一种基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件
阅读说明：本技术 一种基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件 (Dynamically-adjustable multifunctional terahertz metamaterial device based on TiNi shape memory alloy film ) 是由 张琨 谭昌龙 刘娟 田晓华 黄跃武 赵文彬 于 2020-12-17 设计创作，主要内容包括：一种基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件。本发明涉及太赫兹超材料功能器件领域,具体涉及一种基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件。本发明是为解决现有太赫兹超材料存在的结构复杂、调控范围受限以及器件功能单一的问题。它包括衬底和开口谐振环结构薄膜层；所述开口谐振环结构薄膜层包括N×N个开口谐振环结构周期单元,所述开口谐振环结构周期单元包括一个单开口谐振环结构和对称设置在单开口谐振环结构开口处的两个可弯曲臂结构。本发明用于可动态调控的多功能太赫兹超材料器件。(A multifunctional terahertz metamaterial device based on a TiNi shape memory alloy film and capable of being dynamically regulated and controlled. The invention relates to the field of terahertz metamaterial functional devices, in particular to a dynamically-adjustable multifunctional terahertz metamaterial device based on a TiNi shape memory alloy film. The invention aims to solve the problems of complex structure, limited regulation and control range and single function of a device in the existing terahertz metamaterial. The structure comprises a substrate and an open resonator ring structure film layer; the split-ring resonator thin film layer comprises N multiplied by N split-ring resonator periodic units, and each split-ring resonator periodic unit comprises a single split-ring resonator structure and two bendable arm structures symmetrically arranged at the position of the single split-ring resonator structure. The invention is used for a multifunctional terahertz metamaterial device capable of being dynamically regulated and controlled.)
技术领域
本发明涉及太赫兹超材料功能器件领域，具体涉及一种基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件。
背景技术
太赫兹(THz)波是一种独特的电磁波谱，它介于微波和红外之间，结合了两种光谱区域的优点。由于其在大多数材料体系中具有高频场振荡、低光子能量、高方向性、高透明度等特点，在物理化学、材料科学、生物医学、环境科学、安全检查、卫星通信等领域具有广阔的应用前景。目前，太赫兹波与天然材料的相互作用极小，这直接导致缺乏天然材料来调控太赫兹波。超材料(MMs)是一种由金属或介电材料亚波长微阵列组成的人工材料，由于其奇异的电磁响应特性，为太赫兹波的调控提供了一种良好的解决方案。近年来，研究者利用超材料在太赫兹开关、转换器、吸波器等方面进行了大量研究。以往基于超构材料的太赫兹元器件均由金属材料构成，加工尺寸固定后，器件的功能在实际应用中便难以主动改变。因此，发展主动调控的太赫兹元器件有着重要的研究意义。
目前，实现太赫兹波的主动调控主要基于两种不同的方式：基于材料本身性质的变化以及基于结构变形的作用。然而，这两种主动控制方式各有优缺点：基于材料性质变化的缺点是调制范围受到限制；基于结构变形作用的方法严重依赖于复杂结构，从而加工制作复杂。此外，这些方法都局限于主动控制单一参数，从而导致当前研究的太赫兹主动调控器件功能比较单一，即只能在单一外场下实现单一的功能。但单一功能难以适应当今技术发展的要求。因此，在单一器件上，实现多物理场的调控，并实现对太赫兹波的多功能调控，是当前太赫兹技术的发展前沿之一，也是实际应用的现实需求。
发明内容
本发明是为了解决现有太赫兹超材料存在的结构复杂、调控范围受限以及器件功能单一的问题，而提供一种基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件。
本发明的一种基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件包括衬底和开口谐振环结构薄膜层，所述开口谐振环结构薄膜层设置在衬底上表面；所述开口谐振环结构薄膜层包括N×N个开口谐振环结构周期单元，所述开口谐振环结构周期单元包括一个单开口谐振环结构和对称设置在单开口谐振环结构开口处的两个可弯曲臂结构；所述单开口谐振环结构为正方形。
本发明的有益效果：
1、本发明利用形状记忆合金的电导率可调性，可以实现传输曲线中谐振频率、幅度的动态控制。利用热场或磁场驱动结构单元中超材料的相变和可回复性超弹性形变，实现结构单元中材料性质的改变和宏观结构变化的组合，从而对超材料的电磁响应进行调谐。
2、本发明可实现双带滤波的效果，同时在LC共振和偶极子共振的基础上实现的，最大可实现99.8％的滤波效果。
3、本发明在滤波基础上，还可以实现开关功能，对于调制的初末态具有开关效应。接通状态的透射率比断开状态的透射率高一个数量级。
附图说明
图1为一种基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件的结构示意图；其中1为衬底，2为单开口谐振环结构；
图2为实施例一中单开口谐振环结构的结构示意图；其中1为衬底，2为单开口谐振环结构，3为可弯曲臂结构；
图3为实施例一中单开口谐振环结构的俯视图；
图4为实施例一中单开口谐振环结构的侧视图；
图5为实施例一中单开口谐振环结构施加温度场时可弯曲臂结构随温度动态变化的示意图；
图6为实施例一基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件在电导率为1.25×105S/m时的传输曲线变化图；
图7为实施例一基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件在电导率为5.25×105S/m时的传输曲线变化图；
图8为实施例一基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件在电导率为8.25×105S/m时的传输曲线变化图；
图9为实施例一基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件在电导率为1.25×106S/m时的传输曲线变化图；
图10为实施例一基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件的可弯曲臂结构的弯曲角度从0°增加到10°的传输曲线变化图，其中1表示0°，2表示2°，3表示4°，4表示6°，5表示8°，6表示10°；
图11为实施例一基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件的电导率和形变同时发生改变的传输曲线变化图；其中，虚线表示电导率为1.25×105S/m和形变角度为0°；实线表示电导率为1.25×106S/m和形变角度为10°。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～图3所示，本实施方式的一种基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件包括衬底1和开口谐振环结构薄膜层，所述开口谐振环结构薄膜层设置在衬底1上表面；所述开口谐振环结构薄膜层包括N×N个开口谐振环结构周期单元，所述开口谐振环结构周期单元包括一个单开口谐振环结构2和对称设置在单开口谐振环结构2开口处的两个可弯曲臂结构3；所述单开口谐振环结构2为正方形。
本实施方式形状记忆合金(SMA)是最典型的金属智能材料之一，在外加场作用下通过马氏体相变实现变形恢复。形状记忆合金以其“应变传感与驱动集成”的特性，在许多领域得到了越来越广泛的应用。SMA的马氏体相变行为会导致两种不同的宏观效应：几何变形和电阻、介电常数等性能的变化，这正好对应于对THz波的两种主动控制方式。SMA具有变形大、灵敏度高、结构简单等优点。因此，在太赫兹MMs中引入记忆合金的策略不仅可以实现对太赫兹波的多功能控制，而且有助于实现新的功能特性。
本实施方式通过设计一种全新的基于Ti48Ni52形状记忆合金薄膜的超材料器件，利用形状记忆合金马氏体相变前后相变与形变的可调节性，使得该超材料器件的设计结构简单，加工方便，可在同一器件中实现性能优异的双带滤波器以及太赫兹开关的双重功能，同时具备动态可调的性能，极大的满足了对太赫兹调控方面的应用要求。
本实施方式在施加一定的外加温度场时，可调控TiNi合金薄膜的电导率以及可弯曲臂结构的翘起高度，通过改变所加外场的温度大小，可灵活调谐电导率的大小以及TiNi合金薄膜悬臂梁的翘起角度，形成不同的重构状态；通过改变TiNi基形状记忆合金薄膜太赫兹超材料的重构状态，可灵活调控太赫兹的吸收带宽、强度和频率。
大多数超材料的结构单元都是金、银、铝等金属构成，结构一旦固定，调谐性能有限，和其他可调谐材料组合又会增加工艺的复杂性，结构单元可直接由在硅上沉积形状记忆合金超薄膜构成，工艺简单。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述衬底1为低掺杂高阻硅衬底，其厚度为5μm，介电常数为11.86。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述开口谐振环结构薄膜层的材质为TiNi形状记忆合金。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述开口谐振环结构薄膜层的材质为Ti48Ni52形状记忆合金。其它步骤与参数与具体实施方式一至三之一相同。
本实施方式限定开口谐振环结构薄膜层的材质为Ti48Ni52形状记忆合金，是基于太赫兹器件的常规适用环境温度为室温的原因，其马氏体相变温度在室温环境。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述开口谐振环结构薄膜层的周期为50μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述单开口谐振环结构2的边长为40μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述单开口谐振环结构2的线宽为3μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述单开口谐振环结构2的厚度为40nm。其它步骤与参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述对称设置在单开口谐振环结构2开口处的两个可弯曲臂结构3的间隙为0.2μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至八之一相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：基于TiNi形状记忆合金薄膜的可动态调控的多功能太赫兹超材料器件包括衬底1和开口谐振环结构薄膜层，所述开口谐振环结构薄膜层设置在衬底1上表面；所述开口谐振环结构薄膜层包括N×N个开口谐振环结构周期单元，所述开口谐振环结构周期单元包括一个单开口谐振环结构2和对称设置在单开口谐振环结构2开口处的两个可弯曲臂结构3；所述单开口谐振环结构2为正方形。所述衬底1为低掺杂高阻硅衬底，其厚度为5μm；所述开口谐振环结构薄膜层的材质为Ti48Ni52形状记忆合金。
所述周期性阵列的结构单元的周期是a，本实施案例中为50μm；对称设置在单开口谐振环结构2开口处的两个可弯曲臂结构3的间隙为d，本实施案例中为0.2μm；单开口谐振环的边长为l，本实施案例中为40μm；所述单开口谐振环结构2的线宽为t，本实施案例中为3μm；单开口谐振环结构2的厚度为40nm。
本实施案例能够同时产生LC谐振和电偶极子谐振，由于TiNi形状记忆合金的电导率可以通过调节外加温度激励实现，温度与电导率之间有着特定的关系，因此，在仿真的时候通过改变电导率可实现对基于TiNi形状记忆合金超材料的LC共振和偶极子共振的动态调制。
由图6～图9可得，当电导率为1.25×105S/m时，0.29THz波的透射率为0.42，1.23THz波的透射率为0.07；当电导率为5.25×105S/m时，0.29THz波的透射率为0.41，1.23THz波的透射率为0.06；当电导率为8.25×105S/m时，0.29THz波的透射率为0..40，1.23THz波的透射率为0.05；当电导率为1.25×106S/m时，0.29THz波的透射率为0.39，1.23THz波的透射率为0.05。
本实施案例也能够通过改变TiNi形状记忆合金薄膜悬臂梁的形状来改变电磁性能，由图4和图5可得，通过温度激励可使基于TiNi形状记忆合金太赫兹超材料形变，可弯曲悬臂的角度θ发生改变，等效长度le’缩短进而导致开口大小由d变为d’，形成不同的重构结构，通过改变基于TiNi形状记忆合金超材料结构，可灵活调控传输曲线的频率、带宽、振幅。
由图10可得，当TiNi形状记忆合金薄膜悬臂梁的翘起角度为0°时，0.29THz波的透射率为0.42，1.23THz波的透射率为0.07；当TiNi形状记忆合金薄膜悬臂梁的翘起角度为2°时，0.29THz波的透射率为0.43，1.23THz波的透射率为0.12；当TiNi形状记忆合金薄膜悬臂梁的翘起角度为4°时，0.29THz波的透射率为0.5，1.23THz波的透射率为0.22；当TiNi形状记忆合金薄膜悬臂梁的翘起角度为6°时，0.29THz波的透射率为0.56，1.23THz波的透射率为0.33；当TiNi形状记忆合金薄膜悬臂梁的翘起角度为8°时，0.29THz波的透射率为0.58，1.23THz波的透射率为0.47；当TiNi形状记忆合金薄膜悬臂梁的翘起角度为10°时，0.29THz波的透射率为0.62，1.23THz波的透射率为0.5。
由图11可得，当基于TiNi形状记忆合金超材料的电导率变化和悬臂梁翘起角度同时改变的时候，使形状记忆合金超材料的电导率由1.25×105S/m变化为1.25×106S/m，同时，可弯曲部分的弯曲角度从0°变为10°，传输曲线的两个谐振峰由0.29THz和1.23THz变化到0.47THz和1.79THz，实现了对不同频率太赫兹波的透射和实时调控，因此利用TiNi形状记忆合金超材料相变的，使动态调谐成为可能。
此外，在0.47THz处形成了具有开关效应的开关，当TiNi形状记忆合金在温度场作用下发生马氏体相变时，太赫兹波在0.47THz的透射率可以从0.78调谐到0.04，两个状态之间的透射率相差一个数量级以上，具备优秀开关的基础。因此，在TiNi形状记忆合金超材料中，实现了太赫兹调制的多功能性。
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