[發(fā)明專利]一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的多層對稱超材料

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310182646.1
• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN103247862A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曹暾
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李寶元;梅洪玉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的具有可調(diào)諧法諾共振現(xiàn)象的多層對稱超材料，可應(yīng)用于慢光、傳感、非線性及光開關(guān)等領(lǐng)域。

背景技術(shù)

2001年，文獻1：“R.A.Shelby?et?al,SCIENCE,2001(292):77”首次在微波段實驗報道具有負折射率的人工電磁超材料，從此人工電磁超材料引起了人們的廣泛關(guān)注。隨著超材料研究的深入，超材料上法諾共振現(xiàn)象也備受關(guān)注。2007年，文獻2：“V.A.Fedotove?et?al,PHYSICAL?REVIEW?LETTER,2007(99):147701”首次在非對稱諧振環(huán)陣列中發(fā)現(xiàn)法諾諧振。但是超材料的結(jié)構(gòu)一旦確定以后，超材料的法諾共振特性是不能改變的，這就極大地限制了超材料法諾共振的實際應(yīng)用。因此，研究者們越來越關(guān)注于法諾共振特性可調(diào)諧得超材料的研究。有如文獻3“V.A.Fedotov?et?al,OPTICS?EXPRESS,2010(18):9015”報道的通過超導(dǎo)體超材料實現(xiàn)法諾共振的可調(diào)諧性。文獻4“Q.Zhao?et?al,APPLIED?PHYSICS?LETTER,2007(90):011112”報道了基于液晶的超材料，可以通過外加恒定電場來調(diào)節(jié)超材料的諧振頻率。文獻5“L.Kang?et?al,APPLIED?PHYSICS?LETTER,2008(93):171909”設(shè)計了基于鐵磁體的超材料，可以通過外加恒定磁場調(diào)節(jié)其諧振頻率。

但是上述方法需要復(fù)雜的調(diào)諧裝置，從而增加了超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性和制備工藝的難度，使得上述調(diào)諧方法很難應(yīng)用到更高的頻段如近紅外光頻段。因此需要設(shè)計一種簡單實用的方法對超材料的法諾共振頻率進行調(diào)諧，他將對超材料法諾共振在光頻段的實際應(yīng)用具有非常重要的意義，大大推進其實用化進程。

因此，本發(fā)明提供一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的具有可調(diào)諧法諾共振現(xiàn)象的多層對稱超材料。其中多層對稱超材料的諧振單元陣列采用矩形晶格排列（即在超材料表面上，諧振單元的水平方向周期長度L_x和垂直方向周期長度L_y不等），使多層對稱超材料的透射譜中具有陡峭的非對稱法諾諧振峰。然后在多層對稱超材料中引入相變材料或拓撲絕緣材料，利用相變材料或拓撲絕緣材料介電系數(shù)隨外加電場或溫度改變而變化的特性，使其法諾共振頻率具有可調(diào)諧性，而不需要改變原有超材料單元的結(jié)構(gòu)，極大的簡化了具有可調(diào)諧法諾共振現(xiàn)象的超材料的制備與應(yīng)用，使其可以應(yīng)用于光頻段領(lǐng)域。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種可以產(chǎn)生法諾共振增強和頻率可調(diào)諧現(xiàn)象的多層對稱超材料，該器件的法諾共振具有品質(zhì)因數(shù)高、可調(diào)諧性強、工作頻率范圍大、結(jié)構(gòu)簡單等特點。

本發(fā)明解決問題采用的技術(shù)方案如下：

一種基于相變材料或拓撲絕緣材料的具有可調(diào)諧法諾共振現(xiàn)象的多層不對稱超材料，該多層不對稱超材料由襯底層、下金屬層、相變材料層/拓撲絕緣材料層、上金屬層、氧化層，和穿透下金屬層-相變材料/拓撲絕緣材料層-上金屬層-氧化層的諧振單元陣列組成；所述的諧振單元陣列采用矩形晶格排列（即在超材料表面上，諧振單元的水平方向周期長度L_x和垂直方向周期長度L_y不等）。該多層結(jié)構(gòu)通過控制外加電場或溫度，改變相變材料/拓撲絕緣材料介電系數(shù)，進而實現(xiàn)其法諾共振頻率的可調(diào)諧性。

諧振單元形狀可以是三角形孔、方形孔、圓形孔、橢圓形孔、矩形孔、十字形孔、六邊形孔；孔的寬度在20納米至1微米、高度在60納米至30微米。諧振單元陣列水平方向周期長度L_x在40納米至8微米，垂直方向周期長度L_y在40納米至8微米。