基于垂直堆叠VO2结构的太赫兹超窄带与宽带可切换吸收器

《Materials Science and Engineering: B》：Terahertz ultra-narrowband and broadband switchable absorber based on vertically stacked VO2 structure

　　

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  本文提出了一种垂直堆叠的VO₂–硅太赫兹超材料吸收器。
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  该器件通过VO?相变实现超窄带与宽带吸收之间的切换。
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  这种垂直堆叠结构从物理上消除了平面多谐振设计中存在的模式串扰问题。

引言

作为电子学与光子学之间的桥梁，太赫兹科学与技术近年来已成为重要的前沿研究领域。这一独特的电磁波段具有诸多优良特性：其较低的光子能量使得生物组织能够被安全穿透，广阔的频谱资源则为超高速无线通信提供了可能，而对分子振动和转动跃迁的高灵敏度则使其在材料识别和高分辨率成像方面具有独特优势[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9]。然而，天然材料在太赫兹波段的响应通常较弱，这限制了相关功能器件的发展。超材料通过亚波长人工微结构，具备了前所未有的电磁控制能力，为克服这一瓶颈提供了新的途径。尤其是基于超材料的太赫兹吸收器，因其在电磁隐身、能量收集、热管理以及传感等方面的应用价值而备受关注[10], [11], [12], [13], [14], [15]。尽管研究人员已经开发出了具有窄带[16], [17], [18]或宽带[19], [20], [21]响应特性的各种吸收器，但大多数传统设计都属于被动器件，其电磁响应在制造完成后便固定不变，难以适应日益复杂的动态应用场景。

为克服功能固定的被动超材料的局限性，开发具有主动可调功能的智能太赫兹器件已成为该领域的重要发展方向[22], [23], [24], [25]。实现动态控制的核心思路是将超材料结构与主动介质相结合，通过施加电场、磁场、光照射、热激发或机械应力等外部刺激，主动改变它们的光电性能[26], [27], [28], [29], [30], [31]。在各类主动材料中，二氧化钒（VO₂）因其接近室温（约68℃）时能快速且可逆地发生绝缘体到金属的相变，并伴随显著的导电性变化，被视为构建高性能动态器件的理想材料[32], [33], [34], [35]。迄今为止，关于可调器件的研究大多集中在单一功能模式的精细调节上（例如连续调节吸收强度或共振频率）。相比之下，能够在同一器件中实现不同工作模式间的按需切换（例如从宽带吸收完全转换为高Q值窄带吸收），则代表了更高水平的多功能集成，能够极大拓展该器件在复杂场景中的应用潜力。

然而，在低太赫兹波段实现此类多功能切换面临着严峻挑战。由于该波段的波长相对较长，单元晶格的电气尺寸较大，不同谐振模式之间几乎不可避免地会产生非预期的近场耦合。现有的平面多谐振结构（例如将带图案的VO₂结构与介质谐振器共面集成）通常存在一个物理瓶颈：由金属态VO₂主导的宽带吸收模式与由介质结构控制的高Q值窄带模式之间存在强烈的模式串扰，从而导致难以消除的吸收凹陷或光谱畸变。这一物理限制使得在同一平面结构中同时实现两种模式的高性能变得十分困难，往往要以牺牲宽带吸收的Q值或平坦度为代价。因此，亟需一种能够从根本层面消除此类干扰的新设计策略。

为解决上述问题，本文提出了一种基于“垂直功能堆叠架构”并利用VO₂相变的太赫兹超材料吸收器。该设计摒弃了传统的平面混合结构，通过垂直分层堆叠的方式，将宽带吸收层（中间的VO₂层）与窄带谐振层（顶部的硅结构）在物理空间上有效隔离。这种纵向布局消除了平面结构中固有的非预期模式耦合，从而避免了近场干扰对光谱形状的破坏，同时也使得各功能层能够独立进行性能调谐和按需切换。利用中间VO₂层的相变特性，我们构建了一种动态电磁控制机制。在绝缘状态下，VO₂层表现出低损耗的透明性，使得顶部硅光栅激发的导模共振与底层不对称法布里-珀罗腔模式之间能够实现高效的相干耦合；而在达到临界耦合条件时，则可实现高Q值的双峰窄带吸收。在金属状态下，VO₂层的高损耗特性会引发“共振淬灭”效应，有效抑制顶部硅结构的响应，彻底消除其对宽带背景的干扰，从而使该器件转变为以金属化VO₂为基础的金属-绝缘体-金属结构，进而实现高效且平坦的宽带吸收。通过这种“垂直堆叠”与“共振抑制”策略，本研究成功解决了低频段中因电气尺寸效应导致的非预期模式耦合问题，实现了超窄带高Q值吸收与平坦宽带吸收之间的无串扰切换，为开发高性能、多功能集成的智能太赫兹器件提供了新的物理思路。

章节要点

结构设计及方法

为解决低太赫兹波段平面多谐振结构中常见的非预期模式耦合问题，本文设计了一种基于VO₂相变的垂直堆叠多功能吸收器。该器件通过在垂直方向上分离功能层，实现了高Q值窄带共振与宽带吸收在同一个结构内的无干扰集成以及按需切换。该器件的整体阵列结构为

结果与讨论

首先，研究了该器件在VO₂处于低温绝缘状态时的电磁响应（电导率σ=200 S/m）。在这种状态下，中间的带图案VO₂层表现为低损耗的透明介质，有效地打开了垂直方向的电磁耦合通道，使得顶部硅结构能够通过薄的隔离层与底部腔体建立足够的电磁耦合。如图2(a)所示，在0.66–0.82 THz的频率范围内，

结论

本文提出并验证了一种基于“垂直功能堆叠架构”策略的VO₂–硅异质堆叠太赫兹超材料吸收器，该结构有效解决了低太赫兹波段平面多谐振结构中普遍存在的非预期模式耦合问题。通过利用VO₂相变主动控制层间电磁耦合，该器件在VO₂的0.691 THz和0.782 THz处实现了临界耦合

作者贡献说明

程世林：论文撰写——初稿、方法学、数据整理。黄毅：论文撰写——审阅与编辑、验证、方法学、资金获取。钟顺聪：方法学、概念构思。钟玉杰：监督、方法学。罗曼廷：方法学。李立煌：方法学。袁荣坤：实验研究。丁思敏：方法学。

资助情况

本项目得到了中国国家自然科学基金（编号52275096、52505093、52503309）、福建省重大科研项目（编号2022HZ024005）、福州市科技计划项目（编号2022-P-022）、福建省自然科学基金（编号2022J01071）以及福建省高校工程研究中心CAD/CAM开放基金项目（编号K202503）的支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究工作的已知利益冲突或个人关系。

程世林|黄毅|钟顺聪|钟玉杰|罗曼廷|李立煌|袁荣坤|丁思敏