基于光诱导二氧化钒薄膜相变的太赫兹波调制材料研究

张冬煜，彭晓昱，杜海伟，马勇，3，罗春华

（1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院重庆绿色智能技术研究院 太赫兹技术研究中心，重庆 400714；3.重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065）

太赫兹技术在材料、化学、生物医学、安检等许多领域有着独特的应用前景，但目前由于缺少有效的太赫兹功能器件（如太赫兹偏振片、滤波片、分束器和吸波器等），使得上述应用受到严重制约。太赫兹波段不同于其它波段的是，自然界绝大多数物质对其缺乏有效响应，因此很难用于对太赫兹波进行调制，不过近些年超材料的兴起促进了太赫兹功能材料的发展。超材料是一种由人工设计的具有周期单元阵列结构的电磁材料，是人工构成的、具有自然界材料所不具备物理性质的复合材料，其性质往往不是由构成材料的本征性质决定，而是取决于其中的微纳结构。最早的超材料是基于单元结构设计的开口谐振环结构，它具备负折射率和负介电常数等特性。随着研究的逐渐深入，人们提出了越来越多的单元结构，更多的响应特性也随之被发现。如各向异性材料对电磁波振幅、相位及偏振态的调制，不同结构组合或多层材料所构成的多频及宽频共振响应的吸收材料，引入了本征半导体、掺杂半导体、绝缘-金属相变材料的超材料设计以实现光开关和调制器等。

在一些自动控制应用中需要使用主动调制功能器件，这些器件的设计中通常会使用一些相变材料，而这些材料的相变可以通过不同的激发方式来实现。Morin等人[1]报道了一类金属-绝缘体相变（metal-insulator transition，简称MIT）的金属氧化物（如二氧化钛和二氧化钒等），当温度上升到临界温度Tc，它的电导率会急剧上升。通过对MIT现象进行大量研究发现，这种金属氧化物不仅可以通过热激发，还可以通过光激发实现相变，其中由于二氧化钒（VO2）薄膜相变温度（340K）最接近室温而受到越来越多的关注。VO2是一种具有皮秒量级绝缘体-金属可逆相变特性的氧化物，从低温单斜结构（绝缘态）转变到高温四方结构（金属态），在相变过程中电导率的变化高达5个数量级。1996年Becker[2]利用飞秒激光脉冲激发VO2薄膜，发现VO2薄膜相变光学性质与其高温时金属态非常接近，因此认为光诱导也可激发VO2薄膜相变。此外，这种材料还可以通过电场和太赫兹场等方式激发相变。

根据在不同激发方式下VO2材料的相变特性，人们利用VO2薄膜材料与微纳结构相结合来实现对太赫兹波进行调制。Kim等人[3]制备一个以Au-VO2为图案层的谐振环（SRR-VO2），通过调节温度改变VO2内部电导率，同时通过调节SRR间隙等参数来调节太赫兹波透射的谐振频率，优化后该结构在0.3THz和0.72THz有50%调制效率。为了实现在温度变化过程中对电导率的精确控制，Karaoglan-Bebek[4]制备了一种在VO2中掺杂金属元素钨的薄膜，该薄膜对电场强度调制深度可达65%，相变温度为40℃。由于热激发引起的相变速率慢，适合用于设计自动温控器件。VO2的光激发相变则是一个超快过程，Becker发现利用飞秒激光仅5ps就有相变产生，适合用于设计超快控制器件。如李伟等人[5]实现了在1.15THz处有60%以上调制深度的快速响应太赫兹调制材料，Zhang等人[6]制备了在0.28-0.36THz频段处超过80%的调制深度的快速响应太赫兹调制材料。不过以上这些调制材料的调制频率都在1.5THz以下，目前几个太赫兹以上的快速主动调制材料还鲜有报道。

为了实现对太赫兹更高频段进行快速调制，本文基于光激发VO2薄膜超快相变特性与人工电磁结构设计相结合的方法，利用时域有限积分法模拟仿真，研究和探索在更高频段实现快速响应的太赫兹调制材料。

1 二氧化钒材料的介电常数

本文中所使用的二氧化钒材料的电光参数来自文献[7]。该文献中，作者在蓝宝石晶体上制备了200nm厚VO2薄膜，利用波长为800nm激光激发VO2薄膜，使用太赫兹时域系统探测得到该样品光激发前后的电磁特性参数，经计算可得到VO2薄膜光激发前后介电常数的实部和虚部，如图1所示。在绝缘体—金属相变过程中，透射率随时间变化逐渐减小，通过对比可看出光激发前后介电常数有着显著改变。

图1 VO2薄膜介电常数ε

2 二氧化钒薄膜厚度对调制效果的影响

为了研究VO2薄膜厚度对调制效果的影响，利用上述二氧化钒的介电常数数据设计了如图2所示的四层方形薄膜叠加构成的周期阵列结构，（a）、（b）分别为样品的三维图和侧视图。底层金属薄膜和顶层图案层金属薄膜材料均为金（黄色），厚度分别为d1和d4；第二层材料为高阻硅（蓝色），厚度为d2，其介电常数为11.9，电导率为0.00025S/m；在硅膜上沉积第三层厚度为d3的二氧化钒薄膜（红色）。该样品的具体尺寸如表1中样品1所示。

图2 材料结构

表1 调制材料样品参数

由于设计的调制材料是相对于x和y轴正交方向的对称结构，其TE模式和TM模式偏振入射结果相同。太赫兹波垂直入射到调制材料表面，改变样品1中VO2薄膜厚度（参数d3分别为1、5、10、15、20nm）模拟得到不同厚度条件下该材料在激光激发前后的透射率谱图。如图3所示，VO2薄膜厚度的变化将显著影响某些频段的透射率。在图3（a）中2.93THz和3.28THz处透射率随d3的增加先增大后降低，在d3=5nm时有最高透射率；在图3（b）中，材料在2.93THz和3.28THz处透射率随d3得增加而增大，在d3=5nm时有较低透射率。为了定量描述上述因VO2薄膜厚度的变化导致的光激发前后透射率的变化，引入调制深度[8]的概念。这里调制深度定义为( )Tun-T510Tun，其中在光激发前材料的太赫兹波透射率为Tun，激发后材料的太赫兹波透射率为T510。

图3 模拟计算得到光激发前后VO2薄膜厚度不同条件下通过样品1的透射率

图4 VO2薄膜优化厚度（d3=5nm）条件下光激发前后样品1的太赫兹波透射率

为了方便观察，将图3中具有最大调制时对应的VO2薄膜厚度d3=5nm的结果单独列出进行对比。如图4所示，计算后可得在2.93THz和3.28THz处调制深度分别为56%和71%。

3 样品周期结构参数对调制频率的影响

在保持VO2薄膜厚度d3=5nm的条件下，发现改变周期边长（参数a）、VO2薄膜边长（参数b）和底层金属薄膜边长（参数e）等样品的周期阵列结构参数，可以改变材料的调制频率。通过对参数a、b和e进行优化，我们获得一个较好调制效果，具体参数如表1中样品2所示。光激发前后调制结果如图5所示，可见在2THz和2.69THz处有较高调制，调制深度分别为82%和71%。

图5 VO2薄膜优化厚度（d3=5nm）条件下光激发前后样品2的太赫兹波透射率

4 讨论

为了进一步理解基于VO2薄膜的上述太赫兹波调制材料的调制特性，仿真了样品1在光激发前后太赫兹波经过样品的电场分布。图6（a）、（b）分别展示了样品1光激发前和光激发后，在同一相位（Φ=120）、频率为2.93THz平面太赫兹波经过样品1的电场分布，其中间位置为样品，底层为材料金，其上边在黑色框里为介质层硅，在硅上为VO2薄膜，顶层为材料金。由图6（a）未受光照激发结果可见，经过样品1后的透射太赫兹波电场较强，这是由于在室温无光照激发时VO2薄膜呈绝缘体相，故大部分太赫兹波将透过样品。由图6（b）受光照激发后结果可见，透射太赫兹波电场较弱，这是因为当受光照激发时VO2薄膜产生了MIT相变，在相变过程中，VO2电导率快速增加变为金属相，所以导致大部分THz波被反射。由图6（a）和6（b）的结果对比可见，正是由于受光激发前后的上述透射率的显著差异，获得了在该频率处的透射率强度的明显调制。

图6 VO2薄膜优化厚度（d3=5nm）条件下样品1在光激发前（a）和激发后（b）的电场分布

5 结论

基于光激发VO2薄膜的绝缘体—金属相的转变特性，利用VO2薄膜与人工电磁结构材料相结合来构建太赫兹波调制材料，通过仿真模拟，研究了该材料中VO2薄膜厚度和样品周期阵列结构参数对于调制效果的影响。发现对于一定结构的样品，存在一个优化的VO2薄膜厚度，在这个厚度条件下，可在某些频段获得较高的调制深度；而在优化后的VO2薄膜厚度条件下，可以通过改变周期性结构参数来进一步改变调制频率。获得2个典型样品：样品1在2.93THz和3.28THz处有较明显的调制，其调制深度分别为56%和71%；样品2在2THz和2.69THz处有明显调制，调制深度分别为82%和71%。这些结果表明通过改变周期性结构参数可以对透射太赫兹波进行频率调制。由于光激发VO2薄膜可实现超快相变，这为基于快速主动式太赫兹调制材料的太赫兹器件的实现提供了可行的思路。