二氧化钒薄膜电致相变机理及其在太赫兹电子器件中的应用研究

Vanadium dioxide (VO2) thin film, having reversible and rapid phase transition at room temperature, is one of the few natural materials that respond strongly to terahertz electromagnetic waves, making it superior to construct functional THz wave devices. However, drawbacks such as slow response rate and incompatibility with electronic system are the main bottlenecks deterring the real applications. In this proposal, by fabricating high quality VO2 thin film on silicon substrate and designing new structures of devices, we will explore the mechanism of electrically driven phase transition, clarify the relationship between thermally and electrically driven phase transition, and finally understand the interaction between VO2 thin film and terahertz wave. By constructing terahertz electronic devices with phase transition thin films and electromagnetic metamaterial structures, we will solve the conflict between coupling transmission and electrode loading, giving the technical solutions to fabricate high performance terahertz electronic devices. By breaking through the technical hurdles of response rate and device compatibility of VO2 based terahertz devices, we will be able to fabricate switches whose response rate and modulation speed can reach nano seconds and 10 MHz respectively to satisfy the urgent needs of electronic materials and devices in the terahertz science and technology for our country.

二氧化钒（VO2）薄膜是一种可工作在室温的高速可逆相变材料，是少数几种对太赫兹波具有强烈电磁响应的自然材料之一，在构建太赫兹功能器件方面具有突出的综合技术优势。然而，VO2基太赫兹器件在响应速率以及电子系统兼容性上的不足成为其走向实际应用的主要瓶颈。本课题拟通过硅基高性能VO2薄膜的制备和新型应用结构的设计，探索VO2薄膜电致相变的内在机理，澄清热致结构相变和电致莫特相变的相互关系，理解太赫兹波与VO2薄膜的相互作用规律。通过相变薄膜与人工电磁结构相集成构建太赫兹电子器件，解决太赫兹波耦合传输与电极加载之间的矛盾，形成构建高性能太赫兹电子器件的技术方案。突破现有VO2基太赫兹器件响应速率和器件兼容性的技术障碍，研制出开关速度达到纳秒量级的宽带太赫兹开关以及调制速度达到10MHz的太赫兹调制器件，满足我国太赫兹科学技术及相关应用系统发展对太赫兹电子材料的急需。

二氧化钒VO2薄膜具有可逆金属-绝缘体相变性能，在太赫兹功能器件中具有重要应用价值。本项目旨在解决二氧化钒VO2薄膜应用于太赫兹电子器件的共性基础问题。通过VO2薄膜材料相变机理研究、材料制备和器件结构设计，突破了VO2基太赫兹电子器件所面临的系统兼容性差和响应速率慢的技术瓶颈，形成太赫兹频段的电子器件设计方案，为VO2薄膜材料在太赫兹电子器器件中实际应用提供了理论和技术支撑。.本项目通过4年的研究，完成了以下研究内容： 1) 完成了对VO2薄膜电致相变机理的综合研究，揭露了电场作用下Peierls相变机制（热致相变）和Mott-Hubbard相变机制（莫特相变）两种机制的产生条件和竞争关系，建立了VO2薄膜电致相变机理相对清晰的物理图像；2）研究了控制薄膜相变过程中热产生和积累的有效手段，提出了电控相变的平面型结构和垂直型结构，形成了提高二氧化钒基太赫兹电子器件响应速率的思路和方法；3) 通过VO2薄膜图形化技术的突破以及器件结构的创新设计，形成基于VO2构建太赫兹电子器件的有效技术途径，研制出可以工作于20K极低温度的宽带太赫兹波衰减，反射率低于26dB、带宽达到700GHz的电控型太赫兹开关，以及中心频率在0.3THz以上、调制深度达到90%以上的太赫兹波调制器。4) 本项目实施过程中，在Nano-Micro Lett., Appl. Phys. Lett., Adv. Opt. Mater.等期刊上发表SCI学术论文15篇。出版太赫兹通信和应用技术方面专著2部，申请国家发明专利9项，已经授权5项，获得教育部自然科学2等奖1项；在人才培养方面，1人入选了四川省科技与技术带头人，培养了硕士研究生4名。5）本项目研究成果已经成功推广应用，为太赫兹探测成像、无线通信等应用系统提供重要的器件支撑。