实现三态转换功能的介质超表面及其制备方法

技术领域

本发明属于电磁波与新型人工电磁材料领域，具体涉及实现三态转换功能的介质超表面及其制备方法。

背景技术

太赫兹通信，与传统的无线通信不同，它工作在太赫兹频段，有较高的数据传输速率。太赫兹频段的频段较宽，且大部分尚未被分配使用，因此太赫兹通信有具有广泛的应用前景。

包括太赫兹通信在内的大多数电磁传感器或者天线等设备，通常需要使用天线罩来保护这些设备免受外部环境的影响。一般来说，天线罩在天线的工作频率上是完全透明的。然而，在某些情况中，天线不需要一直发射或接收信号，例如，天线需要保护免受电磁威胁，此时需要天线对探测器隐身。在这种情况下，可以通过天线罩反射或吸收电磁波，使天线罩内的天线或传感器对探测器隐身。在这种情况下，可以通过天线罩反射或吸收电磁波，使天线罩内的天线或传感器对探测器隐身。而具有动态切换功能的天线罩，可以将传输、反射或吸收的功能集成在一个器件上，只需要对器件的状态进行控制调节，就可以在单个器件上实现三种状态之间的切换，极大地简化了可调控天线罩的设计复杂度。

超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。并且大多数情况下由人工亚波长单元结构阵列组成，具有低轮廓，轻重量和易于使用的优点。超表面一般可以分为三种不同的类型，反射型、透射型和吸收型。因此，在单个超表面中集成这三个功能是一项具有挑战性的任务，值得解决。目前在微波波段，已经提出了在具有亚波长的多层结构中装配二极管等可调节元器件，通过调节电响应和磁响应之间的匹配来来实现三种状态的切换。但是在太赫兹波段，在多层结构中制作可调控器件非常困难，而我们提出的基于相变材料的单层三态转换动态超表面结构，设计与加工都很简便，为太赫兹波段的三态转换器件的研究提供了新的技术方案。而目前尚未见到基于相变材料的超表面来实现透射，反射与吸收之间转换的研究。

发明内容

发明目的：针对目前实现三态(高透射状态，高吸收状态，高反射状态)转换的电磁超表面基本为微波波段，为了实现太赫兹波段的三态转换，可作为太赫兹通信的天线罩，本发明提供了一种基于硅与相变材料二氧化钒的太赫兹超表面单元与超表面。

本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种基于硅与相变材料的三态转换功能超表面单元，包括：谐振层，相变材料层和十字形横梁；所述相变材料层位于谐振层上方。

所述谐振层为硅圆柱结构，相变材料层为二氧化钒薄膜。

优选地，谐振层硅圆柱直径184微米，高度82微米。

优选地，相变材料层二氧化钒薄膜厚度0.2微米。

优选地，十字形横梁梁宽8微米，固定连接单元结构。

第二方面，本发明提供了一种实现三态转换功能的介质超表面，包括：多个呈矩阵排列的超表面单元结构，所述超表面单元结构为如上所述的基于硅与相变材料的三态转换功能超表面单元。

本发明提供的基于硅与相变材料的三态转换功能超表面单元，通过优化谐振层结构参数：半径与高度，使得结构中的两个的偶极子模式，奇模(HE

第三方面，本发明提供了一种制备如上所述介质超表面的方法，包括以下步骤：

1.清洗硅片：清洗绝缘衬底上的硅片(Silicon-On-Insulator，简称SOI)衬底；

2.旋涂光刻胶：在所述SOI衬底表面旋涂光刻胶并烘烤；

3.紫外曝光与显影：在光刻机上放置已旋涂光刻胶的SOI衬底，并与掩模版对准，所述掩模版的结构为圆柱结构，曝光完后用显影液进行显影，然后进行坚膜；

4.刻蚀SOI衬底：使用深硅刻蚀工艺在SOI衬底上刻蚀出圆柱结构，用丙酮清洗残留的光刻胶，用酒精和去离子水清洗后烘干；

5.旋涂两层光刻胶：在所述SOI衬底背面，依次旋涂两层光刻胶；

6.重复所述步骤(3)，但所使用掩模版的结构为方框结构；

7.重复所述步骤(4)，将SOI衬底剩下部分全部刻蚀去除；

8.释放结构：使用缓冲氧化物刻蚀液，将SOI衬底残留的二氧化硅层刻蚀掉，最终获得圆柱结构阵列超表面；

9.制备二氧化钒薄膜：将二氧化钒溅射在石英表面，随后通过缓冲氧化物刻蚀液将二氧化硅层释放，得到二氧化钒薄膜；转移薄膜：将一整层二氧化钒薄膜转移至步骤(8)得到的圆柱结构阵列上；

10.去除镂空位置二氧化钒：利用激光扫描带有一整层二氧化钒薄膜超表面的圆柱面，从而高温去除镂空部分的二氧化钒，最终获得能够实现三态转换功能的超表面。

有益效果：本发明公开了一种实现太赫兹波段三态(高透射状态，高吸收状态，高反射状态)转换的介质超表面单元结构与超表面，在太赫兹波段可以实现不同温度下超表面处于高透射，高吸收与高反射状态，突破了仅可两个状态之间转换的传统太赫兹超表面，实现了三态转换，可在太赫兹通信中作为天线罩，实现电磁保护功能。此外，与微波波段的三态转换超表面相比，仅需一层介质结构即可实现。

附图说明

图1(a)、图1(b)和图1(c)分别是本发明三态转换超表面单元的结构示意图、正视图、顶视图；

图2是本发明三态转换超表面示意图；

图3(a)和图3(b)分别是制备得到的超表面正面和反面的电子显微镜照片；

图4(a)、图4(b)和图4(c)分别是是图一单元结构在电导率分别为20S/m、2×10

图5是在0.65THz处，相变材料层二氧化钒薄膜电导率对透射率,反射率以及吸收率的仿真调制效果图；

图6(a)、图6(b)和图6(c)分别是图3超表面在温度分别为300K、347K、353K时，透射系数,反射系数以及吸收率的实验测试频谱图；

图7(a)、图7(b)分别是单元结构在相变材料层二氧化钒薄膜电导率为20S/m时奇态和偶态电场分布仿真结果图。

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

为了实现太赫兹波段的三态转换，本发明实施例提供了一种基于硅与相变材料的介质超表面单元，如图1(a)、(b)、(c)所示，该超表面吸收单元包括：相变材料层(二氧化钒薄膜)1、谐振层(硅圆柱)2、和十字形横梁3；所述相变材料层1位于所述谐振层2的上表面，并且不同单元结构之间有十字形横梁3连接，起固定支撑作用。最终介质超表面的结构示意图如图2所示，介质超表面的正面与背面显微镜照片分别如图3(a)、3(b)所示。

本发明实施例中，通过改变相变材料二氧化钒的电导率，可以实现对S参数的调制，当电导率为20S/m时，此时对应图4(a)的高透射状态；随着电导率增加，透射率逐渐降低，吸收率升高，当电导率增加至为2×10

本发明实施例中，通过热台加热超表面，控制温度的变化来控制二氧化钒材料的电导率，从而实现对超表面的电磁特性的调控。对本实施例制备得到的超表面进行测试，实验结果如图6所示，与仿真结果基本吻合。当T＝300K时，二氧化钒材料呈现绝缘态，此时对应图6(a)的高透射状态，由于实验噪声等误差影响，其电磁特性出现较大波动；当T＝347K时，二氧化钒材料呈现半导态，此时对应图6(b)的高吸收状态；T＝353K时，二氧化钒材料呈现金属态，此时对应图6(c)的高反射状态。

当电导率为20西门子每米时，单元结构的EH模态电场y方向分量Ey分布如图7(a)所示，单元结构的HE模态Ey电场分布如图7(b)所示；

制备三态转换功能的超表面的方法，包括以下步骤：

1.清洗硅片：清洗SOI衬底；

2.旋涂光刻胶：在所述SOI衬底表面旋涂光刻胶AZ9260，并在110摄氏度热台上烘烤5分钟；

3.紫外曝光与显影：在光刻机上放置已旋涂光刻胶的SOI衬底，并与掩模版对准，所述掩模版的结构为圆柱结构，曝光110秒，之后用显影液进行显影，显影时间为4分钟以内，接着进行坚膜，即将样品放在120摄氏度热台上烘烤10分钟；

4.刻蚀SOI衬底：使用深硅刻蚀工艺在SOI衬底上刻蚀出圆柱结构，用丙酮清洗残留的光刻胶，用酒精和去离子水清洗后烘干；

5.旋涂两层光刻胶：在所述SOI衬底背面，依次旋涂两层AZ9260光刻胶；

6.重复所述步骤3，但所使用掩模版的结构为方框结构；

7.重复所述步骤4，将SOI衬底剩下部分全部刻蚀去除；

8.释放结构：使用缓冲氧化物刻蚀液将SOI衬底残留的二氧化硅层刻蚀掉，最终获得圆柱结构阵列超表面；

9.制备二氧化钒薄膜：将二氧化钒溅射在石英表面，随后通过缓冲氧化物刻蚀液将二氧化硅层释放，得到200纳米厚的二氧化钒薄膜；

10.转移薄膜：将一整层二氧化钒薄膜转移至步骤8得到的圆柱结构阵列上；

11.去除镂空位置二氧化钒：利用激光扫描带有一整层二氧化钒薄膜的硅柱超表面，从而高温去除镂空部分的二氧化钒，最终获得能够实现三态转换功能的超表面。

上述作为本发明的实施例，并不限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均包含在本发明的保护范围之内。