本文選題：二氧化釩　切入點：中紅外　出處：《電子科技大學》2017年碩士論文

【摘要】：可調諧光學天線對于中紅外波的振幅和相位具有動態(tài)調控功能,對于發(fā)展可重構新型光電器件具有重要意義,在中紅外調制、探測等領域具有廣闊應用前景。本論文將氧化釩相變材料引入到光學貼片天線,研制了可調諧中紅外天線器件,取得了在中心頻率處達到10%的共振模式頻率范圍和高達47.3%的吸收調制幅度,為實現(xiàn)中紅外波的調控提供了一種新方法。論文取得的創(chuàng)新研究成果包括:利用有限元仿真軟件對天線結構進行仿真計算,設計出具有金圓盤貼片天線陣列-二氧化釩相變介質層-二氧化硅緩沖層-銅襯底的層狀貼片天線結構、以二氧化釩為調諧功能材料的中紅外溫控調諧光學天線,進而運用微納加工技術手段制備出該天線結構樣品。在傅里葉變換紅外光譜(FTIR)測試中,實驗觀察到該天線器件在TM入射光以15°角入射情況下,20THz~50THz頻段內(nèi)具有23.6THz、33.5THz以及47.3THz三個主要的天線共振峰。通過將實驗結果與仿真模型進行對照,本文發(fā)現(xiàn)23.6THz和47.3THz處的吸收峰分別是貼片天線的TM11模式和TM12模式,而位于33.5THz處的吸收峰在本質上是相鄰貼片金圓盤之間的縫隙模式。在溫度變化過程中,該光學天線樣品在中紅外頻段實現(xiàn)了295K~365K溫度范圍內(nèi)的連續(xù)調諧功能,并觀察到天線吸收峰在溫度升高時向長波方向移動,溫度降低則吸收峰藍移。其中TM12吸收峰的調諧范圍最大可達4THz,吸收率最高達到81.6%,具備較寬的調諧范圍和良好的吸收率。在進一步升-降溫調諧測試中,實驗觀察到了天線吸收峰頻率在340K溫度附近的滯回線效應,這一特性證明了天線的調諧性質是來自二氧化釩相變過程。另外,經(jīng)過對天線樣品的SEM、XRD及XPS等材料性能測試,發(fā)現(xiàn)了天線內(nèi)部二氧化釩不純的證據(jù)以及天線表面貼片的不規(guī)則,從材料與器件尺寸的角度上解釋了天線樣品吸收曲線測試結果與仿真模型之間所存在的差異,同時為后續(xù)的設計與優(yōu)化指明了方向。本文研制的可調諧中紅外天線器件拓展了氧化釩相變材料在紅外光學波段的器件應用,為中紅外波的動態(tài)調控提出了創(chuàng)新性解決方案。
[Abstract]:The tunable optical antenna has the dynamic control function for the amplitude and phase of the mid-infrared wave and is of great significance for the development of new reconfigurable optoelectronic devices. In this paper, the phase change material of vanadium oxide is introduced into the optical patch antenna, and the tunable mid-infrared antenna device is developed. The resonant mode frequency range of 10% and absorption modulation amplitude up to 47.3% are obtained at the center frequency. This paper provides a new method for the control of mid-infrared wave. The innovative research achievements in this paper include: using finite element simulation software to simulate the antenna structure, A layered patch antenna structure with gold disk patch antenna array, vanadium oxide phase change dielectric layer, silicon dioxide buffer layer and copper substrate is designed. Using vanadium oxide as tuning functional material, a mid-infrared tunable optical antenna is designed. Then the antenna structure sample was prepared by using micro-nano processing technology. In the Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) test, It is experimentally observed that the antenna device has three main antenna resonance peaks in the frequency band of 23.6 THz and 33.5 THz and 47.3THz in the case of TM incident light at an angle of 15 擄. The experimental results are compared with the simulation model. In this paper, we find that the absorption peaks at 23.6THz and 47.3THz are TM11 mode and TM12 mode of patch antenna, respectively, while the absorption peak at 33.5THz is essentially a gap mode between adjacent gold plates. The optical antenna sample is tuned continuously in the 295K~365K temperature range in the mid-infrared band. It is observed that the absorption peak of the antenna moves to the direction of long wave as the temperature rises. The maximum tuning range of TM12 absorption peak is up to 4THz, and the maximum absorptivity is 81.6, which has a wide tuning range and good absorptivity. The hysteretic loop effect of antenna absorption peak frequency near 340 K temperature is observed experimentally, which proves that the tuning property of antenna is derived from vanadium oxide phase transition process. The evidence of vanadium oxide impure inside the antenna and the irregularity of antenna surface patch are found. The difference between the measurement results of antenna sample absorption curve and the simulation model is explained from the point of view of material and device size. The tunable mid-infrared antenna device developed in this paper extends the application of vanadium oxide phase change material in infrared optical band and provides an innovative solution for the dynamic control of mid-infrared wave.
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TN820

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本文編號：1669319