發(fā)布時間：2020-09-03 19:37

　　 人工電磁超材料是通過人工功能基元的設(shè)計和空間序構(gòu)的排列來構(gòu)筑的新材料,它展現(xiàn)出許多新奇的、超常的力、熱、光、聲、電、磁等物理特性,因此長期成為國際熱門研究領(lǐng)域。人工電磁超材料在二十幾年前起就被廣泛關(guān)注,受益于納米加工技術(shù)、電磁模擬手段以及表征手段的迅猛發(fā)展,該學(xué)科近年來又獲得了新的發(fā)展動力。相變材料,尤其是VO_2和Ge_2Sb_2Te_5(GST),作為未來電子FLASH存儲器的最佳代表,已被廣泛應(yīng)用于商業(yè)光盤和可重寫光學(xué)數(shù)據(jù)存儲等領(lǐng)域。相變材料是典型的智能型材料,在熱驅(qū)動下,可實現(xiàn)相變,并伴隨光、電、磁等性質(zhì)的改變。正是由于這種特殊性質(zhì),相變材料在光電器件等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用前景。但是目前由于在光電器件集成方面不成熟,加工及測試還存在一些難題,所以仍然需要展開更加深入的研究,以促進基于相變材料的有源光電器件進一步發(fā)展。在本論文中,我們研究了若干基于相變材料的人工電磁超材料的光學(xué)器件,包括超寬譜高效光吸收體,超快可調(diào)制光熱器件以及新型3D手性超材料三個方面。論文主要內(nèi)容如下:一、我們用數(shù)值模擬的方法設(shè)計并證明了一種新型的基于相變材料GST的超寬譜、偏振不敏感的超材料完美吸收體。該結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新之處在于引入了高損耗的GST方形諧振單元作為超材料的頂部共振因子,同時由于GST的高色散屬性還被引入到超材料中作為共振微腔。研究表明,在垂直光照下,由于GST方形諧振單元激發(fā)的偶極子和四極子共振以及GST微腔激發(fā)的微腔共振,使得該結(jié)構(gòu)在可見及近紅外波段產(chǎn)生了三個高效的光吸收峰,并在整個研究波段內(nèi)器件的平均光吸收效率達到了92.92%。此外,吸收峰的強度和位置強烈地依賴于結(jié)構(gòu)參數(shù)。利用熱傳輸模塊進行模擬,發(fā)現(xiàn)在入射光強度僅為1.11×10~8 W/m~2下,該結(jié)構(gòu)中的GST區(qū)域只需0.37 ns即可由室溫達到相變溫度433 K,且GST相變后,該設(shè)計器件仍能實現(xiàn)平均值為86.2%的高效光吸收性能。該結(jié)構(gòu)為設(shè)計高效的光學(xué)器件提供了一種可行的途徑,可被廣泛應(yīng)用于生物學(xué),光存儲及熱光伏等領(lǐng)域。二、表面等離子體納米結(jié)構(gòu)與功能有源型材料結(jié)合的異質(zhì)結(jié)構(gòu),可實現(xiàn)納米器件的功能切換,因此在納米集成電路中有巨大的應(yīng)用潛力。二氧化釩(VO_2)是一種典型的相變材料,在半導(dǎo)體和金屬兩態(tài)之間,VO_2具有可逆性切換的光學(xué)/電學(xué)性質(zhì),并在紅外波段內(nèi)存在巨大的折射率對比度。我們利用Au表面等離子納米天線陣列與VO_2結(jié)合的異質(zhì)超材料結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了可切換的光吸收效應(yīng)。與等效平直對比器件相比,該設(shè)計結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出顯著的電場增強特性,并且展示了偏振不敏感及廣角高吸收的特性,這主要歸因于該結(jié)構(gòu)激發(fā)了強烈的電磁場共振及其耦合。同時,利用VO_2的相變特性,該設(shè)計結(jié)構(gòu)還實現(xiàn)了光吸收效率從99.9%向10%跳躍式的切換。有趣的是,通過調(diào)節(jié)Au納米天線陣列單元的大小以及VO_2的金屬化水平,該設(shè)計器件還可連續(xù)調(diào)節(jié)共振的強度和位置。利用熱傳輸模塊的模擬表明,該器件在強度僅為1.9×10~6 W/m~2的脈沖下,只需0.26 ns即可導(dǎo)致VO_2區(qū)域由半導(dǎo)體態(tài)過渡到金屬態(tài)。與等效平直對比器件相比,該設(shè)計結(jié)構(gòu)可有效地降低VO_2相變所需的時間以及所需入射脈沖的光功率。因此,該器件有望被應(yīng)用于超快光開關(guān),高能光電器件等領(lǐng)域。三、與自然界的手性媒質(zhì)相比,人工設(shè)計的手性超材料在手性效應(yīng)方面可提高幾個數(shù)量級。我們提出了一種易于制備的3D手性超材料,其結(jié)構(gòu)單元是由可產(chǎn)生超常透射的空氣孔和不對稱的豎直臂組成。通過理論計算和實驗測量發(fā)現(xiàn),在特定線偏振光入射下,該手性超材料可同時支持五重Fano共振態(tài),并且該手性超材料由于結(jié)構(gòu)的不對稱性導(dǎo)致對入射的左旋和右旋圓偏振光響應(yīng)不同,因此呈現(xiàn)出巨大的圓二向色性(CD),CD對比度高達160%。更有趣的是,該手性超材料結(jié)構(gòu)單元中的“梁”可作為連續(xù)操縱光學(xué)手性的翻轉(zhuǎn)標(biāo)尺,實現(xiàn)旋向選擇性增強和CD符號的切換。這些特性使該手性超材料有望被應(yīng)用到手性光學(xué)系統(tǒng)中,如超靈敏生物傳感,極化成像,量子信息處理等。四、我們介紹了利用相變材料GST實現(xiàn)高效圓轉(zhuǎn)換二向色性和調(diào)控手性超材料圓二向色性方面的兩個設(shè)計工作。這兩個設(shè)計結(jié)構(gòu)單元均由錯位的兩矩形孔和豎直GST平板組成。不同的是,第一個設(shè)計的兩錯位空氣孔沒有交疊,我們稱之為NICMM,第二個設(shè)計的兩錯位空氣孔存在交疊,我們稱之為ICMM。針對第一個方案,在GST相變前,NICMM在線偏振光下能實現(xiàn)Fano共振,且對不同的圓偏振光透射響應(yīng)不同,因此產(chǎn)生了巨大的圓二向色性,約為0.8;然而GST相變后,NICMM的圓二向色性大幅降低,僅為0.3,不符合CD調(diào)控的實際需要。但對透射光圓偏振態(tài)的分析發(fā)現(xiàn),右旋圓偏振光入射下,該結(jié)構(gòu)能夠高效地將右旋圓偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)樽笮龍A偏振光透射出去,轉(zhuǎn)換率高達93.6%;且在波段2405至2530 nm內(nèi),右旋圓偏振轉(zhuǎn)換效率(T_(rl))值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過單層平面手性超材料圓轉(zhuǎn)換二向色性的理論極值0.25,并在2435 nm波長處達到最大值0.53,這充分表明NICMM結(jié)構(gòu)能夠有效地提高圓轉(zhuǎn)換二向色性效應(yīng),因此有望被應(yīng)用于圓偏振轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域。針對第二個方案,在GST相變前,ICMM在線偏振光下同樣能實現(xiàn)Fano共振,且對不同的圓偏振光透射響應(yīng)不同,可產(chǎn)生巨大的圓二向色性,約為0.8;不同的是在GST相變后,ICMM的CD譜僅僅發(fā)生了紅移,仍維持了巨大的圓二向色性(~0.8),并且CD譜的半高全寬也得到了拓寬。也就是說GST相變后,ICMM的圓二向色性得到了進一步的改善,因此有望被應(yīng)用于手性調(diào)控及檢測等領(lǐng)域。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB34
【部分圖文】：

1.1 人工電磁超材料簡介人工電磁超材料 (Metamaterials)，又稱超介質(zhì)、特異材料等，指的是將深波長尺度的人工功能基元按照一定的宏觀序周期性排列所形成的復(fù)合材料/介[1, 2]。通過對人工功能基元的周期性有序排列，超材料可以形成自然界中的材料所不具備的新奇的、超常的力、熱、光、聲、電、磁等物理特性，并且這種超常特性不依賴于構(gòu)建材料的固有屬性，僅由人工功能基元及其宏觀排序共同決定根據(jù)等效介質(zhì)理論，由于人工超材料結(jié)構(gòu)單元的尺寸遠(yuǎn)小于入射波長，因此我們可將人工超材料近似看作均勻媒質(zhì)，人工功能基元相當(dāng)于自然界中材料的分子或原子[3, 4]，如圖 1.1 所示。與自然界中材料相比，人工超材料最大的不同在于其等效介電常數(shù) 和磁導(dǎo)率 μ可根據(jù)需要被設(shè)計為任意值，并且人工功能基元可自主構(gòu)建，因此，超材料的宏觀性質(zhì)更加靈活可調(diào)，大大增強了對電磁場的的操控性。

基于相變材料的超材料對光吸收及手性效應(yīng)的調(diào)控一般來說，我們可以用宏觀電磁參數(shù)：介電常數(shù) 和磁導(dǎo)率 μ來描述電磁波與物質(zhì)相互作用的各種電磁響應(yīng)。根據(jù)電磁響應(yīng)可以將材料劃分為四個象限，如圖 1.2 所示，其中 是橫坐標(biāo)，μ是縱坐標(biāo)[5]。其中第一象限 > 0，μ> 0，表示的是自然界中常規(guī)的介電材料，電磁波在其中可正常傳播，并且電場矢量、磁場矢量和波矢完全遵循右手定則，因此又稱右手材料。第二象限 < 0，μ> 0，以及第四象限 > 0，μ< 0 分別表示電等離子體和磁等離子體媒介，此時電磁波為倏逝波，由于損耗的存在導(dǎo)致傳播距離非常有限。而第三象限沒有自然材料與之對應(yīng)。

磁響應(yīng)的材料時，金屬圓環(huán)表面會激發(fā)表面電流，出現(xiàn)電感作用；而激開口處，會形成電容。電感和電容共同作用產(chǎn)生共振，中，兩圓環(huán)形成的表面電流共同作用會產(chǎn)生磁偶極矩，同可以使兩環(huán)中產(chǎn)生的的電偶極矩相互抵消，從而使得該結(jié)。此外，由于該結(jié)構(gòu)單元的尺寸為亞波長量級，因此產(chǎn)生構(gòu)的有效磁導(dǎo)率。自該成果發(fā)現(xiàn)以來，科學(xué)家們通過進一產(chǎn)生更多新奇的特性。2000 年，加利福尼亞大學(xué)的 D.把開口諧振環(huán)和金屬棒結(jié)構(gòu)組合起來，首次在理論上同時磁導(dǎo)率[8]。2001 年，D. R. Smith 團隊首次通過實驗觀察存在[9]。近十多年來，左手材料理論發(fā)展地更加完善，具能的左手材料被不斷提出并驗證[10-14]，同時負(fù)折射現(xiàn)象也段推廣到了光學(xué)波段[15, 16]。

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