VO2是一种具有相变性质的金属氧化物,能在温度T c=340 K时发生绝缘体-金属相变(Insulator-Metal Transition,IMT)效应[1]。其晶格结构从三斜晶系(介质相)转变为四方晶系(金属相),其电导率等电磁参数将伴随着相变过程剧烈变化。除了热激励外,VO2的IMT也可由激光或外加电场实现皮秒量级的高速激发。
在THz波段,大量实验证实VO2薄膜及其平面人工微结构可以有效地对THz波进行调制。通过热、光、电等方式,可以将VO2的电导率改变3~5个数量级(单位：S/m)。介质相VO2薄膜在THz波段的介电常数εi=9,可以认为对THz波无损透明。这使得THz波可以低损耗地透过介质相VO2薄膜,而发生相变后,THz波无法透过金属相VO2薄膜。金属相VO2薄膜的介电常数εm和电导率σm遵循式(2.3)~式(2.9)所描述的Drude模型,即其介电性质主要由直流电导率的大小决定,这个值可达2.7×105 S/m。因此,金属相VO2薄膜在THz波段显示出较强的金属性,但与电导率为107量级的常见金属(如铜、金、银等)相比,其具有较强的欧姆损耗和更大的趋肤深度,不能简单地看作理想金属。
在IMT过程中,VO2存在一系列中间态,它们的电导率介于介质相和金属相之间。这些中间态可以解释为介质相和金属相晶格在微观上共存,并分别占有一定比例。VO2的宏观介电常数在相变过程中随这一比例的变化可以用有效介质理论模型很好地描述[2]：
式中,f为金属相在整个晶格中占有的体积分数。在温度调控的情况下,f可由玻耳兹曼分布进行描述：(www.xing528.com)
式中,T c为相变温度;ΔT为升温和降温过程的迟滞温度。由式(2.3)、式(2.8)、式(4.1)、式(4.2)可以求得图4.1所示的VO2薄膜有效电导率随温度变化的曲线,其中升温过程中的相变温度T c=68℃,而降温过程中的相变温度T c=62℃,ΔT=6℃。通过图4.1可以看出,VO2的有效电导率σeff可以在10~2.7×105 S/m连续变化,电控或光控过程也有类似的电导率变化,这些VO2电磁参数将会应用到本节后面的分析中。
图4.1 VO2薄膜有效电导率随温度(加热和降温过程)变化的曲线
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