[发明专利]一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的多层对称超材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的具有可调谐法诺共振现象的多层对称超材料，可应用于慢光、传感、非线性及光开关等领域。

背景技术

2001年，文献1：“R.A.Shelby et al,SCIENCE,2001(292):77”首次在微波段实验报道具有负折射率的人工电磁超材料，从此人工电磁超材料引起了人们的广泛关注。随着超材料研究的深入，超材料上法诺共振现象也备受关注。2007年，文献2：“V.A.Fedotove et al,PHYSICAL REVIEW LETTER,2007(99):147701”首次在非对称谐振环阵列中发现法诺谐振。但是超材料的结构一旦确定以后，超材料的法诺共振特性是不能改变的，这就极大地限制了超材料法诺共振的实际应用。因此，研究者们越来越关注于法诺共振特性可调谐得超材料的研究。有如文献3“V.A.Fedotov et al,OPTICS EXPRESS,2010(18):9015”报道的通过超导体超材料实现法诺共振的可调谐性。文献4“Q.Zhao et al,APPLIED PHYSICS LETTER,2007(90):011112”报道了基于液晶的超材料，可以通过外加恒定电场来调节超材料的谐振频率。文献5“L.Kang et al,APPLIED PHYSICS LETTER,2008(93):171909”设计了基于铁磁体的超材料，可以通过外加恒定磁场调节其谐振频率。

但是上述方法需要复杂的调谐装置，从而增加了超材料结构设计的复杂性和制备工艺的难度，使得上述调谐方法很难应用到更高的频段如近红外光频段。因此需要设计一种简单实用的方法对超材料的法诺共振频率进行调谐，他将对超材料法诺共振在光频段的实际应用具有非常重要的意义，大大推进其实用化进程。

因此，本发明提供一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的具有可调谐法诺共振现象的多层对称超材料。其中多层对称超材料的谐振单元阵列采用矩形晶格排列（即在超材料表面上，谐振单元的水平方向周期长度L_x和垂直方向周期长度L_y不等），使多层对称超材料的透射谱中具有陡峭的非对称法诺谐振峰。然后在多层对称超材料中引入相变材料或拓扑绝缘材料，利用相变材料或拓扑绝缘材料介电系数随外加电场或温度改变而变化的特性，使其法诺共振频率具有可调谐性，而不需要改变原有超材料单元的结构，极大的简化了具有可调谐法诺共振现象的超材料的制备与应用，使其可以应用于光频段领域。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种可以产生法诺共振增强和频率可调谐现象的多层对称超材料，该器件的法诺共振具有品质因数高、可调谐性强、工作频率范围大、结构简单等特点。

本发明解决问题采用的技术方案如下：

一种基于相变材料或拓扑绝缘材料的具有可调谐法诺共振现象的多层不对称超材料，该多层不对称超材料由衬底层、下金属层、相变材料层/拓扑绝缘材料层、上金属层、氧化层，和穿透下金属层-相变材料/拓扑绝缘材料层-上金属层-氧化层的谐振单元阵列组成；所述的谐振单元阵列采用矩形晶格排列（即在超材料表面上，谐振单元的水平方向周期长度L_x和垂直方向周期长度L_y不等）。该多层结构通过控制外加电场或温度，改变相变材料/拓扑绝缘材料介电系数，进而实现其法诺共振频率的可调谐性。

谐振单元形状可以是三角形孔、方形孔、圆形孔、椭圆形孔、矩形孔、十字形孔、六边形孔；孔的宽度在20纳米至1微米、高度在60纳米至30微米。谐振单元阵列水平方向周期长度L_x在40纳米至8微米，垂直方向周期长度L_y在40纳米至8微米。