趙強(qiáng) 文岐業(yè) 戴雨涵 張繼華 陳宏偉 楊傳仁 張萬里

(電子科技大學(xué),電子薄膜與集成器件國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610054)

(2012年7月3日收到;2012年8月21日收到修改稿)

1 引言

太赫茲(THz)技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)、國民經(jīng)濟(jì)及國防建設(shè)中有著巨大的應(yīng)用潛力,近些年來,人們?yōu)樘钛a(bǔ)“THz空白”做了大量的努力[1?4].然而相對(duì)于THz輻射的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展,如何操控THz波的技術(shù)卻顯得大為落后,THz器件如THz濾波器、相位控制器、開關(guān)和調(diào)制器等的發(fā)展進(jìn)步緩慢.這是因?yàn)樽匀唤缰泻芏嗖牧显赥Hz頻段都沒有電磁響應(yīng),長久以來人們都無法找到一種合適的材料來制造相應(yīng)的器件以高效地控制THz波的傳輸.所幸THz人工電磁媒質(zhì)的實(shí)現(xiàn)大大拓展了傳統(tǒng)THz技術(shù)的研究領(lǐng)域,導(dǎo)致產(chǎn)生全新的THz波操控技術(shù).

控制THz輻射的振幅、頻率或相位需要人工電磁媒質(zhì)的電磁響應(yīng)能夠主動(dòng)調(diào)控,這可以通過將構(gòu)成人工電磁媒質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元與其他功能材料結(jié)合,利用其他功能材料對(duì)外界因素的響應(yīng)實(shí)現(xiàn).利用電壓控制人工電磁媒質(zhì)對(duì)電磁波傳播方式的調(diào)控一直是研究人員探索的重要方向,因?yàn)椴徽搹牟僮鞣绞?、反?yīng)時(shí)間、控制精度等方面來看,電壓控制方式是最為有利和方便的.在早期微波頻段人工電磁媒質(zhì)研究中,Gil等[5]在開口諧振環(huán)(SRRs)的內(nèi)外環(huán)之間加載變?nèi)荻O管,發(fā)現(xiàn)在不同的二極管偏壓下,人工電磁媒質(zhì)的電磁響應(yīng)頻率(磁諧振頻帶)發(fā)生了變化.隨后,Shadrivov等[6]在SRRs的外環(huán)開口縫處加載變?nèi)荻O管,通過對(duì)二極管施加不同的電壓改變電容器的容值,實(shí)現(xiàn)了諧振頻率的明顯變化.這兩項(xiàng)工作揭示了可調(diào)人工電磁媒質(zhì)的工作原理,通過改變?nèi)斯る姶琶劫|(zhì)的等效電容和電感可以實(shí)現(xiàn)負(fù)磁導(dǎo)率材料諧振頻率的調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)人工電磁媒質(zhì)對(duì)電磁波傳播方式的調(diào)控.

在此基礎(chǔ)之上,Chen等[7,8]在電壓調(diào)控人工電磁媒質(zhì)方面做出了創(chuàng)新性的工作.他們將人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)單元制作在摻雜半導(dǎo)體上,利用外場(chǎng)調(diào)控半導(dǎo)體的載流子濃度,影響LC等效回路電容,調(diào)節(jié)SRRs電磁諧振,控制THz波傳輸.基于Chen等的THz波調(diào)制原理,Chan等[9]制備出包括4×4單元陣列的THz人工電磁媒質(zhì),每一個(gè)單元包括一個(gè)制備在半導(dǎo)體基底上的電諧振器陣列,并由獨(dú)立的偏壓進(jìn)行控制,對(duì)透射THz波振幅的調(diào)制幅度達(dá)到40%.最近,Jeong等[10,11]利用VO2的電致相變也實(shí)現(xiàn)了電壓調(diào)控的THz人工電磁媒質(zhì).除此之外,利用液晶的電致相變也是實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)控THz人工電磁媒質(zhì)的一種方法[12,13].

利用電壓方式實(shí)現(xiàn)人工電磁媒質(zhì)對(duì)電磁波傳播方式的調(diào)控使得THz的應(yīng)用有了一定的基礎(chǔ).然而,在早期的研究中,在人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)單元加載電容的電壓加載方式成為瓶頸.例如在Hand和Cummer[14]的研究中,在每個(gè)人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)單元開口處加電容器,但是對(duì)每個(gè)電容器加載電壓時(shí),引線的布局又會(huì)對(duì)人工電磁媒質(zhì)的電磁響應(yīng)造成影響,所以為了盡量減小引線造成的影響,他們的試驗(yàn)樣品尺寸達(dá)到了160 mm×55 mm×27 mm,限制了這種加載方式的應(yīng)用.尤其在THz領(lǐng)域,更短的波長要求人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)單元尺寸進(jìn)一步減小,對(duì)電壓加載方式和控制方式提出更高的要求.

本文通過數(shù)值仿真研究了金屬網(wǎng)格諧振單元人工電磁媒質(zhì)的諧振行為,發(fā)現(xiàn)這種金屬網(wǎng)格諧振單元在垂直THz波激勵(lì)下表現(xiàn)出窄帶磁諧振.當(dāng)以鐵電鈦酸鍶鋇(BST)薄膜作為雙層金屬網(wǎng)格諧振單元的夾層時(shí),隨著BST薄膜介電常數(shù)的變化,人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁諧振頻率發(fā)生移動(dòng),諧振強(qiáng)度也發(fā)生變化.本文提出的人工電磁媒質(zhì)調(diào)諧方法以上下兩層金屬網(wǎng)格諧振單元作為電極,不需要在人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)中另外對(duì)每個(gè)諧振單元增加引線電極,極大地簡化了可調(diào)諧人工電磁媒質(zhì)的制備及應(yīng)用,拓展了THz人工電磁媒質(zhì)的實(shí)際應(yīng)用.

2 數(shù)值仿真

圖1所示為我們?cè)O(shè)計(jì)的金屬網(wǎng)格諧振單元結(jié)構(gòu)示意圖,金屬厚度為0.2μm,金屬網(wǎng)格諧振單元陣列在x,y方向的晶格常數(shù)相同,均為164μm.

圖1 金屬網(wǎng)格諧振單元結(jié)構(gòu)示意圖

本文的數(shù)值仿真采用基于有限元積分技術(shù)的商業(yè)軟件CST Microwave Studio.仿真時(shí),將x方向設(shè)置為理想電邊界,y方向設(shè)置為理想磁邊界,THz波沿垂直于x-y平面的方向入射,模擬周期性陣列在平面波激勵(lì)下的電磁響應(yīng)特性.

3 結(jié)果及討論

3.1 透射系數(shù)曲線及電磁諧振模式

依據(jù)上述的結(jié)構(gòu)參數(shù)和設(shè)置,數(shù)值仿真得到的透射系數(shù)曲線如圖2中a所示.可以看出,該結(jié)構(gòu)人工電磁媒質(zhì)對(duì)0.1—1.8 THz波段電磁波表現(xiàn)出窄帶電磁響應(yīng).透射參數(shù)S21在1.03 THz處達(dá)到極大值,表現(xiàn)為THz波的高透射,透過率大于0.9的帶寬為0.13 THz.該結(jié)構(gòu)人工電磁媒質(zhì)在THz波的激勵(lì)下發(fā)生磁諧振是形成THz波窄帶通過的根本原因.圖2中左上角的插圖為該人工電磁媒質(zhì)單元結(jié)構(gòu)在1.03 THz的表面感應(yīng)電流分布圖,可以看出該結(jié)構(gòu)頸部電流方向與金屬平板電流方向相反,在反向電流相遇的區(qū)域產(chǎn)生電荷積聚.同時(shí),頸部強(qiáng)電流表示頸部有強(qiáng)烈的磁響應(yīng).

本文主要研究以BST作為加載層時(shí),金屬網(wǎng)格人工電磁媒質(zhì)對(duì)THz波的響應(yīng)特性,為了便于比較,我們數(shù)值仿真了雙層金屬網(wǎng)格人工電磁媒質(zhì)對(duì)THz波的響應(yīng)特性,雙層金屬網(wǎng)格人工電磁媒質(zhì)的層間距為0.2μm.仿真結(jié)果如圖2中曲線b所示,可以看出未加載BST薄膜層時(shí),人工電磁媒質(zhì)的電磁響應(yīng)特性(響應(yīng)頻率和透射率)均未有較大變化,這主要是因?yàn)殡p層金屬人工電磁媒質(zhì)的間距遠(yuǎn)小于響應(yīng)頻段電磁波的波長300μm,雙層人工電磁媒質(zhì)單元產(chǎn)生的電磁耦合不足以對(duì)電磁響應(yīng)特性產(chǎn)生較大影響.

圖2 未加載BST薄膜層THz人工電磁媒質(zhì)的透射系數(shù)曲線a單層;b雙層

3.2 金屬網(wǎng)格人工電磁媒質(zhì)THz波響應(yīng)特性的調(diào)制

人工電磁媒質(zhì)諧振頻率受內(nèi)嵌介質(zhì)介電常數(shù)的影響較大,通過改變內(nèi)嵌介質(zhì)的介電常數(shù)可以實(shí)現(xiàn)人工電磁媒質(zhì)諧振頻率的調(diào)制.Zhao等[15]以此為出發(fā)點(diǎn)利用液晶實(shí)現(xiàn)了其諧振頻率的可調(diào).在本文研究中,我們通過在兩層金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工電磁媒質(zhì)之間加載一層BST薄膜,利用BST薄膜的介電非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)金屬網(wǎng)格結(jié)構(gòu)人工電磁媒質(zhì)諧振特性的電壓可調(diào)制性.其結(jié)構(gòu)如圖3所示,BST薄膜層厚度為0.2μm.

圖3 加載BST薄膜金屬網(wǎng)格人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖

BST薄膜的介電非線性是指材料的極化強(qiáng)度隨外加電場(chǎng)強(qiáng)度呈非線性變化,因而介電常數(shù)隨外加電場(chǎng)變化的特性.利用BST薄膜的這一特性,可以實(shí)現(xiàn)上述人工電磁媒質(zhì)THz波響應(yīng)特性的電壓調(diào)制.本課題組早期對(duì)BST薄膜介電非線性效應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn),薄膜在20 V偏壓下介電調(diào)諧率達(dá)到29.4%,薄膜介電常數(shù)變化范圍為300—600[16].仿真中設(shè)置BST薄膜層的介電常數(shù)為300,400,500,600.圖4為數(shù)值仿真得到夾層不同介電常數(shù)人工電磁媒質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的THz波透射系數(shù)曲線.

圖4 加載BST薄膜層THz人工電磁媒質(zhì)的透射系數(shù)曲線

可以看出,相比較于未加載BST薄膜的雙層金屬網(wǎng)格,加載后的人工電磁媒質(zhì)諧振峰出現(xiàn)了較大的低頻移動(dòng).且人工電磁媒質(zhì)諧振峰隨著夾層BST介電常數(shù)的增大,呈現(xiàn)紅移.隨著BST薄膜介電常數(shù)從300變化到600,諧振峰從0.53 THz移動(dòng)到0.41 THz,調(diào)諧率為22.6%.THz波透射率從0.9變化到0.83,呈現(xiàn)小幅度變化.數(shù)值仿真結(jié)果表明,通過改變雙層金屬網(wǎng)格內(nèi)嵌BST薄膜介電常數(shù)可以有效調(diào)節(jié)這種結(jié)構(gòu)人工電磁媒質(zhì)的電磁響應(yīng)頻率.相比較以前的調(diào)節(jié)方式,這種方法只需要以上下兩層人工電磁媒質(zhì)金屬圖形本身作為電極對(duì)內(nèi)嵌夾層BST薄膜施加電壓,就能調(diào)節(jié)人工電磁媒質(zhì)的THz波響應(yīng)特性,有效地簡化了人工電磁媒質(zhì)諧振特性調(diào)制的實(shí)現(xiàn).

人工電磁媒質(zhì)對(duì)電磁波的諧振特性一般都伴隨著相應(yīng)的相位突變.圖5給出了內(nèi)嵌BST夾層不同介電常數(shù)對(duì)應(yīng)的透射曲線的相位曲線.從圖5可以看出,不同BST介電常數(shù)對(duì)應(yīng)的相變頻率不同,且隨著介電常數(shù)的增大,相變頻率呈現(xiàn)紅移.相位曲線與透射系數(shù)曲線的諧振頻率能很好地相符.因此,這種結(jié)構(gòu)的人工電磁媒質(zhì)也可以有效地調(diào)節(jié)透射THz波的相位變化頻率,有望用來實(shí)現(xiàn)THz波相位調(diào)制器.

圖5 加載BST薄膜層THz人工電磁媒質(zhì)的透射系數(shù)相位曲線

4 總結(jié)

本文通過數(shù)值仿真研究了內(nèi)嵌BST薄膜夾層的金屬網(wǎng)格諧振單元人工電磁媒質(zhì)的諧振行為,在垂直電磁波的激勵(lì)下,這種結(jié)構(gòu)人工電磁媒質(zhì)的電磁響應(yīng)頻率隨著內(nèi)嵌夾層BST薄膜介電常數(shù)的變化呈現(xiàn)紅移.且隨著夾層BST介電常數(shù)從300變化到600,人工電磁媒質(zhì)的響應(yīng)頻率從0.53 THz移動(dòng)到0.41 THz,調(diào)諧率為22.6%.電磁波透射率從0.9變化到0.83.本文提出的人工電磁媒質(zhì)調(diào)諧方法只需要以結(jié)構(gòu)單元的上下兩層金屬圖形本身作為電極對(duì)內(nèi)嵌夾層BST薄膜施加電壓,不需要額外對(duì)每個(gè)結(jié)構(gòu)單元增加引線施加電壓,極大地簡化了可調(diào)諧人工電磁媒質(zhì)的制備及應(yīng)用,在THz人工電磁媒質(zhì)調(diào)制器等方面具有潛在的應(yīng)用.

感謝空軍工程大學(xué)理學(xué)院屈紹波教授和王甲富老師.

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