、传感、成像和无损检测等领域展现出广阔的应用前景。这些应用不仅需要高效的太赫兹光源，还需要高性能的太赫兹器件。目前，自然界中能够操纵太赫兹波的材料相对稀缺，为了更多地利用太赫兹技术，研究人员开发了自然界中没有的材料—超材料。超材料是人工设计的复合材料，具有人工微结构单元的周期性排列，打破传统材料的边界，能够通过现有技术制造具有新颖功能和更容易制备的电磁功能结构。其在红外成像、滤波器、能量收集、电磁隐身、传感器等领域有着广阔的应用和发展前景，引起了科学界浓厚的兴趣。
[0003]到目前为止，如何在太赫兹范围内通过一个简单的单元结构同时实现高吸收、高偏振转换以及全反射性能的调谐和功能的切换是一个巨大的挑战。目前大多数设计的超材料器件在制造后不易改变尺寸，功能单一，这严重限制了其在太赫兹领域内的应用。为了实现可调性或可重构性，研究人员引入了石墨烯、相变材料等与超材料器件相结合，通过调节电压、温度或光照等外界条件实现超材料器件的调制或功能的转变，为切换和可调制器件的发展提供了一条新的途径。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的问题，并提供一种基于二氧化钒可切换的多功能超材料器件，利用单个超材料结构实现了宽带吸收、偏振转换和全反射的多功能切换，可用于构建太赫兹通信系统、电磁隐身、调制、电磁能量收集等领域。
[0005]本专利技术所采用的具体技术方案如下：
[0006]一种二氧化钒辅助可切换多功能超材料器件，该多功能超材料器件由正方形周期单元结构在平面上按阵列形式连续拼接而成；每个正方形周期单元结构由不同的功能层叠加而组成，从上至下依次是顶部二氧化钒贴片阵列、上层介质层、金属光栅层、二氧化钒薄膜、下层介质层和底部金属层；顶部二氧化钒贴片阵列由四个六边形二氧化钒贴片在上层介质层表面按2
×
2的形式排列而成；所述超材料器件通过改变二氧化钒的相变特性，能够实现宽带吸收器、偏振转换器和全反射三种功能的切换。
[0007]作为优选，所述六边形二氧化钒贴片中，六边形上下两条边的边长相同，均为14～18μm；六边形中除上下两条边之外的其余四条边的边长相同；且上下两条边之间的间距以及左右两个顶点之间的间距相同，均为24～28μm；六边形二氧化钒贴片的材料为二氧化钒，厚度为0.1～0.2μm。
[0008]作为优选，所述上层介质层的材料为聚酰亚胺，厚度为8.5～12.5μm，相对介电常
数为3.1，损耗角为0.05。
[0009]作为优选，所述金属光栅层中具有两条矩形光栅条，矩形光栅条的长度为80～120μm，宽度为25～27μm，矩形光栅条之间的间隙宽度为23～25μm；金属光栅层的材料为金，厚度为0.5～0.7μm，相对介电常数为4.561
×
107S/m。
[0010]作为优选，所述二氧化钒薄膜呈正方形，边长为80～120μm，材料为二氧化钒，厚度为0.1～0.2μm。
[0011]作为优选，所述下层介质层的材料为聚酰亚胺，厚度为8.5～12.5μm，相对介电常数为3.1，损耗角为0.05。
[0012]作为优选，所述底部金属层的材料为不能透过太赫兹波的金属，优选为铜。
[0013]作为优选，所述正方形周期单元结构的平面轮廓呈正方形，边长为80～120μm。
[0014]作为优选，所述超材料器件由正方形周期单元结构连续拼接成长方形或者正方形。
[0015]作为优选，在二氧化钒为金属态时，所述超材料器件作为一个宽带吸收器；在二氧化钒为绝缘态且偏振角为45
°
时，所述超材料器件作为一个偏振转换器，实现不同频段的线极化转换为线极化以及线极化转换为圆极化；在二氧化钒为绝缘态且偏振角为0
°
时，所述超材料器件能够实现全反射。
[0016]本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
[0017]本专利技术所设计的多功能超材料器件能够在单一结构中实现完全不同的功能，以及通过改变二氧化钒的相变特性，能够实现不同功能的转换。本专利技术中，该器件作为偏振转换器具有较高的偏振转换能力，可实现线线极化和线圆极化；该器件在偏振角为0
°
时，可实现全反射；该器件作为一个吸收器时，可实现宽带吸收且吸收带的幅值达90％以上。本专利技术的多功能超材料结构简单紧凑、制造方便、功能可调谐性、成本低，易于实现等优点，还可以使电磁波垂直入射时具有极化不敏感特性。本专利技术提出的多功能器件，当入射角增大时，器件作为吸收器仍能保持良好的性能。
[0018]本专利技术公开的超材料器件是一种集成、超薄的平面器件，不需要改变器件的结构特性，仅仅只需要施加电、磁、光以及温度等激励就能够在单个超材料结构中实现多个功能。因此，本专利技术公开的基于超材料结合相变材料的高效多功能器件，可广泛应用于小型化、集成化系统中，特别是太赫兹通信系统、探测系统之中，能够有效的降低系统体积和重量。本专利技术为未来的太赫兹应用提供了一个广阔的前景。
附图说明
[0019]图1是实施例中基于二氧化钒可切换的多功能超材料器件的阵列结构三维示意图；
[0020]图2是实施例中基于二氧化钒可切换的多功能超材料器件的单元结构顶层俯视图；
[0021]图3是实施例中当电磁波垂直入射时，实施例中基于二氧化钒可切换的多功能超材料作为吸收器时吸收率、交叉极化波的反射、相对阻抗的实部、虚部；
[0022]图4是实施例中当电磁波垂直入射时，实施例中基于二氧化钒可切换的多功能超材料作为吸收器时在不同入射角度下的吸收性能；
[0023]图5是实施例中当电磁波垂直入射时，实施例中基于二氧化钒可切换的多功能超材料作为偏振转换器时椭圆度；
[0024]图6是实施例中当电磁波垂直入射时，实施例中基于二氧化钒可切换的多功能超材料作为偏振转换器时轴比和效率；
[0025]图7是实施例中当电磁波垂直入射时，实施例中基于二氧化钒可切换的多功能超材料作为偏振转换器时偏振转换率；
[0026]图8是实施例中当电磁波垂直入射时，实施例中基于二氧化钒可切换的多功能超材料作为全反射时共极化、交叉极化的反射。
[0027]图中附图标记为：太赫兹波输入端1、太赫兹波输出端2、顶部二氧化钒贴片阵列3、上层介质层4、金属光栅层5、二氧化钒薄膜6、下层介质层7和底部金属层8。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步阐述和说明。本专利技术中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
[0029]在本专利技术的一个较佳实施例中，提供了一种基于二氧化钒可切换的多功能超材料器件，该多功能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种二氧化钒辅助可切换多功能超材料器件，其特征在于，该多功能超材料器件由正方形周期单元结构在平面上按阵列形式连续拼接而成；每个正方形周期单元结构由不同的功能层叠加而组成，从上至下依次是顶部二氧化钒贴片阵列(3)、上层介质层(4)、金属光栅层(5)、二氧化钒薄膜(6)、下层介质层(7)和底部金属层(8)；顶部二氧化钒贴片阵列(3)由四个六边形二氧化钒贴片在上层介质层(4)表面按2
×
2的形式排列而成；所述超材料器件通过改变二氧化钒的相变特性，能够实现宽带吸收器、偏振转换器和全反射三种功能的切换。2.如权利要求1所述的二氧化钒辅助可切换多功能超材料器件，其特征在于，所述六边形二氧化钒贴片中，六边形上下两条边的边长相同，均为14～18μm；六边形中除上下两条边之外的其余四条边的边长相同；且上下两条边之间的间距以及左右两个顶点之间的间距相同，均为24～28μm；六边形二氧化钒贴片的材料为二氧化钒，厚度为0.1～0.2μm。3.如权利要求1所述的二氧化钒辅助可切换多功能超材料器件，其特征在于，所述上层介质层(4)的材料为聚酰亚胺，厚度为8.5～12.5μm，相对介电常数为3.1，损耗角为0.05。4.如权利要求1所述的二氧化钒辅助可切换多功能超材料器件，其特征在于，所述金属光栅层(5)中具有两条矩形光栅条，矩形光栅条的长度为80～120μm，宽度为25～27μm，矩形光栅条之间的间隙宽度为23～25μm；金...

【专利技术属性】
技术研发人员：严德贤，邱宇，李向军，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：