一種全電磁波誘導霍爾電壓的裝置及方法
2023-05-28 11:12:26 2
專利名稱：一種全電磁波誘導霍爾電壓的裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種全電磁波誘導霍爾電壓的裝置及方法。
背景技術：
金屬微納結構特異介質(Metamaterial)中的磁共振具有十分重要的應用前景。近年來，人們利用這一結構實現了眾多新穎的電磁特性，例如，負折射效應、超解析度成像、增強透射、等離子體共振誘導透明等。在這一領域，金屬微納結構的磁共振模式一直是人們極度關心的一個主要方向。在自然界的磁材料中，對微波以上的頻段所有磁材料的磁響應逐漸減弱，直到完全沒有磁性。然而，利用金屬微納結構，人們可以將人工材料的磁響應延伸到太赫茲波以上，甚至紅外、可見光頻段。一般來說，這種磁響應金屬微納結構是開口環結構，或者雙棒(雙板)結構。考慮到這種結構可以遠小於入射波長，因此人們也稱其為「人工磁原子」。從物理機制上看，就是入射電磁波的磁偏振在該結構中誘導出環形電流，在共振的情況下，將獲得該材料的高頻磁響應。自從科技人員提出這種高頻磁響應人工結構以來，人們發現了幾個相鄰的人工磁原子之間還存在雜化效應(Hybridization effect)。基於雜化效應，人們設計發明了「人工磁分子」的各種器件，可以實現入射光的偏振控制。
2010年，《Science》期刊發表了 Zheludev教授課題組的一篇論文[Vol.330，1510-1512(2010)]，首次探討了金屬微結構磁共振材料中的一種新穎的磁共振模式，即所謂的磁潤旋共振(Toroidal resonance)。這種磁潤旋共振,在物理上對應一類特殊的渦旋極矩(Toroidalmoment)。這種渦旋偶極矩與電偶極矩共振、磁偶極矩共振相對應，屬於電磁散射多極展開式中的第三類極矩，由於其相關的效應非常微弱，長期以來一般被人們所忽略。不過在原子、分子、基本粒子等基礎研究中越來越受到科學家的高度關注，具有極其重要的物理意義(渦旋極矩的空間、時間反演對稱性同時破缺，而電偶極矩僅是空間反演對稱性破缺，磁偶極矩僅是時間反演對稱性破缺)。最近，人們在多鐵材料中也觀察到了這種磁渦旋的磁疇結構，並研究了其相關的磁電特性，但是在多鐵材料中該磁渦旋疇相關的效應同樣比較微弱。根據Zheludev教授組的工作，考慮到在金屬微納結構特異介質中可以實現渦旋極矩(即磁渦旋共振)的局域共振增強，從而有望在凝聚態物質的一個新的材料範疇內研究該特殊的潤旋極矩的各種光學特性。例如，非互易(Nonreciprocal)的光學傳輸、增強的非線性光學效應、二向色性(Dichroism)等。
然而，截止目前，在金屬微納結構中實現磁渦旋共振的人工結構設計屈指可數，並且具有明顯的缺陷，且磁渦旋共振結構一般比較複雜，僅適合用於直流或低頻器件，對高頻的電磁波不起作用，故理論上預言的各種新穎光學功能器件，在金屬微納結構磁渦旋特異介質中得到驗證的特性也是寥寥無幾。另外，在現有技術中霍爾效應一般都是針對直流電流的，並且需要外加偏置磁場。發明內容
本發明要解決的技術問題在於，針對現有技術中誘導霍爾電壓裝置的結構比較複雜，需要外加偏置磁場，且僅適合用於直流或低頻器件，對高頻的電磁波不起作用等上述缺陷，提供一種全電磁波誘導霍爾電壓的裝置及方法，其中，所述全電磁波誘導霍爾電壓的裝置結構簡單，適用於任意頻率的電磁波，能利用高頻的磁渦旋共振模式誘導產生直流霍爾電壓，且可以設計靈活可調的二維或三維周期磁渦旋共振腔陣列；另外，採用所述誘導霍爾電壓的方法誘導霍爾電壓時，不需要外加偏置磁場，操作簡便。
本發明解決其技術問題所採用的技術方案是:一種全電磁波誘導霍爾電壓的裝置，包括襯底、磁渦旋共振腔陣列和叉指電極；磁渦旋共振腔陣列包括至少一個三明治結構狀的二維陣列，且二維陣列包括從上至下依次相連的上金屬層、高介電係數材料層和下金屬層，下金屬層與襯底相連；叉指電極設在襯底上，並與下金屬層相連。
在本發明所述技術方案中，所述全電磁波誘導霍爾電壓的裝置包括襯底、磁渦旋共振腔陣列和叉指電極，而磁渦旋共振腔陣列包括多個呈三明治結構狀的二維陣列，且該二維陣列包括從上至下依次相連的上金屬層、高介電係數材料層和下金屬層；其中，一個二維陣列的下金屬層與襯底相連，叉指電極又設在襯底上，且與二維陣列的下金屬層相連，故所述全電磁波誘導霍爾電壓的裝置結構簡單。
在本發明所述技術方案中，所述構成磁渦旋共振腔陣列的二維陣列包括三層結構，即上金屬層、高介電係數材料層和下金屬層，這三層構成三明治結構狀。在電磁波入射的條件下，只要其電場偏振具有垂直於金屬層的分量，就可以在與結構尺寸相對應的某個共振頻率下激發出磁渦旋共振模式。產生磁渦旋共振時，該共振模式經多極分解後的散射強度以渦旋偶極矩成分為主，其他的電偶極、磁偶極成分可以忽略，這就證明了本發明所述技術方案中的磁渦旋共振腔陣列可以實現一種新穎的具有第三類極矩的共振模式，即磁渦旋共振。根據多鐵材料體系的相關理論和實驗研究，在多鐵材料上加上一個靜磁場 ,使得Tl if，則在與T及H,相互垂直的方向上會出現電極化？,即Ικ χ 。與多鐵系統中的這種磁電效應類似，在本發明所述的磁渦旋共振陣列結構中，其所具有的動態交變渦旋極矩在入射電磁波的作用下，也可以實現相似的「磁電效應」。與現有技術相比，本發明所述全電磁波誘導霍爾電壓的裝置不需要外加磁場，當磁渦旋共振腔的尺寸遠小於入射電磁波的波長時，入射電磁波的磁場分量在準靜態近似的條件下可以等效地起到均勻「外加磁場」的作用，然後再利用該磁渦旋共振陣`列的集體增強效果，可以從叉指電極上獲得較大的霍爾電壓信號。故本發明所述全電磁波誘導霍爾電壓的裝置適用於任意頻率的電磁波，且能利用高頻的磁渦旋共振模式誘導產生直流霍爾電壓。
在本發明所述技術方案中，所述二維陣列的高介電係數材料層的厚度及折射率、上金屬層和下金屬層的半徑及厚度決定了磁渦旋共振頻率，故所述磁渦旋共振腔陣列的共振頻率具有連續可調的特點，可以將任意頻率的電磁波轉化為直流的霍爾電壓。
在本發明所述技術方案中，所述磁渦旋共振腔陣列包括至少一個三明治結構狀的二維陣列，即多個二維陣列可以疊加，又因為該三明治結構狀的二維陣列的磁渦旋共振模式是非輻射性的，相鄰磁渦旋共振腔之間不會產生明顯的相互作用，這樣就可以設計靈活可調的二維或三維周期磁渦旋共振腔陣列，獲得多個磁渦旋共振腔霍爾電壓的集體增強效應。
在本發明所述技術方案中，所述叉指電極設在襯底上，布線宜細且靠近磁渦旋共振腔的兩端，並與下金屬層相連，便於引出磁渦旋共振腔陣列的集體霍爾電壓信號。
作為對本發明所述技術方案的一種改進，在磁渦旋共振腔陣列中，多個二維陣列逐層疊加。上一個二維陣列的下金屬層和下一個二維陣列的上金屬層相連，組成三維磁渦旋共振腔陣列。
作為對本發明所述技術方案的一種改進，叉指電極包括交錯排列的正極指部和負極指部。
作為對本發明所述技術方案的一種改進，高介電係數材料層為半導體層。在本發明中，可以採用矽、鍺等半導體材料作為高介電係數材料層，只要其在磁渦旋共振模式的響應頻率下具有高的介電係數即可，最好其本身對入射電磁波沒有明顯的吸收。
一種利用上述全電磁波誘導霍爾電壓的裝置誘導霍爾電壓的方法，包括以下步驟:
步驟一:利用偏振片將入射電磁波轉變為偏振電磁波，且入射電磁波的頻率與磁渦旋共振腔陣列的響應頻率相等；
步驟二:將經過步驟一獲得的偏振電磁波沿磁渦旋共振腔陣列的側面入射到上述全電磁波誘導霍爾電壓的裝置上，並使其偏振方向與上金屬層所在的平面不平行，即會產生霍爾電壓。
在本發明所述技術方案中，首先利用偏振片將入射電磁波轉換為偏振電磁波，然後將該偏振電磁波沿磁渦旋共振腔陣列的側面入射到全電磁波誘導霍爾電壓的裝置上，並使其偏振方向與上金屬層所在的平面不平行，即只要電磁波的電場偏振具有垂直於上下金屬層的分量即可。此時，在磁渦旋共振的條件下，由於入射電磁波的磁場偏振在準靜態條件下可以等效地起到均勻「外加磁場」的作用，因此所述全電磁波誘導霍爾效應的裝置的兩端就會發生淨載流子的積累，然後再利用該磁渦旋共振陣列的集體增強效果，可以從叉指電極上獲得較大的霍爾電壓信號。故與傳統方法相比，本發明所述技術方案不需要外加偏置磁場就能誘導交流霍爾電壓，且操作簡便。
作為對本發明所述技術方案的一種改進，入射電磁波為微波、毫米波、太赫茲波、紅外線或可見光。根據磁渦旋共振響應的普遍規律，共振頻率與共振結構的幾何尺寸近似成反比例關係。因此，對應不同波段的入射電磁波，只要將本發明所述的磁渦旋共振腔陣列的幾何尺寸作出相應的縮放，保證其磁渦旋共振腔的響應頻率等於入射電磁波的頻率即可實現微波、毫米波、太赫茲波、紅外或可見光波的全電磁波霍爾電壓。另外，在本發明所述技術方案中，當入射電磁波為微波、毫米波等較低頻段的電磁波時，上金屬層和下金屬層可以選擇銅、金、銀等金屬材料製備；當入射電磁波為紅外、可見光等較高頻段的電磁波時，上金屬層和下金屬層應該選擇金、銀等低損耗的貴金屬材料。
另外，在本發明所述技術方案中，凡未作特別說明的，均可通過採用本技術領域中的常規技術實現本技術方案。
因此，本發明的有益效果是提供了一種全電磁波誘導霍爾電壓的裝置及方法，其中，所述全電磁波誘導霍爾電壓的裝置結構簡單，適用於任意頻率的電磁波，能利用高頻的磁渦旋共振模式誘導產生直流霍爾電壓，且可以設計靈活可調的二維或三維周期磁渦旋共振腔陣列；另外，採用該裝置誘導霍爾電壓時，不需要外加偏置磁場，操作簡便。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中:
圖1是本發明全電磁波誘導霍爾電壓的裝置的結構示意圖2是二維陣列的結構示意圖3是叉指電極的結構示意圖4是入射電磁波誘導的磁渦旋共振在半導體層中的磁場分布；
圖5是入射電磁波誘導的磁渦旋共振在上金屬層和下金屬層中的誘導電流分布；
圖6是磁渦旋共振腔陣列對電磁波散射的多極開展的理論計算結果；
圖7-1和圖7-2是仿真結果，其中，圖7-1是金屬夾層為低介電材料或真空時的載流子分布，圖7-2是金屬夾層為高介電係數材料層時的載流子分布；
圖8是入射電磁波在整個周期交變狀態內霍爾電壓的變化情況；
現將附圖中的標號說明如下:1為襯底，2為二維陣列，3為叉指電極，4為上金屬層，5為高介電係數材料層,6為下金屬層。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明優選實施例如下:
如圖1所示，本實施例所述全電磁波誘導霍爾電壓的裝置包括襯底1、磁渦旋共振腔陣列和叉指電極3，其中，磁渦旋共振腔陣列只包括一個呈三明治結構狀的二維陣列2，該二維陣列2設在襯底I上，而叉指電極3置於二維陣列2上。
如圖2所示，二維陣列2為呈圓盤狀的三明治結構，包括從上至下依次相連的上金屬層4、高介電係數材料層5和下金屬層6，在本實施例中，高介電係數材料層為半導體層；下金屬層6與襯底I相連，叉指電極3設在襯底I上,並與下金屬層6相連。
如圖3所示，叉指電極3包括正極指部和負極指部，且正極指部和負極指部相互交錯排列。
利用本實施例上述裝置誘導霍爾電壓的方法，包括以下步驟:
步驟一:利用偏振片將入射太陽光轉變為偏振光，且入射太陽光的頻率與二維陣列2的磁潤旋共振響應頻率相等；
步驟二:將經過步驟一獲得的偏振光沿二維陣列2的側面入射到上述全電磁波誘導霍爾電壓的裝置上，並使其偏振方向垂直於上金屬層4所在的平面，即會產生直流霍爾電壓。
如圖4所示，入射電磁波誘導的磁渦旋共振在半導體層中的磁場分布呈渦旋狀；而如圖5所示，入射電磁波誘導的磁渦旋共振在上金屬層4和下金屬層6中的誘導電流分別從圓盤的圓周向中心聚合和從圓盤的圓心沿徑向發散。
圖6為磁渦旋共振腔陣列，即二維陣列2對電磁波散射的多極開展理論計算結果，可以看出，其在130THz時具有明顯的渦旋極矩Tz。
如圖7-1所示，當金屬夾層為空氣時，磁渦旋共振的誘導載流子分布是關於圓心對稱的，不具有明顯的霍爾效應；而當金屬夾層為矽時，即如圖7-2所示，磁渦旋共振腔的兩端出現了載流子的不對稱積累，具有明顯的霍爾效應，此時太陽光的磁場分量可以根據準靜態條件近似為常規霍爾電壓裝置中需要的外加磁場。
圖8是入射電磁波在整個周期交變狀態內霍爾電壓的變化情況，可以看出，在入射太陽光的整個周期交變狀態內，載流子的不對稱積累僅出現在二維陣列2的左邊，儘管其大小是隨太陽光相位變化而變化的。
應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種全電磁波誘導霍爾電壓的裝置，其特徵在於，包括襯底(I)、磁渦旋共振腔陣列和叉指電極(3);所述磁渦旋共振腔陣列包括至少一個三明治結構狀的二維陣列(2)，且所述二維陣列(2)包括從上至下依次相連的上金屬層(4)、高介電係數材料層(5)和下金屬層(6)，所述下金屬層(6)與襯底(I)相連；所述叉指電極(3)設在襯底(I)上，並與下金屬層(6)相連。
2.根據權利要求1所述的全電磁波誘導霍爾電壓的裝置，其特徵在於，在所述磁渦旋共振腔陣列中，多個二維陣列(2)逐層疊加在一起。
3.根據權利要求1所述的全電磁波誘導霍爾電壓的裝置，其特徵在於，所述叉指電極(3)包括交錯排列的正極指部和負極指部。
4.根據權利要求1所述的全電磁波誘導霍爾電壓的裝置，其特徵在於，所述高介電係數材料層(5)為半導體層。
5.一種利用權利要求1所述的全電磁波誘導霍爾電壓的裝置誘導霍爾電壓的方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟一:利用偏振片將入射電磁波轉變為偏振電磁波，且入射電磁波的頻率與磁渦旋共振腔陣列的響應頻率相等； 步驟二:將經過步驟一獲得的偏振電磁波沿磁渦旋共振腔陣列的側面入射到所述全電磁波誘導霍爾電壓的裝置上，並使其偏振方向與上金屬層所在的平面不平行，即會產生所述霍爾電壓。
6.根據權利要求5所述的全電磁波誘導霍爾電壓的裝置誘導霍爾電壓的方法，其特徵在於，所述入射電磁波為微波、毫米波、太赫茲波、紅外線或可見光。
全文摘要
本發明公開了一種全電磁波誘導霍爾電壓的裝置及方法，其中全電磁波誘導霍爾電壓的裝置包括襯底、磁渦旋共振腔陣列和叉指電極；磁渦旋共振腔陣列包括至少一個三明治結構狀的二維陣列，且二維陣列包括從上至下依次相連的上金屬層、高介電係數材料層和下金屬層，下金屬層與襯底相連；叉指電極設在襯底上，並與下金屬層相連。本發明提供了一種全電磁波誘導霍爾電壓的裝置及方法，全電磁波誘導霍爾電壓的裝置結構簡單，適用於任意頻率的電磁波，能利用高頻的磁渦旋共振模式誘導產生直流霍爾電壓，且可以設計靈活可調的二維或三維周期磁渦旋共振腔陣列；另外，採用該裝置誘導霍爾電壓時，不需要外加偏置磁場，操作簡便。
文檔編號H01Q15/00GK103138054SQ20131003489
公開日2013年6月5日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者董正高, 雷雙瑛, 李家奇 申請人:東南大學