吸波材料的吸波原理及其研究进展（基于VO2相变特性的THz波动态调控研究进展）

太赫兹波(Terahertz，THz)是指频率在0.1~10 THz(波长30~3 000 μm)、位于毫米波与红外线之间的电磁波，具有瞬态（皮秒量级）、宽带、信噪比高等特点，在高速宽带通信、成像、存储等领域具有巨大的应用潜能。近年来THz源和探测技术已得到了长足发展，但由于具有THz波响应的天然材料缺乏，作为THz应用系统中必不可少的组成部分，THz高效调控器件一直比较匮乏。

（Metamaterials）的出现和应用为THz调控器件的发展提供了思路，它是一种通过人工设计的新型材料，具备一般材料所不具有的负介电常数、负磁导率等性质，可以对THz波产生强烈响应。但要实现对THz波的动态调控，单独的超材料结构还存在着制造困难、可调性差等缺点。通过与掺杂半导体材料、石墨烯、铁电薄膜、超导材料以及相变材料结合，通过外加电场或激光等激励方式改变材料特性，可以控制人工微结构的频率响应特性，进而实现对THz波的动态控制^[1]。在这些方法中，普通半导体材料（硅、GaAs等）在激励下的载流子浓度改变有限，反应时间较慢，从而限制了器件的深度和调制速率。而高质量的石墨烯制备成本相对昂贵，离实际应用还有一定距离。二（VO₂）因其相变过程中大的电阻率突性质以及超快的相变速度，从而在这些功能材料中脱颖而出，并且其现有的制备方法（如溶胶-凝胶法、磁控溅射法、化学沉积法和脉冲激沉积法）已较为成熟，与超材料器件结合加工也较为方便。探索超材料与VO₂结合以制备高效、动态、灵活的太赫兹功能器件也一直是研究热点问题。本文首先介绍了VO₂的相变特性，梳理了近年来开展VO₂薄膜相变过程中THz波传输特性研究的相关工作，再从VO₂与超材料结合实现THz波调控方面综述了国内外最新研究进展，并对VO₂在太赫兹波段应用前景进行了展望。

1 VO₂的相变特性

VO₂是一种强关联电子体系氧化物，外界微小刺激即可诱导其发生可逆的金属—绝缘体相变。自1959年MORIN F J^[2]首次报导了VO₂的相变特性后，研究人员基于VO₂的材料特性、相变性能与影响因素及相变机理等多方面研究开展了大量的工作。

热致相变是研究最早最多的，当温度达到68 ℃时，VO₂晶体会发生单斜结构半导体相（M）到四方结构金属相（R）之间的可逆相变，如图1所示。并且有报道指出相变前后电阻率的变化最高可达5个数量级^[3]，相变速度可达到亚ps量级^[4]。且伴随着相变过程，VO₂的晶体结构、折射率和磁化率等也都会发生急剧的变化。此外，VO₂在电场激发、激光激发、应力激发或多种激发方式的共同作用下也都可以发生相变^[5]，这极大丰富了VO₂的应用。

VO₂优异的相变特性是其用于THz波动态功能器件的保证，而影响薄膜相变性能的因素有很多。其中薄膜的微观结构（晶粒大小、晶界大小、致密度等）和化学组成是影响VO₂薄膜相变性能的关键^[7]。通过优化薄膜制备工艺参数可实现其微观结构的改变，进而调整其相变性能。化学成分也是影响VO₂薄膜相变性能的因素之一，例如通过W、Mo等元素掺杂可以降低相变激发阈值，从而进一步满足实际应用^[8-9]。

2 VO₂薄膜相变过程中THz波传输特性研究

THz波透过率会随着VO₂电阻的变化而改变，因此外加激励下VO₂薄膜相变的特性可用于高效的THz波动态调控。自2006年以来，丹麦理工大学的JEPSEND P U等人利用太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)测试了VO₂薄膜在太赫兹波段的热致相变特性，测试结果表明，随着VO₂薄膜的相变，透射的THz波逐渐减小，这说明将VO₂薄膜用于调制THz波及制作THz开关等方向是可行的^[10]。2008年，NAKAJIMA M等人报道了光致相变下VO₂薄膜对THz波的超快调制行为^[11]。实验结果表明VO₂薄膜的相变时间为0.7 ps，可实现对THz波40%的调制幅度。

除了探索不同激励下VO₂的相变特性外，研究人员也通过优化薄膜质量来提高其相变前后对THz波的开关比。2010年，CHEN C等人通过磁控溅射沉积出高质量的VO₂薄膜^[12]，对THz 波各频点的调制幅度均大于80%，该薄膜优异的相变效果被归因于其特殊的外延生长结构。2011年，哈佛大学MANDAL P等人同样通过外延生长制备VO₂薄膜，得到约85%的THz开关效果^[13]。但是这类方法对材料制备要求较高，施奇武等人从实验上系统分析了VO₂微观结构和化学组成对其THz波传输性能的影响规律^[14-16]，提出了VO₂薄膜相变过程中的THz波渗流现象：即低纯度导致的无相变区域和薄膜中孔洞、间隙等会为THz波透射提供渗流通道，导致薄膜的THz波开关比降低。基于该理论，通过调控薄膜厚度实现其微观结构纳米致密化，最终可以稳定制备得到THz波开关比大于80%的优质VO₂薄膜，如图2所示。

此外，ZHU H F等人^[17-18]提出了一种基于阻抗匹配的VO₂薄膜相变THz振幅调制方法(如图3所示)，利用VO₂薄膜相变过程中电导率变化，动态调节沉底/薄膜/空气界面阻抗，实现了VO₂半导体态到阻抗匹配态高到94.5%的振幅调制深度，以及阻抗匹配态到VO₂金属态约97.6%的振幅调制深度。该工作为基于VO₂薄膜的THz波动态调控提供了新思路。

3 VO₂与超材料结合实现THz波的动态调控

将VO₂薄膜与超材料结合，可以发挥VO₂薄膜相变过程中超快、高效调控THz波传输以及超材料的THz波谐振特性。近年来研究人员做了大量尝试，提出二者结合在超快幅度和相位调制器、可调谐吸收器、开关、偏振转换器等THz动态调控器件中的应用。目前，VO₂与超材料的结合方式主要是将VO₂与超材料结构单元结合，若再加以细分，则可分为叠加式复合和嵌入式复合两类；另外，还有少量研究提出直接将VO₂材料图案化，构造新型的无金属超材料。下面将分别对这几类情况进行介绍。

3.1 VO₂与超材料叠加式复合

叠加式复合指的是将VO₂层作为超材料介质层的一部分。在相变前，VO₂表现为半导体态，对THz波的传输影响不大。而相变后，金属态的VO₂可有效实现对THz波的屏蔽。从而经过精心的超材料结构设计，可丰富对THz波的调控功能。2009年，DRISCOLL T等人^[19]在Science上发表文章，利用VO₂相变材料为核心设计了记忆超材料，提出了VO₂材料在THz功能器件中应用的可行性，如图4所示。2018年，HU F 等人^[20]将VO₂薄膜插入Si₃N₄介质层中，设计了一种在极低电流和低频范围内工作的宽带THz强度调制器。通过在两端施加电流，金属中的欧姆热可引起VO₂相变，在0.5 THz处可实现99%的调制深度。2014年，电子科技大学张雅鑫教授课题组与四川大学黄婉霞教授课题组合作，基于VO₂的光激发特性，提出了一种动态谐振可调太赫兹功能器件，如图5所示，在双谐振频率之间实现0.28~0.36 THz的通带，调制深度达到80%左右^[21]。该装置可在泵浦激光器的控制下提供1 MHz的超快调制速度，已经是目前报道所知的最好效果。随着调制速度的增大，其调制深度下降严重，并因此失效。研究人员认为薄膜相变回复存在明显滞后，相变循环时间延长是导致其应用于调制器件是速率减低的主要原因。

此外，将多层超材料结构与多层VO₂结构相互叠加复合，可以设计出一些新型太赫兹功能器件。当VO₂为半导体相时，结构中主要为金属谐振单元实现对太赫兹波的调控，而当VO₂相变为金属相时，金属态的VO₂或与原金属谐振单元相互作用，或形成新的谐振腔，可以实现单一固态器件的多种功能切换。2018年，LI X K等人使用VO₂设计了一种吸收与反射状态可切换超曲面^[22]。当VO₂处于绝缘状态时，超曲面可以在0.535~1.3 THz的频率范围内对THz波有97.2%的吸收率；一旦VO₂升温并切换到完全金属状态，设计的超曲面在0.5~1.3 THz的频率范围内展现出有效的反射效果。所提出的结构会在温度传感器和成像方面具有一定应用。此外，通过VO₂结构与金属谐振层有目的地叠加，ZHAO Y等人设计了一种薄型宽带可切换太赫兹超材料吸收器^[23]，如图6所示。将VO₂引入结构使得吸收器可热切换，即可以通过改变温度从1.12 THz~1.25 THz的宽带吸收器切换到0.76 THz~0.86 THz的另一个宽带吸收器，且两个带的吸收率均超过90%，丰富了THz吸收器器件的功能。

3.2 VO₂与超材料嵌入式复合

VO₂与超材料嵌入式复合指的是将VO₂材料嵌入到金属谐振器结构中，通常是电场集中的部位，从而可以利用VO₂的相变特性，增强或减弱局域电场，实现对太赫兹波的调控。如VO₂嵌入式结构可用于调频和模式切换等功能，2018年，CAI H L等人提出了一种基于VO₂的混合超曲面^[24]。通过在非对称开口环谐振器的两个侧隙嵌入VO₂材料来进行THz波调制，结构的绝对调制深度高达54%。该结构在电触发下实现2.2 s的切换时间，并在飞秒脉冲激励下在30 ps内提供超快调制。这项研究为电控太赫兹开关和超快太赫兹光学器件等方面的研究提供了指引。2019年，南京大学提出了一种由两个背对开口金属结构的周期阵列与VO₂垫片组成的结构。该结构可利用VO₂相变过程中电导率的变化实现谐振模式的切换。此外还基于热、电和光的刺激，通过实验演示了这种模式切换现象^[25]。这种不同的刺激下谐振模式切换结构对于在实际应用中操纵THz波非常有用。

此外，基于VO₂的超材料在THz频率也可实现相位控制和偏振转换等功能。2018年，NOUMAN M T等人提出了一种基于VO₂的调制THz相位和偏振的超表面^[26]。结构由金属光栅和VO₂薄膜混合构成。通过改变输入偏置电流大小，实现了共振频率从0.52 THz～0.37 THz的移动。这种共振频移引起y极化入射场64°的相位改变。此外，利用VO₂的光致相变特性，电子科技大学张雅鑫等人将VO₂薄膜嵌入超材料设计了一种单层VO₂嵌套复合结构^[27]，如图7(a)所示。通过控制外部激光器的功率，实现了接近0.6 THz的相移，并且在575~630 GHz的带宽内，实现了大于130°的太赫兹波相位动态调控。这种相移调制技术在THz成像、通信等领域具有广阔的应用前景。

2018年，ZHENG X X等人提出了一种含有VO2薄膜的超材料太赫兹偏振转换器，如图7(c)～图7(d)所示。该结构在4.95～9.39 THz下实现了高于90%的宽带偏振转换率（PCR），并且在3个峰处可以获得高于98.9%的偏振转换效果。该转换器可用于开发温度传感器和偏振装置^[28]。

3.3 全介质VO₂超材料结构

大部分研究提出的VO₂与超材料复合结构涉及复杂的金属微结构设计和加工，另外金属层还会导致THz波的色散吸收和能量损耗等。近来，有少量研究提出基于VO₂薄膜的全介质超材料。例如，2010年，电子科技大学文岐业等人首次提出将VO₂薄膜图案化，形成周期性的截线单元超材料阵列。利用VO₂相变特性能在0.6 THz处获得了65%的调制幅度^[29]。2019年，LIU H等人提出了VO₂结构宽带可调谐THz功能器件^[30]，如图8所示。在低温下，结构对入射THz波的吸收较低。然而，随着温度从50 ℃升高到70 ℃，VO₂膜逐渐从绝缘转变为金属相，此时，所提出的结构逐渐转变为宽带THz吸收体，获得了在连续频率范围内具有约2.0 THz的带宽的极高吸收(大于80%)。而在其他吸收器中这种大的范围的灵活热调控是不易实现的。

4 结论

相变材料VO₂的电导率突变特性、在THz波段的超快响应特性使其在THz波动态调控器件中展示出巨大的应用潜力。但目前还存在诸多问题需要进一步深入研究。首先，优质的VO₂薄膜材料是其在THz 波段应用的基础，研发更高效、稳定的制备工艺仍具挑战。其次，虽然VO₂的理论相变速度在ps量级，但是目前所研制的相关THz功能器件响应速度还远低于理论值。后续研究应从材料相变机制、结构优化设计等方面开展研究，尝试予以改善。另外，功能复杂化的VO₂-超材料复合结构涉及复杂的超材料结构设计，将给微加工制造技术带来一定挑战。

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作者信息:

路学光，彭 博，黄婉霞，施奇武

(四川大学 材料科学与工程学院，四川 成都610064)

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