中國科大太赫茲波段主動調控材料和器件研究獲進展

我校陸亞林教授量子功能材料和先進光子技術研究團隊在太赫茲主動調控器件研究方面取得系列進展。該團隊研究了太赫茲波與超構材料、氧化物超晶格薄膜相互作用機制，并成功制備了超快的太赫茲調制器，率先實現了皮秒級的高調制深度的太赫茲超快開關；同時制備了多功能的太赫茲器件，在單一器件中實現電開關、光存儲和超快調制多種功能。相關研究成果近期相繼發表在國際權威學術期刊《先進光學材料》[Adv. Optical Mater.]和《光學快訊》[Opt. Express.]上。

太赫茲波具有獨特的時域脈沖、低能、譜指紋、寬帶等特性，它在物理化學、材料科學、生物醫學、環境科學、安全檢查、衛星通訊等領域有著廣闊的應用前景。其中，影響太赫茲技術發展和應用的關鍵因素之一是難以獲得主動太赫茲調控元器件。超構材料，一種由金屬或介質材料的亞波長微結構陣列組成的人工材料，其奇異的電磁響應特性為太赫茲調控器件提供了絕佳的解決方案。遺憾的是，以往基于超構材料的太赫茲元器件均由金屬材料構成，加工尺寸固定后，器件的功能在實際應用中便難以主動改變。因此，發展主動調控的太赫茲元器件有著重要的研究意義。

通常主動調控是對太赫茲波偏振、振幅、相位等進行調控，調控速度是另外一個指標。一些實際應用也迫切需求對太赫茲波進行超快調控。陸亞林教授團隊設計并制作了基于硅介質的超快調控超表面。通過對硅薄膜進行離子注入和快速熱處理工藝，大大減小了硅的載流子壽命并提高了自由載流子濃度。然后通過光刻、刻蝕工藝將硅薄膜加工為能在太赫茲波段共振的圓盤陣列結構的超表面。利用紅外飛秒脈沖的激發，率先實現了皮秒級的高調制深度的太赫茲超快開關（開20ps，關300ps），并基于半導體載流子動力學建立理論模型對其進行了合理的解釋。相關研究成果近日在《先進光學材料》期刊上線[Adv. Optical Mater. 2018, DOI:10.1002/adom.201800143]。

硅介質超表面器件示意圖以及其對太赫茲波超快調控的實驗結果

另外，當前研究的太赫茲主動調控器件功能比較單一，即只能在單一外場下實現單一的功能。但單一功能難以適應當今技術發展的要求。因此，在單一器件上，實現多物理場的調控，并實現對太赫茲波的多功能調控，是當前太赫茲技術的發展前沿之一，也是實際應用的現實需求。有鑒于此，該團隊基于VO2的絕緣-金屬相變，通過將VO2與金屬非對稱開口諧振環結合，設計了一種太赫茲波段的多功能可調諧復合超表面，并利用國家同步輻射實驗室鄒崇文副研究員提供的高質量VO2薄膜，通過刻蝕、光刻等工藝制備了器件。此復合超表面能夠通過加熱和施加電流的方式實現對透射太赫茲波的振幅調控，絕對調制深度高達54%，品質因數高達138%。基于VO2在相變過程中的回滯特性，該復合超表面可以通過電流觸發實現室溫下對太赫茲波的記憶存儲功能。此外，利用超快強脈沖泵浦，此復合超表面還能實現對太赫茲波的超快調控。從而，在單一器件實現了對太赫茲波的多功能調控。相關研究成果近日在《先進光學材料》期刊上線[Adv. Optical Mater. 2018, DOI: 10.1002/adom.201800257]。

金屬-VO2復合超表面器件示意圖及其電開關、光存儲功能的實驗結果

此外，很多材料在太赫茲波段的響應仍是未知的，而只有研究清楚了各類材料與太赫茲波相互作用的特性，設計主動太赫茲器件才能有跡可循。該團隊利用自行搭建的兩套太赫茲系統測量并分析了量子功能材料與太赫茲波的相互作用。重點研究了不同周期數的La0.7Sr0.3MnO3/ SrTiO3超晶格薄膜的太赫茲響應，發現了532 nm連續激光的泵浦對此超晶格在太赫茲波段的介電常數具有較大的調控作用，并通過Drude-Lorentz模型的擬合對此現象進行了微觀機理的解釋，這為尋找新的可用于太赫茲主動調控器件的功能材料開辟了新路徑。相關研究成果發表在《光學快訊》[Opt. Express. 26, 7842 (2018)]上。

La0.7Sr0.3MnO3/ SrTiO3超晶格薄膜在太赫茲波段的介電常數和激發光功率關系

上述論文的第一作者為合肥微尺度物質科學國家實驗中心博士研究生蔡宏磊，通訊作者為黃秋萍博士、陸亞林教授。該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和教育部等關鍵項目的資助。

附論文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adom.201800143

https://doi.org/10.1002/adom.201800257

https://doi.org/10.1364/OE.26.007842

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、國家同步輻射實驗室、科研部）