【2020】【论文笔记】相变材料与超表面——

前言

类型
$太赫兹+超表面$
期刊
$物理学报$
作者
$龙洁,李九生$
时间
$2020$

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研究目的

近年来，THz在通信、安检、成像、光谱、生命医学、无损检测等领域有着越来越广泛应用，各类THz波调控器件也层出不穷

这些器件主要集中对THz波的频率、幅度、偏振态进行控制

而作为THz波重要参量之一的相位也逐渐成为热门研究课题，因此开展THz波段的移相器研究就显得意义重大

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THz移相器结构

• 二氧化钒$V{O}_2$嵌入上超表面复合结构（上金属层）
• 液晶层
• 二氧化钒$V{O}_2$嵌入下超表面复合结构（下金属层）
• 二氧化硅$S{O}_2$基体

金属铜的电导率：${\sigma }_{copper}=5.8\times 10^{7}S/m$
金属铜（黄色标注）厚度：$0.2\mu m$
二氧化钒（橙色标注）厚度：$0.2\mu m$
二氧化硅基体的相对介电常数：$\epsilon =3.9$，厚度：$40\mu m$
液晶层厚度：$20\mu m$

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二氧化钒（嵌入上超表面复合结构）双矩形结构（上金属层）

单元周期为$P=110\mu m,L_1=70\mu m,L_2=25\mu m,h_1=60\mu m,h_2=15\mu m$

二氧化钒嵌入下超表面复合结构（下金属层）

矩形缺口金属铜层嵌入U型结构二氧化钒
$L_3=70\mu m,h_3=40\mu m,L_4=30\mu m$

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由于顶层二氧化钒嵌入上超表面复合结构直接暴露在空气中，所以可以通过激光扩束辐射控温方法，对顶层二氧化钒的温度进行调控

下层二氧化钒嵌入下超表面复合结构可以从底部辐射扩束激光来控温

最终整个相变材料嵌入超表面组成复合结构THz移相器的相移量，可以通过上下两路扩束激光进行切换控制
$$扩束激光\Rightarrow 相移$$
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研究模型

相变前
当温度低于相变温度68°时，二氧化钒为高阻态相对介电常数${\epsilon }_i=9$

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相变后
当温度高于68°时，二氧化钒为高导态

在THz频段实现从电介质到金属态的转变

相对介电常数为（Drude模型）
$$\begin{gathered} {\epsilon }_m(\omega )={\epsilon }_{\infty }-\frac{{\omega }_p^2}{(\omega +i/\pi )\omega }i \\ {\omega }_p^2=\frac{N{e}^2}{m^{\ast }\cdot {\epsilon }_0} \end{gathered}$$
其中${\omega }_p$是等离子体的角频率，${\epsilon }_i={\epsilon }_{\infty }=9$，有效质量$m^{\ast }=2m_e$，$m_e$是自由电子质量
载流子迁移率$\mu =2c{m}^2/Vs$

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二氧化钒相变前的电导率：$\sigma =200S/m$
二氧化钒相变后的电导率：$\sigma =2\times 10^{5}S/m$

该论文的液晶仿真参数为：$n_0=1.52,n_e=1.78$前者为通常情况下的液晶折射率，后者为外加电场后的液晶折射率

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研究方法

通过设定上下层二氧化钒的相变状态、液晶的折射率作为初始条件，在CST软件中进行仿真，外加电场后的液晶折射率$n_e$变成多少。还仿真在外部温度改变后的THz移相器的相移情况、透射（transmittance）曲线

1. 初始条件上层高导，下层高阻
2. 初始条件上层高阻，下层高导
3. 初始条件上层高阻，下层高阻
4. 初始条件上层高导，下层高导

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结论

通过改变相变材料的温度能够对入射THz相移量进行动态调控

仿真显示，THz移相器在$0.731\sim 0.752THz$（带宽22GHz）范围内，均可实现超过350°的相移

改变相变材料的温度，最大相移量的频带范围？从$0.73\sim 0.734THz$变化为$0.73\sim 0.752THz$

当$f=0.736THz$时，最大相移量达到355.37°

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问题

磁场、电场和温度的综合因素，对这种相移材料的影响如何？

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