前沿|LPR:基于相变材料的太赫兹可编程记忆超材料(南京大学金飚兵课题组)

摘要：南京大学超导电子学研究所开发了具有记忆功能的可编程太赫兹超材料。通过优化热设计，抑制了单元间的热串扰，实现了像元的独立控制，调制速度达到1 kHz。通过施加电流脉冲可以实现状态的写入、读取和擦除，并实现了多灰阶图像的写入和保存。此项研究在高指向性波束赋型、全息成像等方面具有良好的应用前景。

关键词：Laser & Photonics Reviews, 太赫兹，可编程超材料, 相变材料，非易失性，南京大学

空间光调制器(spatial light modulator, SLM)是由许多独立单元（像元）组成的阵列，这些单元可以对光的幅度、相位和偏振等参量进行调制。空间光调制器被广泛应用于波束赋型、压缩感知成像和数字全息等领域。在太赫兹频段，由于缺乏合适的半导体开关元件，空间光调制器往往通过超材料设计实现。近二十年来，基于液晶、半导体、石墨烯、相变材料、微电子机械系统的太赫兹空间光调制器已有报道。然而，这些器件对电磁参量的调控往往是易失的，撤掉外部电信号后状态会消失，因此无法以串行控制的方式寻址每个像元。因此，空间光调制器的控制线数量随着像元数线性增加，像元规模受到制约。利用相变材料的回滞特性，每个像元可以保存切换后的状态。这种非易失性使得每个像素可以被串行控制，从而极大减少控制线的数量。然而，相变材料的热致相变会导致单元间存在严重的热串扰，限制了器件的开关速度和阵列规模。

最近，南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所利用二氧化钒(VO₂)相变材料，设计开发了一种具有记忆功能的太赫兹空间光调制器（图1）。它由8×8个阵列单元组成，每个单元都可以通过可编程逻辑门阵列（FPGA）独立控制。它既可以作为传统的太赫兹空间调制器，也可以作为多阶太赫兹图像存储器。该器件采用MIM (metal/insulator/metal)型单元结构，上下金属板构建的FP谐振腔来增强VO₂区域的电场。顶层金属结构为宽带的蝶形天线，并连接VO₂微桥。因此，单元的反射系数主要取决于VO₂的电导率。外部电信号产生的焦耳热可改变VO₂的电导率，进而实现对太赫兹波反射幅度的调控。

焦耳热改变VO₂电导率的同时会引起周围像元的温度上升，从而引起热串扰。为解决这一问题，利用高热导率的液态金属填充在样品与金属加热板的间隙，以优化热接触。在像元的热串扰测试中，采用不同幅度的偏置电压控制相邻的两个像元。热成像仪测试和仿真结果表明，热串扰被大大抑制（图2）。在施加直流偏置将VO₂驱动至最大回滞点后，该器件可以在不同峰值电流脉冲的驱动下实现太赫兹反射幅度的多态写入和读取，通过撤除直流偏置可以实现状态的擦除。在此基础上，我们以串行写入的方式在该空间光调制器上写入和保存了不同强度的图像“N”（图3）。最后，通过不同强度电流脉冲同时写入空间光调制器，实现了多灰阶图像的写入。撤掉电激励后，该图像保存时间超过5个小时。

相关工作以“Programmable Terahertz Metamaterials with Non-Volatile Memory”为题，发表在Laser & Photonics Reviews (DOI: 10.1002/lpor.202100472)上。南京大学超导电子学研究所博士研究生陈本纹为论文的第一作者，吴敬波副教授与金飚兵教授为论文的共同通信作者，吴培亨院士在研究方向上给予了关键指导，电子科技大学文岐业教授课题组为该项工作提供了大力支持，南京大学李威力、张彩虹教授，范克彬副教授和陈健教授也参与了该工作。该研究受到科技部重点研发计划（(2017YFA0700202, 2021YFB2800701），国家自然科学基金（61521001, 61731010, 62071217, 62027807, 61871212, and 61831012），中央高校基本科研业务费，江苏省先进电磁波调控技术重点实验室等项目的资助。