【技术实现步骤摘要】
太赫兹双功能可切换表面等离激元，特别涉及通过改变非易失性相变材料ge2sb2te5(gst)的晶态来实现太赫兹自旋依赖的定向平面波表面等离激元(surfaceplasmons,sps)耦合器和定向sps菲涅耳波带片的相互切换。
技术介绍
1、sps是一种存在于介质和金属交界面的特殊的表面电磁波，在外界电磁波的激发下，金属中的自由电子发生集体振荡，导致电子密度发生涨落，从而形成一种沿金属和介质交界面传播的表面电磁波。在过去的二十年中，sps在各种应用中显示出巨大的潜力，如超强光透射[1,2]，高分辨率和高灵敏度成像[3,4]，生化传感[5,6]和集成等离子体电路[7]等。超表面是由周期微结构组成的二维表面，它在操纵自由空间光方面表现出前所未有的能力，包括相位[8-11]、振幅[12]和偏振[13-15]，从而能够设计复杂的光传播行为和相关器件[16-18]。最近的研究表明，这种高自由度调控也可以引入到sp体系中[19]。
2、到目前为止，已经有各种基于超表面的sps器件被研制出来，包括定向和非对称sps耦合器[20]，sps涡旋发生器和干涉仪[21-23]，以及sps全息图[24]等。然而，它们大多以被动方式工作，阻碍了它们在现代化可调片上系统的应用。克服这个缺陷的最吸引人的方法之一就是引用自由空间光调控的方法，将功能材料集成到超表面上。如vo2[25-27]、石墨烯[28,29]、高电子迁移率晶体管[30]、引用液晶[31]等，通过电导率和折射率的变化来调节结构的共振响应。然而，这些材料需要持续的外界激励来保持其性能
3、最近，一种新型相变材料gst表现出独特的可重构和非易失性的特性，在实现有源相变材料的应用方面引起了越来越多的关注。可以通过加热[33]、激光照射[34]、施加偏置电压[35]等多种途径控制状态，适用于多种场景。目前已经有多种基于gst的自由空间超表面器件，包括介电超表面器件[36,37]、彩色显示器件[38]和存储器件[39,40]。然而，在对sps调控的相关研究却很少。
技术实现思路
1、为克服现有技术的不足，本专利技术旨在提出gst超表面实现双功能可切换sps器件的新方法，且成本较低。为此，本专利技术采用的技术方案是，基于gst的可切换表面等离激元系统，结构如下：由覆盖有非易失性相变材料gst的菲涅尔波带片构成自旋相关定向sps耦合器，菲涅尔波带片的奇数半波带为明亮区，菲涅尔波带片的偶数半波带覆盖有gst为暗区；通过在加热台上设置退火温度加热gst来实现gst非晶态到晶态的正相变，通过激光器产生的纳秒激光照射gst来实现晶态到非晶态的反相变；在gst非晶状态下所述自旋相关定向sps耦合器为自旋依赖的平面波sps耦合器，激发平面波sps，而在gst晶体状态下所述自旋相关定向sps耦合器为自旋依赖的定向sps波带片，激发出聚焦sps。
2、所述奇、偶半波带由不同坐标位置的矩形亚波长金属铝狭缝谐振器(slitresonator,sr)组成，sr的坐标固定不变。
3、所述sr相互垂直沿着y轴两列分布，在任意圆极化入射下，向右侧和左侧激发的sps分别表示为er和el：
4、er＝a[e1cosθeiφ+e2eiδsinθ]
5、el＝a[cosθ+e2eiδsinθeiφ], (1)
6、e1和e2是入射光的两个正交偏振分量，其方向分别与两列中的sr垂直，a是sr的耦合系数，θ是e1与x轴之间的夹角，δ是e1和e2之间的相位差，φ＝kspg是sps在两列结构之间距离g上的传播相位，其中ksp＝2π/λsp是sps的波数，λsp是sps的波长；
7、sr的几个区域被gst覆盖，这些区域是根据菲涅尔波带片的偶数半波带区域确定的，菲涅尔区的半波带半径rn通过下式计算得出；
8、
9、其中n是描述每个sps菲涅尔波带片区域半径的自然数，f是设计的焦距，偶数半波带区被归类为暗区，gst能够关闭它们下方sr的sps激发响应，偶数半波带区被归类为明亮区。当gst处于非晶态时，它起到介质的作用，所有的srs都起作用；此时，器件为定向平面波sps耦合器，在右旋圆偏振(right-handed circularly polarized,rcp)入射下激发向左的平面波sps，在左旋圆偏振(left-handed circularly polarized,lcp)入射下激发向右的平面波sps，通过加热gst至其相变温度以上，它转变为结晶态并且作为近似金属态工作，暗区的sr被短接，只有明亮区的sr起作用，sps耦合器变成了一个sps菲涅耳波带片，以定向方式在rcp入射下向左激发聚焦sps，在lcp入射下向右激发聚焦sps；通过用纳秒激光照射结晶态的gst，gst转变回非晶态，sps耦合器随后恢复为定向平面波sps耦合器。
10、基于gst超表面可切换表面等离激元器件制作方法，首先，硅衬底依次用丙酮、异丙醇和去离子水清洗；然后，使用热蒸发法在衬底上沉积一层厚度为200nm的铝层；之后，将光刻胶旋涂到铝表面，然后使用预设计的掩模进行紫外曝光；显影后，得到光刻胶图案；接下来，将样品放入酸性溶液中进行湿法蚀刻，其中未受光刻胶保护的金属部分被蚀刻掉。整个样品随后浸入丙酮中去除光刻胶，第一层金属结构处理完成；最后进一步进行gst沉积并进行精确对准的图案化。
11、gst沉积并进行精确对准的图案化详细步骤如下：首先，再次将光刻胶旋涂到第一层金属结构处理完成的器件上，使用掩模进行紫外曝光后，通过进一步显影得到新的光刻胶图案；然后，使用磁控溅射法在其上沉积厚度为100纳米的gst薄膜；最后，通过浸入丙酮使gst涂层的样品中的下面带有光刻胶的gst剥离下来，留下所需的双功能可切换sps器件。
12、本专利技术的特点及有益效果是：
13、1.本专利技术的策略根据菲涅尔波带片原理，仅仅利用gst覆盖sps菲涅尔波带片的偶数半波带，实现起来非常简单；
14、2.基于gst的相变特性，实验上展示了自旋相关定向平面波和聚焦sps激发之间的双功能切换；
15、3.gst的非易失性使得器件功能在每次外部激励过程后保持，不需要连续能量输入，因此较为节能；
16、4.本专利技术可以扩展到实现更多sps激发功能的切换，对多样化的芯片应用具有潜力。
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1.一种基于GST的可切换表面等离激元系统，其特征是，结构如下：由覆盖有非易失性相变材料GST的菲涅尔波带片构成自旋相关定向SPs耦合器，菲涅尔波带片的奇数半波带为明亮区，菲涅尔波带片的偶数半波带覆盖有GST为暗区；通过在加热台上设置退火温度加热GST来实现GST非晶态到晶态的正相变，通过激光器产生的纳秒激光照射GST来实现晶态到非晶态的反相变；在GST非晶状态下所述自旋相关定向SPs耦合器为自旋依赖的平面波SPs耦合器，激发平面波SPs，而在GST晶体状态下所述自旋相关定向SPs耦合器为自旋依赖的定向SPs波带片，激发出聚焦SPs。
2.如权利要求1所述的基于GST的可切换表面等离激元系统，其特征是，所述奇、偶半波带由不同坐标位置的矩形亚波长金属铝狭缝谐振器SR组成，SR的坐标固定不变。
3.如权利要求1所述的基于GST的可切换表面等离激元系统，其特征是，所述SR相互垂直沿着y轴两列分布，在任意圆极化入射下，向右侧和左侧激发的SPs分别表示为Er和El：
4.一种基于GST超表面可切换表面等离激元器件制作方法，其特征是，首先，硅衬底依次用丙酮
5.如权利要求4所述的基于GST超表面可切换表面等离激元器件制作方法，其特征是，GST沉积并进行精确对准的图案化详细步骤如下：首先，再次将光刻胶旋涂到第一层金属结构处理完成的器件上，使用掩模进行紫外曝光后，通过进一步显影得到新的光刻胶图案；然后，使用磁控溅射法在其上沉积厚度为100纳米的GST薄膜；最后，通过浸入丙酮使GST涂层的样品中的下面带有光刻胶的GST剥离下来，留下所需的双功能可切换SPs器件。
...【技术特征摘要】
1.一种基于gst的可切换表面等离激元系统，其特征是，结构如下：由覆盖有非易失性相变材料gst的菲涅尔波带片构成自旋相关定向sps耦合器，菲涅尔波带片的奇数半波带为明亮区，菲涅尔波带片的偶数半波带覆盖有gst为暗区；通过在加热台上设置退火温度加热gst来实现gst非晶态到晶态的正相变，通过激光器产生的纳秒激光照射gst来实现晶态到非晶态的反相变；在gst非晶状态下所述自旋相关定向sps耦合器为自旋依赖的平面波sps耦合器，激发平面波sps，而在gst晶体状态下所述自旋相关定向sps耦合器为自旋依赖的定向sps波带片，激发出聚焦sps。
2.如权利要求1所述的基于gst的可切换表面等离激元系统，其特征是，所述奇、偶半波带由不同坐标位置的矩形亚波长金属铝狭缝谐振器sr组成，sr的坐标固定不变。
3.如权利要求1所述的基于gst的可切换表面等离激元系统，其特征是，所述sr相互垂直沿着y轴两列分布，在任意圆极化入射下，向右侧和左侧激发的sps分别表示为er...
【专利技术属性】
技术研发人员：李泉，徐广红，苏昊，
申请(专利权)人：天津职业技术师范大学中国职业培训指导教师进修中心，
类型：发明
国别省市：
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