基于二氧化钒超材料的双窄带太赫兹吸收器

第 21 卷 第 12 期

2023 年 12 月

太赫兹科学与电子信息学报

Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology

Vol.21，No.12

Dec.，2023

文章编号：2095-4980（2023）12-1410-07

基于二氧化钒超材料的双窄带太赫兹吸收器

曹俊豪，饶志明

*

，李 超

(江西师范大学 物理与通信电子学院，江西 南昌 330224)

摘要：提出一种基于二氧化钒(VO

2

)超材料的吸收器，由3层结构组成，从上往下分别为

2个VO

2

圆、中间介质层和金属底板。仿真数据表明，该吸收器有2个很强的吸收峰，分别为4.96 THz

和5.64 THz，相对应的吸收率为99.1%和98.5%。利用阻抗匹配理论和电场分布进行分析，阐明

了吸收的物理机制，并进一步分析了结构参数对吸收率的影响。所提出的吸收器具有可调谐的特

点，能够灵活调控吸收率，为太赫兹波的调控、滤波等功能的实现提供了良好的方案。该吸收器

在图像处理、生物探测和无线通信领域都有潜在的应用。

关键词：太赫兹；超材料；二氧化钒；吸收器

中图分类号：TB34 文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2023148

Dual-narrowband THz absorber based on vanadium dioxide metamaterial

CAO Junhao，RAO Zhiming

*

，LI Chao

(College of Physics and Communication Electronics，Jiangxi Normal University，Nanchang Jiangxi 330224，China)

Abstract：Abstract：A metamaterial absorber based on vanadium dioxide(VO

2

) is presented. This structure

consists of three layers including two vanadium dioxide circles, intermediate dielectric layer, and metal

substrate from top to bottom. The simulated data shows that the absorber has two strong absorption peaks,

at 4.96 THz and 5.64 THz respectively, and the corresponding absorption rates reach 99.1% and 98.5%.

The physical mechanism of absorption is clarified by using the impedance matching theory and the

electric field distribution. The effect of the structural parameters on the absorption rate is also analyzed.

In addition, the proposed absorber can regulate the absorption rate flexibly, which provides a good

scheme for the realization of terahertz wave regulation, filtering and other functions. Therefore, this

absorber has potential applications in image processing, biological detection, and wireless communication.

Keywords：Keywords：THz；metamaterial；vanadium dioxide；absorber

太赫兹波是指频率为0.1~10 THz的电磁波，相应波长为30 μm~3 mm，它的电磁波谱左侧和右侧分别为电子

学和光子学，因此也被称为太赫兹间隙

[1]

。近几年，太赫兹波因其各方面的优良特性，如频带宽、光子能量低和

分辨率高等特点

[2-4]

得到了广泛关注。这些特性在无线通信、生物探测和图像处理等领域都有更好的应用前

景

[5-7]

。但由于自然界缺乏与太赫兹波耦合效率高的材料，限制了其发展，直到超材料的出现

[8]

。超材料是一种

物理尺寸为亚波长量级的、远小于入射电磁波波长的新型人工电磁复合材料，它的电磁特性可以由它的结构和

排列设计决定，因此具有一些传统材料所不具备的特性，如负磁导率、负介电常数等

[9]

。由于超材料的电磁特

性，各种基于超材料的太赫兹功能器件相继被提出，如完美吸收器、极化转化器和光分束器等

[10-12]

。这些功能

器件中，对完美吸收器的研究比较热门，因为在很多应用方向中都离不开完美吸收器。第一款基于超材料的完

美吸收器由Landy于2008年提出

[13]

，之后，各种吸收器，包括双频、多频和宽频相继被提出

[14-16]

。

动态可调谐双窄带完美吸收器的设计一直是一个研究热点。2021年，Le等利用2个金属长方形作为谐振层

设计了一款双窄带吸收器，其结构较为简单，但谐振层为单一金属，因此不可调

[17]

。为了实现可调谐响应，将

调谐材料(VO

2

、石墨烯和狄拉克半金属)嵌入超材料中是一条可行途径。同年，Lu等设计了一款基于石墨烯的双

窄带吸收器，通过调节石墨烯的费米能级可以实现吸收率的动态调节

[18]

，但结构较为复杂。利用调谐材料设计

收稿日期：2023-05-31；修回日期：2023-08-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(62065008)

*

通信作者：饶志明 email:****************.cn

第 12 期

曹俊豪等：基于二氧化钒超材料的双窄带太赫兹吸收器

1411

一款结构较为简单且可实现动态调节的双窄带吸收器显得非常必要。

本文提出一种基于VO

2

双窄带可调谐太赫兹吸收器，它由2个VO

2

圆、介质层、金属底板组成，结构相对简

单。仿真结果表明，该吸收器有2个效率很高的吸收峰。本文对其吸收原理进行了分析，并研究了结构参数对吸

收的影响。因其优良的特性，应用前景很好。

1　设计与模型

图1为吸收器的模型结构和参数。图1(a)为超材料单元图，每个单元由3层构成，从上往下分别为：2个VO

2

圆谐振层、介质层和金属底板。材料分别为VO

2

、SiO

2

和金。图1(b)为各层厚度示意图：t=0.6 μm、h=10 μm、

t

d

=0.6 μm。图1(c)为单元的顶视图，即VO

2

谐振层的几何参数，2个圆的半径r=5.5 μm，圆心距离单元中心点的

长度a=7 μm；金的电导率σ=4.56×10

7

S/m，VO

2

介电常数ε=3.75。VO

2

采用Drude模型，单元周期p=40 μm。图1

(d)为模型的网格剖分图(本文采用三角形剖分)，每波长4个单元，最大、最小网格边缘长度分别为17.7和0.18，

求解四面体个数为25 628。

Fig.1 Model of the absorber

图1 吸收器模型

VO

2

是一种相变材料，当温度超过68 ℃时，为金属态；当温度为室温时，为介质态。VO

2

在太赫兹频率范围

内的电磁特性(介电常数ɛ

VO2

)由Drude模型来描述，模型定义如下

[19]

：

ε

VO

ω

2

p

VO

2

=ε

¥

-

2

ω

+iγω

()

2

(1)

式中：

ε

¥

=12，为高频极限下的介电常数；

γ=5.75´10

13

s

-1

，为碰撞频率；

ω

为变量角频率，表示VO

2

的介电常数

ω

p

(VO

2

)

为等离子频率，取决于电导率σ

，

表达式如下：

会随频率变化而变化；

ω

2

p

(VO

2

)=

σ

2

ω(σ)

σ

0

p0

(2)

式中：

σ

0

=3×10

5

S/m，

ω

p

σ

0

=1.41×10

15

rad/s。

仿真过程中，通过改变电导率σ即可实现VO

2

的相变。假定σ=2×10

5

S/m时，VO

2

为金属态；σ=200 S/m时，

VO

2

为介质态。为研究所提出的太赫兹超材料的特性，采用CST软件仿真，选择频域仿真器。对于边界条件的设

定：x和y方向都设定为cell边界条件；z方向则设定为open边界条件；入射电磁波设定为TM且正入射。

()

2　结果与讨论

图2为吸收器的反射率和吸收率曲线。图2(b)中，吸收器的谐振频率共有2个吸收峰，分别为4.96 THz和

5.64 THz。由图可以看出吸收率接近100%，第1个吸收峰非常窄，第2个吸收峰较宽一点。为更好地解释吸收器

的工作原理，引入阻抗匹配法表示

[20]

：

A=1-R-T

(3)

式中：A

、

R和T分别为吸收率、反射率和透射率。底板的厚度大于THz波的趋肤深度，T约等于0。因此，吸收

率可简化为

[21]

：

1412

太赫兹科学与电子信息学报

第 21 卷

Fig.2 Simulated results of the absorber

图2 吸收器的仿真结果

|

Z-Z

0

A=1-R-T=1-R=1-

|

|

Z+Z

0

|

2

|

|

(4)

式中Z

0

和Z分别为自由空间和吸收器的有效阻抗。当Z=Z

0

时，

可认为达到了阻抗匹配的条件，即实现了完美吸收。图3为

吸收器阻抗的实部和虚部曲线图，可以看到，2个谐振吸收峰

所对应阻抗的实部和虚部分别接近1和0的值分别为1.060+

0.060 j和0.967+0.001j，基本符合阻抗匹配条件。

为更好地解释双窄带吸收的机制，利用等离子激元分析

吸收峰处的电场分布(分析E

z

分量)，如图4所示。分别讨论2

个吸收峰的电场分布：第1个吸收峰(4.96 THz)，其电场的

“+”分布在沿x正方向圆的外侧，“-”分布沿x负方向圆的外

侧；第2个吸收峰(5.65 THz)的电场与第1个吸收峰有所不同，

2个圆都形成了共振，且“+”分布均沿x正方向圆的外侧，

产生等离子共振，形成了吸收峰。可以看出，局域等离子体共振是吸收器产生双窄带吸收的主要原因。

Fig.3 Equivalent impendence of the absorber

图3 吸收器的等效阻抗

Fig.4 Electric field distribution of VO

2

layer

图4 VO

2

层的电场分布

图5为吸收器的吸收率与结构参数(圆的半径r，VO

2

的厚度t和圆距离中心点的长度a)之间的关系。图5(a)为

其他参数不变的情况下，VO

2

膜的半径从5.5 µm增加至6.5 µm时，2个吸收峰的变化情况。从图中可以看出，

2个吸收峰效率均保持在90%以上(在6 µm的厚度下表现最佳)，且吸收峰的位置发生红移，证实了吸收器的谐振

频率主要与r有关。吸收峰的红移可以用随着r的增大而产生的等离子体共振来解释。此外，红移与等效的LC电

第 12 期

曹俊豪等：基于二氧化钒超材料的双窄带太赫兹吸收器

1

2πLC

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路相关联，其谐振频率f由

f=

决定，随着r的增大，L增大，f减小，因此发生红移。图5(b)为参数a的

变化对吸收率的影响。可以看出，吸收曲线基本重合，圆距离中心点的长度a对吸收率基本没有影响。图5(c)为

VO

2

的厚度t的变化对吸收峰的影响，可以看出，吸收峰变化不大，仅影响吸收峰变窄。图5(d)为VO

2

谐振层的

形状对吸收率的影响，可以看出，随着VO

2

几何边数的增加，吸收峰红移且吸收率增加。这是因为圆可以默认

为是无数条边长，因此吸收率最高。这对以后双窄带吸收器的设计起到一定的帮助。

Fig.5 Analysis of the absorption when varying the parameters

图5 改变不同参数下吸收率的分析

实际应用中，电磁波的入射方向和角度是任意的，因此考察不同极化角和入射角对吸收率的影响非常必要。

图6为不同入射角(0°~60°)下吸收器的吸收率，图6(a)的间隔为10°，图6(b)间隔为2°，可以观察得更详细。从图

中可以看出，随着入射角的增加，吸收率变化不是很大，主要变化的是峰值的位置发生了蓝移，且第1个峰值不

太稳定，而第2个峰值变化相对稳定。因此本文所提出的吸收器具有一定的入射角不敏感性。图7为极化角在

0°~90°下吸收率的变化，可以看出，第1个吸收峰的变化不大，极化角在0°~90°过程中其吸收率均在0.9以上；

而第2个吸收峰受极化角影响较大，当极化角达到60°时，其吸收率已降至0.4以下。该吸收器结构虽然不是关于

x和y都对称，但仍具有较好的极化不敏感特性。

根据上述分析可知，VO

2

的电导率会随着温度的变化而变化。因此，分析不同VO

2

电导率下吸收器的吸收

率，VO

2

电导率从σ=1×10

4

S/m至σ=2×10

5

S/m的吸收率如图8所示。随着电导率的增加，吸收率可以实现50%~

95%之间的动态调节。其主要原因是随着电导率的增加，VO

2

对THz波的吸收增强，说明吸收器具有一定的可调

谐性，在实际应用中更具有灵活性。

近年来，许多新的双窄带超材料吸收器相继被提出，这些吸收器各有优点。表1将本文提出的吸收器与其他

吸收器在调谐材料、结构复杂度和吸收率等方面进行比较。可以发现，本文在保持双窄带吸收率高的同时，因

使用了VO

2

可调谐材料，具备了可调谐的特点，更重要的是该吸收器结构相对简单。

1414

太赫兹科学与电子信息学报

第 21 卷

Fig.6 Absorption spectra at different angles(0°~60°)

图6 不同入射角下的吸收谱(0°~60°)

Fig.7 Absorption under different polarization angles

图7 不同极化角下的吸收率

Fig.8 Absorption under different conductivity

图8 不同电导率下的吸收率

表1 与其他类似文献的比较

Table1 Comparison of this work with similar articles

referencesadjustable materialstructurewhether tunable

absorption

(corresponding frequency)

[17]goldno

97.6%; 96.9%

(5.35 THz; 9.00 THz)

93.0%; 93.0%

[18]grapheneyes(1.32 THz; 3.70 THz)

[22]BDsyes

98.8%; 99.4%

(2.20 THz; 3.42 THz)

this paperVO

2

yes

99.1%; 98.5%

(4.96 THz; 5.64 THz)

第 12 期

曹俊豪等：基于二氧化钒超材料的双窄带太赫兹吸收器

1415

最后，简单说明在实验验证中一些需要注意的事项。本文提出的吸收器由三部分组成(VO

2

层、中间介质层

和金属底板)，其中VO

2

为谐振层，其形状和位置都会影响吸收功能，因此在制备中VO

2

层精确度尽量控制好。

在实验过程中还需注意的是，将THz辐射源尽量正对样品，从而保证实验结果与仿真结果接近。仿真中，超材

料模型的x和y方向均采用周期边界，这意味着其结构无限大，明显实验样品做不到，但可以将样品尽量做大，

同时合理调节与辐射源的位置，满足实验要求。

3　结论

本文提出了一种结构简单、吸收效率高且可调谐的双窄带吸收器，由3层结构构成，其中VO

2

层为结构相对

简单的圆。通过仿真结果显示，2个吸收峰的效率分别为99.1%和98.5%，接近完美吸收，阻抗匹配理论也显示

吸收器的吸收峰处的阻抗符合完美吸收的条件。利用等离子激元理论进一步分析了吸收器的吸收原理，同时也

分析了结构参数对吸收率的影响。因这些优良特性，所提出的吸收器在图像处理、生物探测和无线通信领域均

具有潜在的应用价值。

参考文献：

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2

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2020.103484.

作者简介：

曹俊豪(1998-)，男，在读硕士研究生，主要研究方

向为太赫兹科学与技术.email:***************.cn.

饶志明(1978-)，男，博士，副教授，主要研究方向

为太赫兹科学与技术.

李 超(1998-)，男，博士，在读硕士研究生，主要

研究方向为太赫兹科学与技术.

（上接第1409页）

作者简介：

陈益航

(1996

-

)

，男，博士，助理研究员，主要研究

方向为锑化物激光器、InP基光电导天线.email:chenyi‐

**************.cn.

吴 斌

(1984

-

)

，

男

，

博士

，

研究员级高级工程师

，

杨延召

(1987

-

)

，

男

，

硕士

，

工程师

，

主要研究方

石建美

(1998

-

)

，

女

，在读

博士研究生

，

主要研究

方向为锑化物激光器

.

主要研究方向为太赫兹光谱技术

.

杨成奥

(1990

-

)

，

男

，

博士

，

中国科学院半导体研

向为太赫兹时域光谱技术

.

张桂铭

(1995

-

)

，

男

，

硕士

，

助理工程师

，

主要研

究所副研究员，主要研究方向为锑化物激光器

.

张 宇

(1981

-

)

，

男，博士

，

副研究员

，

主要研究方

究方向为太赫兹光谱技术

.

徐建星

(1989

-

)

，

男

，

博士

，

副研究员

，

主要研究

向为锑化物激光器

.

徐应强

(1971

-

)

，

男

，博士，

研究员

，

博士生导师

，

方向为太赫兹半导体器件物理

.

苏向斌

(1991

-

)

，

男

，

博士

，助理研究员，

主要研

主要研究方向为

低维半导体材料分子束外延生长、

究方向为量子材料分子束外延

.

王天放

(1997

-

)

，

男

，在读

博士研究生

，

主要研究

GaSb基半导体器件制造

.

倪海桥

(

1971-

)

，男，博士，研究员，博士生导师，

主要研究方向为半导体低维结构材料的生长研究和物理

分析.

方向为锑化物激光器

.

余红光

(1998

-

)

，

男

，在读

博士研究生

，

主要研究

方向为锑化物激光器

.

牛智川

(1963

-

)

，

男

，博士，

研究员

，

博士生导师

，

主要研究方向为

半导体低维材料、受限光电子体系量子

效应、光电量子信息器件

.