《電子技術應用》
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基于二氧化釩的雙開口諧振環(huán)太赫茲透射調控
2020年電子技術應用第9期
陳善卓1，宋 陽2，高亞臣1
1.黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱150080； 2.遼寧省朝陽師范高等?？茖W校信息工程系，遼寧 朝陽122000
摘要： 基于二氧化釩(VO2)的溫致金屬-絕緣體相變特性，利用雙開口諧振環(huán)，設計了透射頻率可調的太赫茲器件。利用時域有限差分法(FDTD)理論研究了該結構的透射特性。結果表明，當外界溫度從25 ℃升高至85 ℃，超過二氧化釩的相變溫度(68 ℃)時，在0.63 THz和1.91 THz處的透射率由6.3%和0.5%增加至66.6%和45.2%，調制深度分別達到82.7%和97.8%，表現(xiàn)出良好的可調特性。具體分析了諧振吸收的機理以及溫度調控的過程。
中圖分類號： TN202
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200527
中文引用格式： 陳善卓，宋陽，高亞臣. 基于二氧化釩的雙開口諧振環(huán)太赫茲透射調控[J].電子技術應用，2020，46(9)：132-136.
英文引用格式： Chen Shanzhuo，Song Yang，Gao Yachen. VO2 based modulation of double split ring resonator THz transmission[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(9)：132-136.
VO2 based modulation of double split ring resonator THz transmission
Chen Shanzhuo1，Song Yang2，Gao Yachen1
1.College of Electronic Engineering，Heilongjiang University，Harbin 150080，China； 2.Department of Information Engineering，Chaoyang Teachers′ College，Chaoyang 122000，China
Abstract： A terahertz(THz) device with tunable transmission frequency was designed based on the metal-insulator phase transition characteristics of VO2 and double split ring resonator. The transmission characteristics of the structure are studied by using the finite-difference time-domain(FDTD) theory. The results show that when the external temperature rises from 25 ℃ to 85 ℃ and exceeds the phase transition temperature of VO2(68 ℃), the transmittivity at 0.63 THz and 1.91 THz increases from 6.3% and 0.5% to 66.6% and 45.2%, and the modulation depth reaches 82.7% and 97.8% respectively, showing good tunable characteristics. The mechanism of resonant absorption and the process of temperature control are analyzed.
Key words : VO2；terahertz transmission；double split ring resonator；finite difference time domain method

0 引言

    太赫茲波(Terahertz，THz波)是指頻率在100 GHz～10 THz，波長為0.3～30 mm范圍的電磁波[1]，是電磁波譜上最后一個被開發(fā)的頻率窗口，廣泛應用在醫(yī)學成像和病理分析[2-5]、顯微鏡技術[6-7]、生物分子的無損檢測[8]、高速通信[9-11]、宇宙空間遙感與探測[12]等方面。在太赫茲技術的發(fā)展進程中，設計和制造在太赫茲波段下的調控器件始終占據(jù)著十分重要的地位，人們通過改變材料結構和組成來獲得一些超常特性的人工材料，其性能超過常規(guī)的天然材料。早期，PENDRY J B等人通過設計周期金屬細線陣列和金屬開口諧振環(huán)陣列，驗證了微波波段下的負介電常數(shù)和負磁導率的存在[13-14]，而后人們通過縮小諧振環(huán)的結構尺寸將負磁導率擴展至太赫茲波段[15-16]。近十幾年來，人們開始廣泛關注太赫茲波段下的超材料，2012年，LI Z教授等人[17]證明了環(huán)形諧振器組成的多層微結構具有寬帶截止濾波器的特性；2013年，Chen Houtong教授課題組[18]利用金屬亞波長線柵設計了一種基于超薄平面超材料的高效寬帶太赫茲線性振轉換器并得到近乎完美的反常折射；2016年美國西北大學Sun教授團隊[19]通過3D打印技術設計制作了一種太赫茲超材料透鏡，0.4～0.6 THz頻率范圍使其成像分辨率接近衍射極限同時獲得了更優(yōu)于均勻球面透鏡的成像能力，然而上述結構都為太赫茲被動器件，其尺寸或結構一旦固定頻譜響應也隨之固定，針對這種情況，許多學者引入了溫度場[20-21]、電場[22-23]、磁場[24]、機械場[25]、光場[26-27]，提出了各種結構的可調控的超材料，來對太赫茲波段的超材料進行動態(tài)調控。

    近年來，二氧化釩(Vanadium dioxide，VO2)因具有典型的可逆絕緣體-金屬相變特性，在眾多領域得到廣泛應用。例如，KANG L等人[28]采用聚合物輔助沉積的溶膠-凝膠法制備了均勻、納米級的多孔VO2薄膜，為智能窗的研究奠定了基礎；寧永剛等人[29]提出了利用VO2良好的光電性能將其用作紅外探測器的激光防護材料。二氧化釩的晶格結構在低溫時表現(xiàn)為單斜金紅石結構，當溫度升高超過其相變溫度(68 ℃)時變化為四方金紅石結構[30]，即在低于68 ℃時為絕緣相，表現(xiàn)為絕緣體；高于68 ℃時為金屬相，表現(xiàn)為導體，VO2獨特的性質可為太赫茲波的動態(tài)調控提供一份思路[31-32]。

    雙開口諧振環(huán)(Double Split Ring Resonator，DSRR)最早由PENDRY J B等人[14]提出，是構造超材料的典型結構，內環(huán)與外環(huán)之間的電容以及電感的影響能增加諧振頻率。由此，本文設計了一款周期性雙開口諧振環(huán)并在兩個開口處放置VO2材料的陣列模型，利用FDTD solution軟件研究了其溫度調控特性。




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作者信息:

陳善卓1，宋  陽2，高亞臣1

(1.黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱150080；

2.遼寧省朝陽師范高等?？茖W校信息工程系，遼寧 朝陽122000)

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