[發明專利]一種基于相變材料的空間光型電光調制器件及其制造方法

有效

• 申請號: 202110545446.2
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113376870B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 劉孝凱;胡鑫;陳迎鑫;張鑒;張雪峰
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G02F1/03
• 分類號: G02F1/03
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務所有限公司 33109
• 代理人: 劉正君

本發明公開一種基于相變材料的空間光型電光調制器件及其制造方法，該器件由襯底、下電極層、相變層、上電極層和覆蓋層多層復合結構構成，其中上下電極層分別包含規則排列的N位和M位金屬微納光柵，作為器件的電極和光場調控單元。通過控制上下電極偏壓，使相變材料形成不同晶化程度的相變區域，導致光學介電常數發生顯著改變，從而對器件的反射光與共振吸收峰進行動態電致調制。本發明的器件可實現具有N×M面陣單元的空間光調制，工作頻段位于3~10微米的中紅外波段。相變材料在非晶態時，器件能夠實現接近100%的完美吸收；非晶態?晶態之間轉變時，實現約80%的調制深度。不僅僅可以實現完美吸收峰的動態調控，而且還能夠對空間入射光具有動態幅度調控。

技術領域

本發明涉及電光調制器技術領域，尤其涉及一種基于相變材料的空間光型電光調制器件及其制造方法。

背景技術

非易失性相變材料是一類至少存在非晶態和晶態兩種晶相的新型可調材料，通過溫度誘導、壓力誘導、電壓誘導和激光脈沖誘導等方式可以實現非晶態和晶態之間晶相的動態調控，改變其力、熱、電、光等方面的物理特性。由于相變材料非晶態和晶態的原子排列方式、電子結構存在著顯著性差異，導致光學性能（介電常數）和電學性能（電導率）有著極大的差異。對于石墨烯、透明導電氧化物和鈮酸鋰等材料，亦可以通過載流子濃度變化、溫度變化、外加電場變化等方式改變介電常數，并實現光學調控，但其介電常數的變化幅度遠比相變材料小。因此，相變材料正逐漸被應用于光子相變存儲器、相變超表面、相變超材料和相變光學顯示等領域。

Ge2Sb2Te5?(GST)作為最常見且應用最廣泛的相變材料，相比于VO2等相變材料，具有非易失的優點，能夠穩定保持相變后晶態或非晶態，不需要能量維持材料的狀態。隨著材料晶格排布特征的改變，其電學特性電導率與光學特性介電常數也發生巨大變化，因此可以作為各類光調制器件的可調材料層。大量的研究工作報道了基于相變材料GST的硅基波導型或空間光型電光調制器。H.?Zhang等在Science?Bulletin第64卷782頁采用控制GST狀態的方式來調節硅波導光傳輸實現硅基波導型調制器。將GST與金屬微納結構相結合的器件，能夠動態調控超表面的光學響應。2013年，B.?Gholipour等在Advanced?Materials第25卷3050頁提出將GST與具有Fano共振的金開環諧振器陣列相結合，采用激光脈沖對GST進行相變轉換實現良好的調制性能。傳統超材料吸收器嚴重依賴結構設計，制備的器件只能吸收特定波段內的電磁波，但將相變材料GST作為吸收器介質層，通過不同相態介電常數的變化，便可實現可重構的完美吸收器。Y.?Chen等在Photonics?Research第3卷54頁通過調控相變材料的不同晶化比例，實現調諧范圍為650?nm的等離子體完美吸收器。此外，相變材料也可應用于手性超表面，X.?Yin等在Nano?letters第15卷4255頁實現圓二色性響應的動態調控，透射光譜的?CD?光譜隨相變材料相態變化而大幅度變化。相變材料除了應用于超表面幅度調控，還能夠應用于相位調控，以提高對光束波前的靈活調控。根據這種器件設計理念，S.?Abdollahramezani等在Nano?letters第21卷1238頁采用不同半徑大小的硅納米盤結構，相變材料非晶態與晶態相互轉換可以獲得入射光相位可調性大于230°。電壓和激光能夠局域調控相變，P.?Hossein等在Nature?第511卷206頁首次設計了一種光電彩色顯示框架，采用原子力顯微鏡的針尖作為器件的納米電極，通過針尖對每個像素點施加電壓產生相變來構建圖案，實現高分辨相變顯示器。根據之前的文獻報道，通常使用穩態加熱、光脈沖、電壓脈沖三種方式誘發材料相變，但加熱后卻難以在低于晶化時間內完成快速淬火過程。激光脈沖和電壓脈沖誘導方式可以快速、穩定、可逆相變，同時可以精確控制器件局部相變位置。針對器件存在多個局部相變需求時，激光脈沖控制并不便捷。此外，激光脈沖要求相變材料的相變區尺寸較小，這無法滿足大面陣空間光學調制器的設計需求。目前大多數光學相變調制器件所采用溫度和激光脈沖誘導相變方式并不實用化，在器件實際工作時仍存在諸多限制的問題。