[发明专利]基于GST相变材料温度控制的可控手性结构及控制方法

说明书

本发明公开了一种基于GST相变材料温度控制的可控手性结构及控制方法。该结构由周期性单元组成，每个单元由GST微纳结构、二氧化硅薄膜和金衬底构成。通过在二氧化硅薄膜上制备具有手性GST阵列，能够使得装置在近红外波段表现出圆二色性，并可以通过改变GST的温度实现对圆二色性的准线性调节。此外，通过在单元结构中放置镜像手性GST阵列，并对不同手性的GST结构进行温度控制，能够实现圆二色性的反转。与现有的手性超材料结构相比，本发明具有结构简单、功能强大、可调控波长范围大和动态调控等优点。

技术领域

本发明涉及一种基于Ge2Sb2Te5（GST）相变材料温度控制的可控手性结构及控制方法。

背景技术

相变材料是一种晶格结构会随着温度而发生改变的特殊材料，在外界电场或热刺激的直接作用下，材料内部的温度上升会导致内部结构由非晶态向晶态转化，并伴随折射率、电导率和杨氏模量等一系列材料物理性质的变化，被广泛应用于相变存储器和显示等相关技术。锗锑碲合金GST是一种常用的相变材料，加热至150℃时它从非晶态转变为立方晶体，200℃时转变为六边晶体，并且在热源撤去后GST材料的晶格状态能够稳定保持不变。值得注意的是，通过将GST加热至熔点（650摄氏度）并快速冷却至室温，能够使得GST由晶态回复至非晶态。GST在非晶态和晶态之间切换的速度能够达到兆赫兹，因此被广泛应用于制作可动态切换的功能器件。

圆偏振光的电场矢量沿顺时针或逆时针的螺旋轨迹运动，分为左旋圆偏振(LCP)或右旋圆偏振(RCP)，它们可以由两个垂直电场矢量的线偏振光分解。在涉及圆偏振光场的大量应用中，如何有效地区分不同手性的圆偏振光和发展自旋依赖型光学器件引起了研究者们的广泛关注。若器件对LCP和RCP的激发光场有着不同的光学响应，则可以用圆二色性去衡量器件的光学手性，一般定义为器件对LCP和RCP激发光场的吸收差异。基于人工超材料，研究者们设计了许多具有光学手性的微纳结构，并应用于圆偏振光场的检测和超吸收等应用。然而，许多器件依赖于三维复杂结构的金属材料，这对于大规模的制备提出了很高的要求。此外，器件的光学相应也受到超材料结构和尺寸等因素的影响，无法重构化的特点也大幅降低了其实用性能。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于GST相变材料温度控制的可控手性结构及控制方法，其目的一是能够使得装置在近红外波段表现出圆二色性，并实现对圆二色性的准线性调节，其目的二是能够实现圆二色性的反转。

技术方案：一种基于GST相变材料温度控制的可控手性结构，包括金衬底，位于所述金衬底表面的二氧化硅薄膜，在所述二氧化硅薄膜表面制备有手性GST阵列；其中，所述手性GST阵列的单元由两块长方体GST组成，两块长方体GST在与所述金衬底平行的平面上沿纵向部分贴合。

进一步的，所述长方体GST厚度为140纳米，长度在到565纳米到915纳米之间，宽度为160纳米，两长方体GST在纵向重合的长度为50纳米；所述手性GST阵列的单元横向周期为400纳米，纵向周期在1.1微米到1.8微米之间。

进一步的，所述二氧化硅薄膜的厚度为120纳米，所述金衬底的厚度为100纳米。

一种根据所述结构的可控圆二色性方法，包括如下步骤：

步骤一：根据预设的工作波长，确定所述手性GST阵列的单元中长方体GST的长度以及单元的纵向周期；其中，工作波长在1.5微米至2.4微米之间；

步骤二：利用高功率圆偏振激光对所述结构进行均匀照射，通过控制激光功率和照射时间，所述手性GST阵列升温并发生晶化，造成所述手性GST阵列物理状态发生改变，使得所述结构的共振波长发生红移；在工作波长下，结构的圆二色性将随着GST结构温度的上升而线性增加，实现基于GST温控的可控圆二色性。