（Metamaterials）的涌现和运用为THz调控器件的发展供应了思路，它是一种通过人工设计的新型材料，具备一样平常材料所不具有的负介电常数、负磁导率等性子，可以对THz波产生强烈相应。但要实现对THz波的动态调控，单独的超材料构造还存在着制造困难、可调性差等缺陷。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勉励办法改变材料特性，可以掌握人工微构造的频率相应特性，进而实现对THz波的动态掌握[1]。在这些方法中，普通半导体材料（硅、GaAs等）在勉励下的载流子浓度改变有限，反应韶光较慢，从而限定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，离实际运用还有一定间隔。二（VO2）因其相变过程中大的电阻率突性子以及超快的相变速率，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、灵巧的太赫兹功能器件也一贯是研究热点问题。本文首先先容了VO2的相变特性，梳理了近年来开展VO2薄膜相变过程中THz波传输特性研究的干系事情，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在太赫兹波段运用前景进行了展望。
1 VO2的相变特性
VO2是一种强关联电子体系氧化物，外界眇小刺激即可勾引其发生可逆的金属—绝缘体相变。自1959年MORIN F J[2]首次报导了VO2的相变特性后，研究职员基于VO2的材料特性、相变性能与影响成分及相变机理等多方面研究开展了大量的事情。
热致相变是研究最早最多的，当温度达到68 ℃时，VO2晶体会发生单斜构造半导体相（M）到四方构造金属相（R）之间的可逆相变，如图1所示。并且有宣布指出相变前后电阻率的变革最高可达5个数量级[3]，相变速率可达到亚ps量级[4]。且伴随着相变过程，VO2的晶体构造、折射率和磁化率等也都会发生急剧的变革。此外，VO2在电场引发、激光引发、应力引发或多种引发办法的共同浸染下也都可以发生相变[5]，这极大丰富了VO2的运用。
VO2精良的相变特性是其用于THz颠簸态功能器件的担保，而影响薄膜相变性能的成分有很多。个中薄膜的微不雅观构造（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不雅观构造的改变，进而调度其相变性能。化学身分也是影响VO2薄膜相变性能的成分之一，例如通过W、Mo等元素掺杂可以降落相变引发阈值，从而进一步知足实际运用[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电阻的变革而改变，因此外加勉励下VO2薄膜相变的特性可用于高效的THz颠簸态调控。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，这解释将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等人宣布了光致相变下VO2薄膜对THz波的超快调制行为[11]。实验结果表明VO2薄膜的相变韶光为0.7 ps，可实现对THz波40%的调制幅度。
除了探索不同勉励下VO2的相变特性外，研究职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%，该薄膜精良的相变效果被归因于其分外的外延成长构造。2011年，哈佛大学MANDAL P等人同样通过外延成长制备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哀求较高，施奇武等人从实验上系统剖析了VO2微不雅观构造和化学组成对其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波渗流征象：即低纯度导致的无相变区域和薄膜中孔洞、间隙等会为THz波透射供应渗流利道，导致薄膜的THz波开关比降落。基于该理论，通过调控薄膜厚度实现其微不雅观构造纳米致密化，终极可以稳定制备得到THz波开关频年夜于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革，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。该事情为基于VO2薄膜的THz颠簸态调控供应了新思路。
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。近年来研究职员做了大量考试测验，提出二者结合在超快幅度和相位调制器、可调谐接管器、开关、偏振转换器等THz动态调控器件中的运用。目前，VO2与超材料的结合办法紧张是将VO2与超材料构造单元结合，若再加以细分，则可分为叠加式复合和嵌入式复合两类；其余，还有少量研究提出直接将VO2材料图案化，布局新型的无金属超材料。下面将分别对这几类情形进行先容。
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。从而经由精心的超材料构造设计，可丰富对THz波的调控功能。2009年，DRISCOLL T等人[19]在Science上揭橥文章，利用VO2相变材料为核心设计了影象超材料，提出了VO2材料在THz功能器件中运用的可行性，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事情的宽带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互助，基于VO2的光引发特性，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%旁边[21]。该装置可在泵浦激光器的掌握下供应1 MHz的超快调制速率，已经是目前宣布所知的最好效果。随着调制速率的增大，其调制深度低落严重，并因此失落效。研究职员认为薄膜相变回答存在明显滞后，相变循环韶光延长是导致其运用于调制器件是速率减低的紧张缘故原由。
此外，将多层超材料构造与多层VO2构造相互叠加复合，可以设计出一些新型太赫兹功能器件。当VO2为半导体相时，构造中紧张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浸染，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等人利用VO2设计了一种接管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%的接管率；一旦VO2升温并切换到完备金属状态，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。所提出的构造会在温度传感器和成像方面具有一定运用。此外，通过VO2构造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接管器[23]，如图6所示。将VO2引入构造使得接管器可热切换，即可以通过改变温度从1.12 THz~1.25 THz的宽带接管器切换到0.76 THz~0.86 THz的另一个宽带接管器，且两个带的接管率均超过90%，丰富了THz接管器器件的功能。
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构造中，常日是电场集中的部位，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嵌入式构造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的稠浊超曲面[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，构造的绝对调制深度高达54%。该构造在电触发下实现2.2 s的切换韶光，并在飞秒脉冲勉励下在30 ps内供应超快调制。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供应了指引。2019年，南京大学提出了一种由两个背对开口金属构造的周期阵列与VO2垫片组成的构造。该构造可利用VO2相变过程中电导率的变革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征象[25]。这种不同的刺激下谐振模式切换构造对付在实际运用中操纵THz波非常有用。
此外，基于VO2的超材料在THz频率也可实现相位掌握和偏振转换等功能。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]。构造由金属光栅和VO2薄膜稠浊构成。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嵌套复合构造[27]，如图7(a)所示。通过掌握外部激光器的功率，实现了靠近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。这种相移调制技能在THz成像、通信等领域具有广阔的运用前景。
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。该构造在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个峰处可以得到高于98.9%的偏振转换效果。该转换器可用于开拓温度传感器和偏振装置[28]。
3.3 全介质VO2超材料构造
大部分研究提出的VO2与超材料复合构造涉及繁芜的金属微构造设计和加工，其余金属层还会导致THz波的色散接管和能量损耗等。比来，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处得到了65%的调制幅度[29]。2019年，LIU H等人提出了VO2构造宽带可调谐THz功能器件[30]，如图8所示。在低温下，构造对入射THz波的接管较低。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，所提出的构造逐渐转变为宽带THz接管体，得到了在连续频率范围内具有约2.0 THz的带宽的极高接管(大于80%)。而在其他接管器中这种大的范围的灵巧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波段的超快相应特性使其在THz颠簸态调控器件中展示出巨大的运用潜力。但目前还存在诸多问题须要进一步深入研究。首先，优质的VO2薄膜材料是其在THz 波段运用的根本，研发更高效、稳定的制备工艺仍具寻衅。其次，虽然VO2的理论相变速率在ps量级，但是目前所研制的干系THz功能器件相应速率还远低于理论值。后续研究应从材料相变机制、构造优化设计等方面开展研究，考试测验予以改进。其余，功能繁芜化的VO2-超材料复合构造涉及繁芜的超材料构造设计，将给微加工制造技能带来一定寻衅。
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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)
