基于gst相变材料的具有可调的强圆二色性的手性超表面器件
技术领域
1.本发明涉及超表面器件领域，具体涉及一种基于gst相变材料的具有可调的强圆二色性的手性超表面器件。
背景技术：
2.手性结构是指自身结构与其镜像不能重合的结构。对左旋圆偏振光(lcp)和右旋圆偏振光(rcp)的透射程度存在差异称为圆二色性(cd)，这种透射程度与波长的关系称为圆二色谱，利用这一特性制成的器件在生物检测、分析化学等领域中发挥着至关重要的作用。
3.目前已知的许多生化分子都具有手性结构，如dna双螺旋、碳纳米管和部分病毒，但自然存在的手性结构的圆二色性比较弱。近年来，为了解决以上问题，研究人员通过打破人工设计的超表面结构的对称性，实现了更强的手性，来获得较强的圆二色性。然而，这些手性超表面结构缺乏动态控制的能力，很难应用于工程实践中。
4.现有技术中，为了实现圆二色性的动态控制，研究人员利用柔性聚二甲基硅氧基硅氧烷(pdms)、电控石墨烯、液晶、半导体和二氧化钒相变材料等来设计可调超表面。尽管获得了可调的圆二色性，但是这些超表面结构也都存在各自的局限性。例如，柔性基底器件的开关速度相对较慢；石墨烯超表面结构的工作波段在中红外和太赫兹波段受到限制；液晶器件由于其强烈的各向异性行为和不稳定性而受到极大的限制；二氧化钒超表面由于二氧化钒的相变不可逆性，使得其产生的状态切换是不可往复的。
5.由此可见，现有技术中的超表面结构还存在诸多缺陷，有待进一步改进和完善。
技术实现要素：
6.本发明的目的在于，针对现有技术中存在的问题，提供一种基于gst相变材料的具有可调的强圆二色性的手性超表面器件，在保证强圆二色性的前提下提供更加方便、灵活的调控手段。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种基于gst相变材料的具有可调的强圆二色性的手性超表面器件，包括沿xoy平面周期性排列的若干个单元结构，每个单元结构包括沿z轴方向由下往上依次层叠设置的二氧化硅基底层、gst层和锗谐振层；所述gst层和锗谐振层设置于二氧化硅基底层的上表面中部；所述gst层由gst相变材料制成；
9.所述gst层和锗谐振层在xoy平面上的投影形状完全相同且互相重叠；gst层和锗谐振层在xoy平面上的投影形状呈z形，包括依次垂直连接的第一矩形条、第二矩形条和第三矩形条；所述第一矩形条和第三矩形条的长度方向平行于x轴，第二矩形条的长度方向平行于y轴，第二矩形条的一端垂直连接于第一矩形条的x轴正方向末端，第二矩形条的另一端垂直连接于第一矩形条的x轴负方向末端；
10.通过向gst层施加不同的偏置电压，改变gst层的介电常数，使得手性超表面器件的圆偏振光透射率发生变化，实现对圆偏振光透射率的动态调控。
11.进一步地，所述第一矩形条和第三矩形条的长度为460～480nm，宽度为140～150nm；所述第二矩形条的长度为280～300nm，宽度为130～150nm。
12.进一步地，所述锗谐振层的厚度为890～910nm；所述gst层的厚度为205～225nm；所述二氧化硅基底层的厚度为2580～2600nm。
13.进一步地，在单个单元结构中，所述二氧化硅基底层在x轴方向上的宽度为1200～1220nm，在y轴方向上的宽度为1120～1150nm。
14.进一步地，所述二氧化硅基底层的介电常数为2.1025。
15.进一步地，所述锗谐振层的介电常数为18.0625。
16.与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：
17.1、本发明的手性超表面器件为全介质超表面，电场增强主要发生在介质谐振腔内部，其谐振模式的工作空间大、热损耗低，更有利于制作高效光学器件。
18.2、本发明的手性超表面器件仅采用三层结构制成，具有结构简单的特点，并且采用的是二维周期性结构，便于大规模集成。
19.3、本发明的手性超表面器件的谐振器由z形的锗谐振层和z形的gst层组成，对于左旋圆偏振光及右旋圆偏振光偏有着不同的局域场增强效应，使得使得左旋圆偏振光和右旋圆偏振光具有不同的透射率，实现了强圆二色性。
20.4、本发明的手性超表面器件采用电调控的方式引起gst层相变，gst层在不同偏置电压下的介电常数不同，从而导致手性超表面器件对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的透射率发生改变，使得gst层相变前后的圆二色性产生巨大变化，实现了大范围开关能力。
21.综上，本发明提供的一种基于gst相变材料的具有可调的强圆二色性的手性超表面器件，具有圆二色性效果好、双波段可调的特性，并且圆二色性调节可逆；同时本发明还具有结构简单、应用范围广以及便于集成的优点，具备极强的实用性。
22.本发明的手性超表面器件具有很强的圆二色性，并且可以通过控制gst层的相变来使其介电常数发生变化，从而实现了手性超表面器件的圆二色性调控，具有调控方便、灵活、响应速度快等优点，可广泛用于光学检测和医疗检测等领域，具有十分广阔的市场价值和应用前景，对于促进手性传感和近场成像等主动芯片器件的发展和应用具有重要意义。
附图说明
23.图1是本发明实施例提供的一种基于gst相变材料的具有可调的强圆二色性的手性超表面器件中的单元结构的整体结构示意图。
24.图2是本发明实施例中的单元结构的俯视图。
25.图3是本发明实施例的手性超表面器件在gst层处于非晶态时的偏振透射光谱图。
26.图4是本发明实施例的手性超表面器件在gst层处于晶态时的偏振透射光谱图。
27.图5是本发明实施例的手性超表面器件在gst层相变前后的圆二色性差异对比图。
具体实施方式
28.下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
29.如图1所示，本发明实施例提供的一种基于gst相变材料的具有可调的强圆二色性的手性超表面器件，包括沿xoy平面周期性排列的若干个单元结构。每个单元结构包括沿z轴方向由下往上依次层叠设置的二氧化硅基底层1、gst层2和锗谐振层3；所述gst层2和锗谐振层3设置于二氧化硅基底层1的上表面中部。所述gst层由gst相变材料制成。
30.所述gst层2和锗谐振层3在xoy平面上的投影形状完全相同且互相重叠。具体地，如图2所示，gst层2和锗谐振层3在xoy平面上的投影形状呈z形，包括依次垂直连接的第一矩形条41、第二矩形条42和第三矩形条43；所述第一矩形条41和第三矩形条42的长度方向平行于x轴，第二矩形条42的长度方向平行于y轴，第二矩形条42的一端垂直连接于第一矩形条41的x轴正方向末端，第二矩形条42的另一端垂直连接于第一矩形条41的x轴负方向末端。
31.本发明实施例在工作时，可以通过向gst层施加不同的偏置电压，改变gst层的介电常数，使得手性超表面器件的圆偏振光透射率发生变化，实现对圆偏振光透射率的动态调控。
32.具体地，构成gst层的gst相变材料由锗(ge)、锑(sb)和碲(te)三种元素组成，固态的gst相变材料有晶态和非晶态两种相态，两态的介电常数存在较大的差别；通过改变gst相变材料的温度可以使之在晶态与非晶态之间相互转换，进而改变gst相变材料的介电常数。而本发明则采用外加偏置电压的方式，来改变gst相变材料的温度，进而改变gst层的介电常数，实现对圆偏振光透射率的动态调控。
33.进一步地，所述第一矩形条41和第三矩形条43的长度为460～480nm，宽度为140～150nm；所述第二矩形条42的长度为280～300nm，宽度为130～150nm。
34.作为优选，在本实施例中，构成gst层2和锗谐振层3的z形投影形状的第一矩形条41、第二矩形条42和第三矩形条43采用以下尺寸设计：第一矩形条41和第三矩形条43的长度w2为470nm，宽度l2为145nm；所述第二矩形条42的长度l1为290nm，宽度w1为140nm。
35.进一步地，在单个单元结构中，所述二氧化硅基底层在x轴方向上的宽度为1200～1220nm，在y轴方向上的宽度为1120～1150nm。
36.作为优选，在本实施例中，单元结构的排列周期为p
x
＝1210nm，py＝1135nm；即单个单元结构中，二氧化硅基底层在x轴方向上的宽度为p
x
＝1210nm，在y轴方向上的宽度为py＝1135nm。
37.进一步地，所述锗谐振层的厚度为890～910nm；所述gst层的厚度为205～225nm；所述二氧化硅基底层的厚度为2580～2600nm。
38.作为优选，在本实施例中，锗谐振层的厚度为900nm；所述gst层的厚度为215nm；所述二氧化硅基底层的厚度为2590nm。
39.进一步地，所述二氧化硅基底层的介电常数为2.1025；所述锗谐振层的介电常数为18.0625。
40.本发明实施例工作时，将圆偏振光作为入射光，以0
°
的入射角正入射在手性超表面器件的上表面，入射光依次经过z形的锗谐振层和z形的gst层，最终从二氧化硅基底层的底部射出。
41.其中，圆偏振光包括左旋圆偏振光和右旋圆偏振光；从迎着光线的方向看，凡电矢量顺时针旋转的称为右旋圆偏振光rcp，凡逆时针旋转的称为左旋圆偏振光lcp。
42.在工作过程中，可以通过向gst层施加不同的偏置电压，使gst相变材料由非晶态转变为晶态，以改变gst层的介电常数，使得手性超表面器件的圆偏振光透射率发生变化，实现对左旋圆偏振光透射率和右旋圆偏振光透射率的动态调控。
43.在本发明实施例中，z形的锗谐振层和z形的gst层在手性超表面器件的上方形成z形谐振器阵列，这些谐振器能够打破平面内镜面对称性并引起交叉偏振转换。一方面，z形结构属于手性结构，有利于产生手性光学效应，从而提高手性超表面器件的圆二色性；另一方面，z形全介质结构在不同偏振光下可以激发米氏共振，进而放大gst层的调控作用。
44.更具体地说，本发明实施例中由z形的锗谐振层和z形的gst层构成的z形谐振器阵列，对左旋圆偏振光lcp和右旋圆偏振光rcp有着不同的局域场增强效应，使得左旋圆偏振光lcp和右旋圆偏振光rcp具有不同的透射率，为实现偏振选择性提供了可行性。使用电磁仿真软件cst studio suite模拟的频域有限元方法，可以对本发明实施例的偏振透射和透射光谱进行数值计算。在进行仿真计算时，在x轴和y轴方向上选择unit cell周期性边界条件，在z轴方向上则选择开放式边界条件。
45.如图3和图4所示，为本发明实施例提供的手性超表面器件的仿真结果图。其中，图3为gst层在非晶态时手性超表面器件的偏振透射光谱，图4为gst层在晶态时手性超表面器件的偏振透射光谱。其中，t
l
、tr分别为lcp入射的透射谱、rcp入射的透射谱，a-gst代表gst层处于非晶态，c-gst代表gst层处于晶态。通过图3和图4可以看出，gst层相变前后左旋圆偏振光lcp和右旋圆偏振光rcp的透射率都发生了变化。
46.关于圆二色性cd，可以由公式cd＝t
l-tr计算得到。图5更加直观地示出了gst层相变前后的圆二色性的变化。图中，cd
(a-gst)
为gst层处于非晶态时的圆二色性值，cd
(c-gst)
为gst层处于晶态时的圆二色性值。
47.从图5可以看出，gst层相变前后圆二色性cd的值发生了比较大的变化：gst层为非晶态时，在1499nm附近的圆二色性cd约为-0.92，在1520nm附近的圆二色性cd约为0.94。gst层为晶态时，在1499nm附近的圆二色性cd增大为-0.32，在1520nm附近的圆二色性cd降低为-0.04。
48.为了量化圆二色性cd变化产生的开关性，将由gst层的相变引起的圆二色性差异表示为δcd＝cd
(a-gst)-cd
(c-gst)
。根据图5可知，在1499nm附近的δcd约为0.6，在1520nm附近的δcd约为0.98；由此可见，在gst层相变前后，手性超表面器件对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的透射率发生了巨大变化。
49.以上仿真结果表明，本发明实施例的手性超表面器件能够充分表现出对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的透射率差异，具有较强的圆二色性；同时，gst层的相变带来了优异的开关能力，实现了圆偏振光透射率的动态调控。
50.具体地，当gst层为非晶态时，圆二色性在1499nm和1520nm处分别达到-0.92和0.94，显示出对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的透射的差异响应；相变后，gst层转为晶态，圆二色性在1499nm和1520nm处分别变为-0.32和-0.04。在gst层相变前后，1499nm和1520nm处的圆二色性差异分别为0.6和0.98，表明本发明的手性超表面器件具有强圆二色性和大范围开关能力。
51.综上，本发明通过设计具有z形的谐振器的超表面结构，对左旋圆偏振光和右旋圆偏振光偏振光产生不同的局域场增强，使得手性超表面器件对左旋圆偏振光和右旋圆偏振
光产生不同的透射率。同时，引入gst相变材料，使手性超表面器件具有可调的功能，实现超表面器件的主动调控。利用gst层的相变，调控左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的透射率，从而产生强圆二色性和大范围开关能力。
52.本发明利用gst相变材料的介电常数可调的特性，实现了圆二色性波峰高低的可调性。通过改变结构整体尺寸，还可以使圆二色性波峰在强度不变情况下发生红移和蓝移。本发明提供的一种基于gst相变材料的具有可调的强圆二色性的手性超表面器件，具有强圆二色性，且圆二色性波峰可以根据实际需要，高低左右灵活调整，以适应各种不同的应用场景。
53.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。