一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件

1.本发明涉及超材料研究技术领域，尤其是涉及一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件。


背景技术：

2.在过去的十年中，超构表面的发展已经改变了我们操纵光线的方式。金属表面是二维(2d)超材料，在亚波长尺度上控制光的振幅、相位和偏振。通过仔细设计元原子的形状、位置和间距，可以有效地控制传播光的远场波前，创建创新的二维光子器件，如平面透镜、完美吸收体、非互易元表面和非线性元表面。此外，超构表面还被证明可以调制近场表面波或表面等离子体模式。尽管取得了这些进展，但今天展示的大多数亚表面器件都是无源的，在设计和制造后具有固定的光学常数。活性亚表面可以通过外部刺激调节光学参数，近年来引起了极大的研究兴趣。制造有源超构表面的一种方法是集成有源光子材料作为单元原子的一部分。在电，磁，热或光刺激下，可以调制有源光子材料的光学常数，从而调制近场模式剖面，从而调制亚表面的远场光学常数。多种活性光子材料被提出用于活性超构表面应用，例如相变材料、ε近零材料、液晶、磁光材料、通过电化学反应的金属和2d材料。还展示了基于这些设备的新功能，包括光学开关和调制、光束控制、可调结构颜色和热伪装等。
3.相变材料，如vo2、gst、gsst，可以为活性金属表面应用提供大的折射率对比。在这些相变材料中，vo2具有以下优点：a.与gst/gsst相比，基于vo2的器件需要更低的能量或温度来诱导绝缘体-金属相变(imt)。b.vo2的imt是不稳定的，可以用于需要动态调制的设备。c.vo2的imt过程可以通过光子激发在飞秒时间尺度上触发，这种超快imt过程归因于光载流子诱导的mott带隙坍缩导致的mott-hubbard型相变，而没有晶体结构变化。最近的一项实验表明，这种现象发生在30fs内。因此，vo2被认为是一种有前途的相变材料，用于活性金属表面应用，vo2显示温度为68℃时的imt，可见光至太赫兹频率范围内的光学常数变化显著。各种基于vo2的有源纳米光子器件已被开发用于应用，包括可调谐偏振器、全光开关、可调谐结构颜色、自适应伪装和可调谐完美吸收体等。在au/vo2混合等离子体结构中观察到了能量有效的相变。然而，由于高损耗等离子体共振模式，这些器件中的许多显示出相对较低的透射率，这对于光学调制是不期望的。此外，基于vo2的等离子体器件通常需要昂贵的自上而下的制造方法，如电子束光刻和聚焦离子束蚀刻，从而将器件尺寸限制在小面积。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，解决了现有近红外波段传统光学器件体积大，透射率低下，在波长或者亚波长尺寸上进行光束操纵的性能有限以及超表面器件的结构加工困难，传输转化效率低下的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其结构包括两种形式，分别为光开关器件和光反射器件，所述光开关器件包括自下而上依次排布的基底、相变材料薄膜和金属薄膜，所述相变材料薄膜的厚度小于所述基底的厚
度，且大于金属薄膜的厚度；
6.所述光反射器件包括自下而上依次排布的基底、相变材料薄膜、介质层和金属薄膜，所述相变材料薄膜的厚度均大于所述介质层的厚度和所述金属薄膜的厚度，且小于所述基底的厚度，所述介质层的厚度大于所述金属薄膜的厚度。
7.优选的，所述光开关器件和所述光反射器件中的基底、相变材料薄膜和金属薄膜均为相同的材料。
8.优选的，所述基底均为双面抛光的sio2。
9.优选的，所述相变材料薄膜均为使用pld沉积生长的vo2薄膜。
10.优选的，在所述光开关器件中，所述vo2薄膜的厚度为90nm；在所述光反射器件中，所述vo2薄膜的厚度为70nm。
11.优选的，所述金属薄膜均为溅射生长的金孔洞薄膜。
12.优选的，在所述光开关器件中，所述金孔洞薄膜的厚度为30nm；在所述光反射器件中，所述金孔洞薄膜的厚度为20nm。
13.优选的，所述介质层的材料为透明的si层，其厚度为60nm。
14.优选的，利用聚苯乙烯(ps)小球紧密排列制作周期性的纳米孔洞结构，具体包括以下步骤：
15.步骤1、在sio2为基底、vo2薄膜的样品表面制备一层紧密排列的ps小球阵列。为了防止小球在后续流程中发生移动，将附着小球的样品放在105℃加热台上15s，略微融化小球底部固定在基片上；
16.步骤2、利用氧等离子体刻蚀ps小球，使其尺寸缩减至400nm；
17.步骤3、采用磁控溅射的方法在样品上沉积一层30nm厚的金膜；
18.步骤4、使用超声波机，在甲苯溶液中协助剥离样品上方的ps小球，分别在乙醇、去离子水中交替清洗，清洗时间不少于2分钟，最后在vo2薄膜上完成周期性孔洞结构的制备。
19.优选的，在步骤1中，使用的ps小球的直径为500nm。
20.因此，本发明采用上述一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，具有以下优点：
21.1.光开关器件在vo2介质态时，通过设计金属孔洞结构的周期和尺寸，满足表面等离子共振(surfaceplasmonresonance,spr)动量守恒条件，能够在中红外波长激励出au/air界面的spr模式，进一步通过孔洞结构隧穿至下表面au/vo2产生spr模式，并辐射出去，获得较高的透过效率，形成eot现象。
22.2.当vo2薄膜材料相变至金属态，eot消失，入射光被反射和吸收，透过率低。因此，通过改变vo2薄膜材料的相变态，能够在高透过和低透过之间切换，具有高的光开关比的光开关器件。
23.3.进一步，器件中au/vo2界面的spr波长设计在1200nm附近，通过spr提高vo2薄膜内电场强度以及热电子注入，能够在更低能耗下实现vo2薄膜相变。
24.4.在入射波长2360nm时产生高的光开关比，预计能在fs时间尺度上实现了全光光开关。
25.5.光反射器件的设计在原有的光开关的基础上中间加入了一个si层，形成mim结构，使得入射波与反射波存在一定的相位差，产生干涉，形成光反射器件。
26.6.实验和仿真验证了对于光反射器件对于相位干涉的原理，为超构表面器件的光场调控迈出了原始的一步。
27.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
28.图1是本发明中光开关器件示意图；
29.图2是本发明中光开关器件au/vo2活性超构表面的制造和表征；
30.图3是本发明中ps小球自组装法制备微纳结构流程图；
31.图4是本发明中au/vo2活性超构表面与vo2薄膜的温度变化图；
32.图5是本发明中au/vo2活性超构表面的光学性能；
33.图6是本发明中光反射器件示意图；
34.图7是本发明中高度变化对于超构表面结构光学性能的影响；
35.图8是本发明中光反射器件au/vo2活性超构表面的制造和表征。
具体实施方式
36.以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
37.图1为本发明中光开关器件示意图，其中(a)表示为光开关的结构组成，(b)表示为光开关功能示意图，定义为1/0模式。
38.图2为本发明中光开关器件au/vo2活性超构表面的制造和表征，其中(a)表示为两组1
×
1cm2活性超构表面样品照片，上下为不同角度拍摄；(b)表示为au/vo2超构表面的afm表面形貌；(c)表示为vo2镀层的xrd表面形貌；(d)表示为au/vo2超构表面的xrd表面形貌；(e)表示为au/vo2超构表面的sem俯视图图像，面积为20
×
20μm2；(f)表示为au/vo2超构表面的sem局部放大图像；(g)表示为au/vo2超构表面的sem横截面图像。
39.图4为本发明中au/vo2活性超构表面与vo2薄膜的温度变化图，其中(a)表示为温度升高vo2膜的温度依赖性透射谱；(b)表示为温度降低vo2膜的温度依赖性透射谱；(c)表示为温度升高超构表面的温度依赖性透射谱；(d)表示为温度降低时超构表面的温度依赖性透射谱。
40.图5为本发明中au/vo2活性超构表面的光学性能，其中(a)表示为介质态和金属态下的超构表面模拟透射谱；(b)表示为质态和金属态下的超构表面实验透射谱；(c)表示为超构表面的方块电阻的温滞回线图；(d)表示为2360nm波长下超构表面和vo2薄膜的透过率随温度的变化。
41.图6为本发明中光反射器件示意图，其中(a)表示为光反射器件的结构组成；(b)表示为光反射器件功能示意图。
42.图7为本发明中高度变化对于超构表面结构光学性能的影响，其中(a)表示为不同si层高度下绝缘态的透射率；(b)表示为不同si层高度下绝缘态的反射率；(c)表示为不同si层高度下绝缘态的吸收率。
43.图8为本发明中光反射器件au/vo2活性超构表面的制造和表征，其中(a)表示为两
组1
×
1cm2活性超构表面样品照片，上下为不同角度；(b)表示为au/vo2超构表面的sem俯视图图像，面积为20
×
20μm2；(c)表示为au/vo2超构表面的sem局部放大图像；(d)表示为au/vo2超构表面的sem横截面图像；(e)表示为超构表面光学性能仿真图；(f)表示为超构表面样本一光学性能实验图；(g)表示为超构表面样本二光学性能实验图。
44.实施例一
45.如图1所示，图1(a)展示了光开关器件的结构单元示意图，从图中可以看出，光开关器件由底层90nm厚的vo2薄膜和顶层30nm厚的金孔洞薄膜沉积在双面抛光sio2基底上组成。基底为标准制式的石英基片1
×
1cm2，折射率为1.45，底层为使用pld沉积生长的vo2薄膜，顶层为溅射生长的金孔洞薄膜。
46.图1(b)表示了整个光开关器件功能示意图，底层vo2相变前后的性质分别对应开关的1/0模式。在vo2介质态时，通过设计金属孔洞结构的周期和尺寸，满足表面等离子共振动量守恒条件，能够在中红外波长激励出au/air界面的spr模式，进一步通过孔洞结构隧穿至au/vo2的下表面并辐射出去，获得较高的透过效率，即eot现象。底层vo2相变前整个结构呈现“开”状态，光线透过率高定义为模式“1”。加热使得vo2薄膜产生相变，eot消失，入射光被反射和吸收，透过率低。相变后整个结构呈现“关”状态，光线透过率低定义为模式“0”。因此，通过改变vo2薄膜材料的相变态，使得整个器件能够实现在“1/0”模式之间灵活切换，实现高开光性能比的可重构光开关器件。进一步，将au/vo2界面的spr波长设计在近红外波段，有望通过添加外加激光泵浦实现该表面上的spr，进而提高vo2薄膜内电场强度以及热电子注入，使得在更低能耗下完成vo2薄膜相变过程。
47.根据仿真结果显示的高开关比效果，在对应的尺寸制作了超构表面样品，通过自组装制备，得到了图2(a)所示的一组1
×
1cm2超构表面样品的照片，从不同角度观察，可以明显地观察到样品不同的衍射光，也就意味着形成了如图2(e)所示的周期性结构。还可以明显看到不同颜色的镶嵌图案在整个样本的毫米尺度上，这是由于图2(e)中的周期结构在不同位置之间的方位角不同，扫掠入射时颜色不同。au纳米孔形成六角形晶格结构，经过对于图2(e)及(f)中sem图样的测量可以得到，孔直径为d＝400
±
10nm，孔周期为p＝500
±
50nm，与自组装ps球的结构相反，周期具有较大的标准偏差。因为自组装的ps球最终固定在相变层的时候，密排列的小球会相对地从周期晶格中产生一定量的偏移，产生的标准偏差相比氧氛围中独立刻蚀的ps小球更大。图2(b)显示了原子力显微镜(afm)测量的超构表面的表面形貌。在平坦区域，au薄膜的表面均方根(rms)粗糙度为1.5nm，表明了在vo2薄膜上沉积了光滑的au薄膜。
48.完成沉积工作后，对vo2薄膜进行xrd测试，得到的结果如图2(c)所示，xrd谱中出现(011)峰，对应于vo2薄膜的单斜结构(jcpds44-0252)，用椭偏光谱法测定了单斜相和金红石相vo2的光学常数，光学常数通过drude lorentz模型在250-1600nm波长范围内拟合，由这些模型推导出了2500nm以下的光学常数，利用这些模型中vo2的光学常数进行光学仿真模拟工作。
49.如图3所示，对于顶层的金孔洞薄膜使用单层胶体球的掩膜板制备包括以下步骤：
50.步骤1、在sio2为基底、vo2薄膜的样品表面制备一层紧密排列的ps小球阵列。为了防止小球在后续流程中发生移动，将附着小球的样品放在105℃加热台上15s，略微融化小球底部固定在基片上；
51.步骤2、利用氧等离子体刻蚀ps小球，使其尺寸缩减至400nm；
52.步骤3、采用磁控溅射的方法在样品上沉积一层30nm厚的金膜；
53.步骤4、使用超声波机，在甲苯溶液中协助剥离样品上方的ps小球，分别在乙醇、去离子水中交替清洗，清洗时间不少于2分钟，最后在vo2薄膜上完成周期性孔洞结构的制备。
54.完成上述工作后，对最终退火制备的超构表面薄膜经行了xrd谱的检测，得到的结果如图2(d)所示，衍射谱出现(011)和(022)峰，对应于vo2薄膜的单斜结构，同时产生有(111)峰，对应为顶层的金孔洞薄膜层。为了进一步证明光学调制特性，分别对超构表面样品的温度依赖性透射谱进行测试，得到了图4(a)升温和图4(b)降温两个过程的测试结果。
55.作为对照组，对检测使用的基底sio2通过静态透过率曲线将基底周围环境归一化为空气，作为背景噪声，检测发现裸sio2基底在2300nm左右的透射率为90％。进一步检测了在石英基底上只沉积了vo2薄膜的对照样品，作为光开关结构的性能对比，检测了对应的方块电阻，得到的结果如图5(c)所示。
56.同时对单斜相和金红石相的进行静态加热、降温的过程中的透射率变化进行了详细的测量，得到如图4(c)和(d)所示的结果。对于静态加热实验在温度控制方面，使用了自制的电阻式加热器，通过温控仪可以将其从室温20℃加热到100℃，分辨率为
±
0.5℃。并且，使用uv-visible光谱仪(perkinelmer,lambda750)测量随温度变化的透射谱。在改变温度时，两次测量之间间隔5分钟以稳定样品温度。可以发现当器件温度在30-80℃之间变化时，由于vo2中的imt过程，两种样品在近红外波段的透过谱都发生了显著的调制。
57.另外，孔洞结构超构表面对于光学性能的提升是显著的，频段范围在近红外长波范围具有较高的开关比。但差异主要体现在可见光以及近红外短波部分，对比发现500-1200nm波长范围内，超构表面样品表现出来的透射率在各个温度都是低于对照样本的。与之对应的是spr模式的激发作用，在spr波长附近的区域增强了的相变层以及金层界面处的电场，使得超构表面样品的透射率降低。对于近红外长波段，特别是2360nm波长附近，可以很明显的观察到超构表面样品的透射率明显提升达到了最大值。
58.超构表面样品在多了一层金孔洞层的外部条件下，介质态样品的透过率仅仅略低于同波段的对照组样本，而金属态却有着更低的透射率，显示出明显的开关比。由图5(d)可以看出，在2360nm波段下，两组结构的整体损耗方面超构表面结构有着明显的优势，该波长对应于周期性金属孔洞纳米结构阵列仿真中观察到的eot效应，对应的spr模式在金层与空气层，以及金层与vo2层的两个界面被激发和发生杂化，产生spr模式与辐射模式的耦合作用，使得传输损耗降低。而金属态下的超构表面结构表现出来的优势更加明显，添加的金层使得整个近红外波段下的透射系数都是远低于对照样本。
59.因此，相变前后超构表面结构对于该光开关的开关比性能提升是显著的。图5(a)和(b)分别显示了介质态和金属态超构表面的模拟和实验透射光谱，可以发现两种状态下的数值仿真结果与实验结果吻合较好。从图5(b)中的结果可以观察到透射率在1100nm左右下降到达波谷，在2300nm左右达到峰值。在仿真模拟中使用不同的材料进行测试，得到的模拟结果与实验结果的峰值波长相差不大。
60.针对光开关相变前后的反射率变化，通过适当的添加介质层能够有效产生完美光反射效果。在本实施例中，在vo2薄膜与金孔洞薄膜之间添加了一层透明的si层，减少对光线透射的影响。图6(a)表示了光反射器件的结构示意图，该光反射器件在双面抛光sio2基
底上沉积有一层70nm厚度的vo2薄膜，使用leybold250型蒸发镀膜机在上面镀上一层si膜，厚度为60nm，顶层磁控溅射生成20nm厚的金孔洞薄膜。基底同样为1
×
1cm2的石英基片，折射率为1.45。整个光反射器件功能示意图如图6(b)所示，对于入射光束起到良好的光反射的效果。利用超薄膜堆叠在vo2相变后的金属态形成金属-绝缘体-金属(mim)结构，这种mim腔提供了可定制的工作波长，与传统的无损f-p腔相比，mim纳米腔利用了边界损耗特性，利用波束的相干相长以实现完美光反射。
61.对于位于中间si层的厚度在20-100nm之间进行变化时，通过有限元法得到了详细的随着波长变化光学信息，如图7(a)、(b)、(c)结果所示。通过图中可以很明显的发现对于逐渐增加的si层，超构表面结构的透射率是在逐渐消减的，而且有较强的波长相关性。可见光以及近红外短波部分最高有超15％的透射率，以及较强的吸收效果，频段逐渐上升到达近红外长波范围即使是最小的si层厚度下反射效果依旧能达到80％以上。对于si层厚度在40nm以上时近红外长波范围内的反射率能达到95％以上，因此可以用作完美的光反射器。
62.另外，通过相同的工艺制作了如图8(a)所示的一组光反射器件样品，上下两组照片为不同角度拍摄，上面一组的照片为俯视图，可以从肉眼观测到较强的反射光强，对比之前的光开关照片俯视图，上述制作的光反射器件样品呈现表面金层的颜色。下面一组的照片在倾斜的角度观察可以明显观察到样品的衍射光，说明样品同样剥离了ps小球，形成了如图8(b)所示的纳米孔洞阵列，从局部放大的sem图上可以得到均匀的纳米孔洞阵列，如图8(c)所示，孔洞直径为400nm。通过如图8(d)所示的sem的横街面图像，测得金层厚度为20
±
5nm，vo2厚度70
±
5nm，si层厚度40
±
5nm，周期为500nm。忽略实验制备粗糙度的变化，对该结构进行详细的仿真对比，得到的光学参数如图8(e)所示，仿真结果能够很好的符合设计的要求，在近红外长波范围拥有极低的透射率和吸收率，反射率能够达到95％以上。
63.同样，对制作的样本进行了静态加热测试，先后测试了两个同样生产的超构表面样品的透射率与反射率，计算出样品实际的吸收率，可以看出数值仿真的结果与两组实验测试得到的结果吻合程度较高。入射波长在大于1000nm的波段时，样品一的反射率保持在80％以上。样品二的反射率变化趋势和仿真效果类似，逐渐增加的反射率能够在，1500nm入射波段以上超过90％的反射率。与仿真结果的差异主要源于ps小球的排列问题以及制作工艺的精度。仿真效果以周期的孔洞结构作为基础，因此会有更高的反射率。实验结果表明对于完美光反射器制作的可行性，为光调控器件的制作迈出了非常原始的一步。
64.因此，本发明采用上述一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，解决了现有近红外波段传统光学器件体积大，透射率低下，在波长或者亚波长尺寸上进行光束操纵的性能有限以及超表面器件的结构加工困难，传输转化效率低下的问题。
65.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：其结构包括两种形式，分别为光开关器件和光反射器件，所述光开关器件包括自下而上依次排布的基底、相变材料薄膜和金属薄膜，所述相变材料薄膜的厚度小于所述基底的厚度，且大于金属薄膜的厚度；所述光反射器件包括自下而上依次排布的基底、相变材料薄膜、介质层和金属薄膜，所述相变材料薄膜的厚度均大于所述介质层的厚度和所述金属薄膜的厚度，且小于所述基底的厚度，所述介质层的厚度大于所述金属薄膜的厚度。2.根据权利要求1所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：所述光开关器件和所述光反射器件中的基底、相变材料薄膜和金属薄膜均为相同的材料。3.根据权利要求2所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：所述基底均为双面抛光的sio2。4.根据权利要求2所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：所述相变材料薄膜均为使用pld沉积生长的vo2薄膜。5.根据权利要求4所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：在所述光开关器件中，所述vo2薄膜的厚度为90nm；在所述光反射器件中，所述vo2薄膜的厚度为70nm。6.根据权利要求2所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：所述金属薄膜均为溅射生长的金孔洞薄膜。7.根据权利要求6所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：在所述光开关器件中，所述金孔洞薄膜的厚度为30nm；在所述光反射器件中，所述金孔洞薄膜的厚度为20nm。8.根据权利要求1所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：所述介质层的材料为透明的si层，其厚度为60nm。9.根据权利要求1-8所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：利用聚苯乙烯(ps)小球紧密排列制作周期性的纳米孔洞结构，具体包括以下步骤：步骤1、在sio2为基底、vo2薄膜的样品表面制备一层紧密排列的ps小球阵列。为了防止小球在后续流程中发生移动，将附着小球的样品放在105℃加热台上15s，略微融化小球底部固定在基片上；步骤2、利用氧等离子体刻蚀ps小球，使其尺寸缩减至400nm；步骤3、采用磁控溅射的方法在样品上沉积一层30nm厚的金膜；步骤4、使用超声波机，在甲苯溶液中协助剥离样品上方的ps小球，分别在乙醇、去离子水中交替清洗，清洗时间不少于2分钟，最后在vo2薄膜上完成周期性孔洞结构的制备。10.根据权利要求9所述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其特征在于：在步骤1中，使用的ps小球的直径为500nm。

技术总结
本发明公开了一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，其结构包括两种形式，分别为光开关器件和光反射器件，光开关器件包括自下而上依次排布的基底、相变材料薄膜和金属薄膜，相变材料薄膜的厚度小于基底的厚度，且大于金属薄膜的厚度；光反射器件包括自下而上依次排布的基底、相变材料薄膜、介质层和金属薄膜，相变材料薄膜的厚度均大于介质层的厚度和金属薄膜的厚度，且小于基底的厚度，介质层的厚度大于金属薄膜的厚度。本发明采用上述的一种用于光场调制的大规模高效有源超表面器件，解决了现有近红外波段光学器件体积大，透射率低，在波长或者亚波长尺寸上进行光束操纵的性能有限及超表面器件的结构加工困难，传输转化效率低下的问题。转化效率低下的问题。转化效率低下的问题。


技术研发人员：唐婷婷 何珂 李杰 李朝阳 康同同
受保护的技术使用者：成都信息工程大学
技术研发日：2023.05.19
技术公布日：2023/8/16