二氧化钒的相变调控特性及可重构超表面天线应用研究

李靖豪，杨琬琛*，周晨昱，薛 泉，文岐业，车文荃

(1.华南理工大学 广东省毫米波与太赫兹重点实验室，广东 广州 510641；2.电子科技大学 电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川 成都 610054)

0 引言

钒是一种过渡金属，其氧化物在一定条件下可以实现导体—绝缘体相变，这是一种典型的强关联电子体系特征[1]。在钒的氧化物中，二氧化钒(VO2)因其相变温度接近室温而受到广泛关注[2]。在相变过程中，VO2晶格结构发生变化(单斜monoclinic结构变为四方相金红石型rutile结构)，导致VO2薄膜发生绝缘体—金属转变[3-5]。同时，电阻率、介电性能、磁化率、光透射率和反射率等也有较大的变化。有许多方法可以用来激励VO2相变，例如温度、电(包括电流和电压)、激光和压力[7-10]。此外，在VO2薄膜的制备过程中，通过调整化学计量[11](氧分压、离子掺杂和溅射功率等)会改变相变温度和性能。这些特性使得VO2在未来射频/光开关和可调设备领域具有广阔的应用前景[12-16]。

在VO2薄膜的激励方式中，激光激励、热激励和电激励被广泛研究[15-17]。激光激励的相变速度快，但需要外加激光发生器，增加了设备的体积。热激励操作简单，VO2薄膜相变程度高，但温度升高可能对器件的性能产生负面影响，且相变速度较慢。与热激励相比，电激励具有更高的可靠性和多样性[18]，并且可控性更好，对设备的负面影响很小，缺点则是VO2薄膜相变程度较低。综合以上优缺点，电激励VO2相变的方式更符合实际应用场景。但是，许多已经发表的工作主要集中在对初始电压[19]、结构演化[20]以及相变的控制[21]的分析，很少关注VO2相变程度大小。相变程度高表明VO2作为电路开关在绝缘状态下具有良好的隔离性和在导通状态下具有低损耗性，能够实现良好的开关功能。

超材料是一类具有自然界中材料所不具备的超常物理性质的等效均匀人工复合结构。通过设计不同的微结构，可使超材料的相对等效介电常数、相对等效磁导率为小于1的正实数、负实数或复数，从而使电磁波传播方式从根本上发生变化，给电子学、声学和光学等领域带来了广泛深远的影响。超材料概念所涵盖的范围非常广，其中超表面结构作为一种超材料，对入射的平面波具有同相位反射的特性。超表面在天线性能提升方面是一个重要的研究热点，例如，通过加载人工磁导体(AMC)、电磁带隙结构和平面型阻抗表面等超材料结构，可实现天线的高增益、宽频、小型化和低剖面等性能。

为了更好地将VO2薄膜应用于实际场景，本文使用具有不同尺寸/形状电极的电路和不同激励方式来研究相变程度的大小。相变程度可以用绝缘状态下VO2薄膜的电阻率除以金属状态下的电阻率来定义[22]。在此基础上，还对电激励相变的原理进行了分析。此外，考虑到VO2薄膜在射频开关和可调器件中的应用前景，还研究了VO2薄膜在毫米波电路中的相变调控方法。最后，将VO2薄膜与超表面天线结合，设计出具有高性能的毫米波频率可重构超表面天线。

1 VO2相变特性分析

1.1 不同电极对VO2电激励相变程度的影响分析

为了研究VO2薄膜的相变调控方法，采用微加工技术加工了VO2薄膜电路。制作过程如下：首先制备VO2薄膜，即通过磁控溅射在蓝宝石衬底上镀一层200 nm厚的VO2薄膜。在实验中，需要在VO2薄膜上沉积具有精确形状和尺寸的金属电极，因此需要用到光刻工艺，包括旋涂光刻胶、干燥、曝光和显影等，这是对金属电极质量影响最大的关键步骤；然后，通过电子束蒸发在基板上沉积10/800 nm厚的Ti/Au层；最后，通过剥离方法，可以获得精确形状和尺寸的金属电极。

采用上述微加工技术，设计并制作了一系列具有矩形和交指2种电极的VO2集成电路，以分析金属电极对电激励VO2相变的影响，如图1所示。每种类型都包含几种不同尺寸。在室温(约25 ℃)下研究了电激励相变特性。测试电路原理如图2所示。为了操作方便和连接的稳固性，需要外接PCB板放置在VO2电路下方，用金线和铟粒将信号从电极引导到PCB板上的金属焊盘。使用Keithley 2460源表提供稳定的直流电流，并与PCB板上的金属焊盘连接。需要注意的是，不同电路中的所有VO2薄膜都是在相同的环境中制备的，因此它们的特性相似。例如，绝缘状态下所有薄膜的电阻率约为0.04 Ω·m。

(a) 矩形电极

图2 电激励相变测试电路原理

不同尺寸矩形电极的VO2电路的测量结果如图3(a)和图3(b)所示。对于样品1，2和3，所有电极的宽度w相同，而电极间隙g不同。随着电极间隙g变大，绝缘状态下VO2膜的电阻R将根据式(1)增加，其中ρ表示VO2薄膜的电阻率，t表示VO2薄膜的厚度，w表示电极的宽度。当在电极上施加直流电流时(如图3(a)所示)，VO2薄膜的电阻率ρ随着电流值的增大而逐渐减小，减小的速度先慢后快最后慢。因此，在从绝缘体到金属的转变结束时，它将接近恒定值。需要注意的是，相变程度的大小(M)用绝缘状态下VO2膜的电阻率除以金属状态下的电阻率来定义。VO2膜的相变程度M与其绝缘状态下电阻R的变化曲线如图3(b)所示。可以看出，相变程度的大小M受绝缘状态下电阻R的影响，电阻R越大，相变程度M越大。另外，对于样品1，4和5，其电极间隙是固定的，而电极宽度各不相同。随着电极宽度w变小，绝缘状态下VO2薄膜的电阻R增大，导致M增大。

(1)

此外，交指电极的VO2电路的性能如图3(c)和图3(d)所示。样品6和7的交指具有相同的宽度wj，而间隙gj不同。相反，样品8的交指具有与样品7相同的间隙，而宽度不同。根据测试结果，随着交指间的宽度或间隙变大，绝缘状态下VO2薄膜的电阻R增大，M也增大。因此，可以通过改变电极的尺寸和形状来增加绝缘状态下的电阻值，以获得更大的M。将交指电极换成矩形电极，绝缘状态下的电阻可以从0.23 kΩ增加到37.7 kΩ，导致M的大小从22上升到548。想要解释上述现象，则需要从电激励相变的原理入手。对该原理主要有2种解释——电场效应和焦耳热效应[18]。在电激励相变中，电场或载流子注入的Poole-Frenkel效应导致载流子浓度增加，达到相变临界值(约1021cm-3)[23]，导致VO2发生Mott跃迁。相变所需的临界电场强度约为50 V/μm[24]。但上述样品的间隙是微米级别(20，50和100 μm)，这意味着相变需要高于1 000 V的电压。而本实验中施加的电压均低于100 V，远低于临界电压，显然不是电场效应导致VO2相变。所以VO2薄膜相变主要是因为焦耳热效应。焦耳热效应的原理是载流子注入的电流会产生热量，将VO2膜的温度升高到相变的临界温度以上。众所周知，电路中的焦耳热在相同时间和电流下与电阻成正比，这在一定程度上可以解释较大的电阻R会带来更高M值的现象。

(a) 矩形电极的电阻率与激励电流关系

综合上述分析可知，VO2薄膜的相变程度与电极尺寸和形状有密切的关系。通过改变电极尺寸和形状，可以增大VO2薄膜绝缘态的电阻，从而增大薄膜的相变程度。

1.2 不同激励方式下VO2的相变程度分析

基于上述不同电极对VO2电激励相变程度的影响分析，本节重点研究不同激励方式对VO2相变程度的影响分析，分别采用热激励、电激励和电热混合激励等3种方式，如图4所示。为保证实验的可靠性，在绝缘状态下对同一VO2薄膜样品施加3种激励，该样品绝缘状态下电阻率为0.044 Ω·m，并在相同环境下进行实验。

(a) 热激励

如图4(a)和表1所示，加热时，将样品置于可调节温度的加热台上，将VO2薄膜从室温(约25 ℃)加热至90 ℃。在这种热激励下，VO2薄膜的电阻率下降到8.96×10-6Ω·m，M约为4 911。电激励的实验方法和上文提及的一样。如图4(b)所示，当电流上升到40 mA时，VO2薄膜的电阻率下降到1.21×10-4Ω·m，此时M约为364，远小于加热时的M。接下来是电热混合激励。首先将样品在加热台上加热到图4(a)中的A点(约60 ℃)，此时VO2薄膜的电阻率没有发生突变，即还没有开始相变。然后，与上述电激励相同的方式对样品施加电流，温度保持在60 ℃。由于60 ℃低于临界相变温度，所以仍然是由电流而不是温度引起的相变。由图4(c)可知，随着电流的增加，VO2薄膜的电阻率急剧下降，最终下降到6.68×10-4Ω·m，M约为660。

表1 不同激励方式下的相变特性对比

表1记录了相变程度M值在不同的激励方式下的变化，热激励最高，电激励最低，而使用电热混合激励的M值介于二者之间，这种现象可能是由不同激励产生的能量不同引起的。

由于电激励相变都是通过焦耳热效应产生能量的，可通过耗散功率来衡量其激励程度，如式(2)所示，其中P代表耗散功率，I和U分别代表从源表获得的VO2薄膜两端的电流和电压。通过这种方式，可以计算出耗散功率，如图5所示。

图5 VO2薄膜在不同偏置电流下的电压与耗散功率

随着电流的增加，耗散功率不断上升，最大值约为138 mW。假设缝隙中的VO2薄膜整体受热均匀并且整个系统处于稳态，可以使用式(3)建立热模型[18]，其中T是VO2薄膜的温度，k是热导率，TA是环境温度。然后，式(3)可以转化为式(4)。根据图4中的测量结果k可估算出来，其中I0为相变临界电流，R0为施加临界电流时VO2薄膜的电阻，T0为相变临界温度。因此，VO2薄膜的等效温度可以通过式(5)计算出来(t代表VO2薄膜的厚度，ρ代表电阻率)。在40 mA电流激励下，VO2薄膜的等效温度约为69 ℃，远低于加热时的温度(约90 ℃)。使用相同的方法计算出电热混合激励的等效温度约为81 ℃，介于热激励和电激励之间。基于这些公式，每次激励的等效温度变化与M的变化一致，表明相变程度M值主要受电路中的热量影响，等效温度较高的激励会带来更高M值。

P=UI=I2R,

(2)

P=I2R=kwg(T-TA),

(3)

(4)

(5)

2 毫米波频段的相变特性

考虑到VO2薄膜在微波/毫米波开关和可调器件中的应用前景，本节进一步研究了VO2薄膜在毫米波波段的相变特性。设计并制作了一种集成VO2薄膜的可切换共面波导(CPW)，如图6所示。在中心信号线和两侧地之间加载2片200 nm厚的VO2薄膜。毫米波信号通过探针台施加在中心线上，并用矢量网络分析仪(VNA)进行测试。如图7所示，当VO2薄膜绝缘电阻率为4.96×10-3Ω·m时，CPW导通，整个电路的损耗约为1.3 dB。注意损耗包括CPW线约0.8 dB的插入损耗和从CPW到探针台的GSG探头的0.2 dB过渡损耗，因此VO2薄膜的损耗仅约为0.3 dB。和之前的实验一样，这里采用3种激励方式进行实验。首先，在热激励下，CPW被加热台从25 ℃加热到95 ℃，从图7(a)中可以观察到S21参数明显下降。VO2薄膜相变后的S21参数低于-40 dB，这意味着几乎所有的毫米波信号都输出到地上，CPW电路断开。该结果表明热激励下的VO2薄膜在毫米波段表现出良好的相变特性，因此可被视为具有低损耗和高隔离度的高性能毫米波开关。

由图3可以看出,土壤中添加无机肥和添加菌渣都能有效增强土壤氧化还原电位,但增强幅度随着土壤中重金属浓度的增加而降低.相较于空白对照组,无机肥添加分别使Cd0Zn0,Cd1Zn0,Cd1Zn100,Cd1Zn500,Cd1Zn1000处理组的氧化还原电位增加了40.4%,41.6%,34.2%,33.2%和30.3%;菌渣对土壤氧化还原电位的增强效果大于无机肥,使得氧化还原电位在各重金属处理组中分别增加了81.4%,79.0%,72.3%,68.8%和65.5%.菌渣和无机肥同时添加组也使土壤氧化还原电位有明显的提高,且增强效果介于菌渣添加组和无机肥添加组之间.

图6 基于VO2薄膜的CPW电路的测试连接图

(a) 不同激励下的S21

然后是电激励相变实验。由Keithley 2460源表提供的外部直流信号施加在中心线上，射频地与直流地相连，因此可以通过电激励VO2薄膜来导通或断开CPW电路。为了防止直流电流对网络分析仪造成损坏，故在输入输出端加了2个隔直器，用来隔离直流和射频信号。测试结果如图7所示。施加直流电流后，VO2薄膜发生相变，但由于薄膜绝缘态的电阻较小，仅通过电激励时，相变前后的电阻率变化不大(该样品相变前的电阻率约0.016 Ω·m，相变后的电阻率约7.84×10-4Ω·m，电阻率变化率仅20左右)。虽然电路传输信号的能力变差，但传输系数S21仅降低至-4 dB左右，此时隔离度不高。

为了使电控的效果更佳，采用温控和电控同时激励的方式。在电路样品下放置一块加热陶瓷片，给样品加热至69 ℃左右(此温度为热激励相变的临界值)，如图7(b)所示，然后用电流激励，此时传输系数S21低于-20 dB，电路两端口之间的隔离度较高，电路处于断开状态，表明通过温控+电控的激励方式，可以有效地控制CPW电路的通断。由表2可以看出，毫米波波段S21参数的变化是由不同激励方式下的相变程度M值决定的，M值越大，开关性能越好。

表2 不同激励下毫米波波段的相变与传输特性比较

3 基于VO2薄膜的频率可重构超表面天线

基于上述VO2薄膜的相变调控方法的研究成果，将VO2薄膜与共面紧凑型超表面结构(UC-PBG)结合，并用于毫米波天线的辐射体，设计出一种可实现大范围频率可重构的超表面天线[25]。如图8(a)所示，天线采用矩形波导馈电，通过平行双缝将电磁波耦合到上表面加载有VO2薄膜的UC-PBG结构，再辐射出去。考虑到VO2薄膜相变前后，UC-PBG结构分别在22.5和40 GHz左右产生谐振，这里提出一种双缝结构，即采用2条不同长度的缝隙，通过调节缝隙的长度和距离来分别改变2条缝隙的工作频率，从而实现双频谐振。另外，在波导和缝隙之间加了一段阶梯型波导过渡，并在波导内部设计了双脊结构，从而使天线在高低频处均能实现阻抗匹配。为了更好地激励VO2薄膜，采用电热混合激励VO2薄膜相变的折衷方法，兼具2种调控方式的优点，其中热激励方式是将加热陶瓷片固定在天线下方金属件上并连通直流源表，改变源表输出电压，加热陶瓷片产生的温度也会随之变化。电激励方式则是通过偏置电路实现，这里巧妙地利用了UC-PBG结构的连通性，将偏置电路放置在远离天线辐射体的一侧，减少了对天线辐射性能的影响，并且只需在最左侧和最右侧两列加足够大的直流电，便可以激励所有VO2薄膜。

图8 基于VO2薄膜的频率可重构超表面天线结构

图8(b)和图8(c)为加载VO2薄膜的UC-PBG结构图。超表面结构同相反射带隙的形成是由于谐振回路的作用，在超表面结构中加入VO2薄膜，通过控制VO2薄膜的相变，改变超表面结构的等效电容/电感大小，进而就可以改变其同相反射频率。超表面具体尺寸如表3所示。

表3 超表面结构尺寸

介质基板采用<0001>晶向的蓝宝石晶片，介电常数为(9.3，9.3，11.5)，厚度0.5 mm。VO2薄膜位于相邻超表面单元连接处。等效电路如图9所示，红色和蓝色的虚线框代表VO2薄膜的等效电路。当VO2薄膜绝缘时，相邻单元微带分支断开，微带分支不再呈现感性，由于VO2薄膜并非理想绝缘体，所以会引入一个电容Coff和大电阻Roff。VO2薄膜相变后，电阻率显著下降，微带分支上有感应电流存在，故产生一个等效电感Lon，因为VO2薄膜导通时并非理想导体，所以VO2连接处仍存在一个等效电容Con。由等效电路可知，VO2薄膜相变前后，超表面结构都可形成一个LC谐振回路，同相反射特性依然存在。因此，控制VO2薄膜的相变就可以改变同相反射频率，从而实现频率可重构。

(a) VO2处于绝缘状态

基于VO2薄膜的超表面结构同相反射特性的仿真结果如图10所示。可以看出，当VO2薄膜绝缘时，同相反射频率约23.4 GHz；当VO2薄膜导通时，同相反射特性依然存在，但同相反射频率提高到约40 GHz。VO2相变前后，同相反射频率的比值约1∶1.71，说明该结构可以实现大范围的频率可重构。

图10 基于VO2薄膜的超表面结构在2种状态下的反射相位

天线加工实物图如图11所示。采用电热混合激励VO2薄膜相变的方法，使薄膜在相变前后的电阻率由4.96×10-3Ω·m降低至8.16×10-5Ω·m(如表2所示)，获得了较好的相变效果。VO2薄膜相变前后天线的回波损耗和增益如图12所示，当VO2薄膜绝缘时，天线的工作频带在23.25～24.3 GHz，阻抗带宽约4.4%，带内最大增益约8.7 dB；当VO2薄膜转变为导体，工作频带往高频偏移到37～39.8 GHz，阻抗带宽约7.3%，带内最大增益约7.6 dB。VO2薄膜相变前后天线的归一化方向图如图13所示，可以看出，VO2薄膜相变前后，方向图主瓣的测试结果和仿真结果基本吻合，H面的交叉极化差距较大，主要原因是交叉极化电平较低，受测试环境的影响较大。测试结果表明，通过控制VO2薄膜的相变，可以改变天线的工作频率，且频率调谐比可达1∶1.61，可以实现大范围的频率可重构。

(a) 三维图

图12 基于VO2薄膜的频率可重构超表面天线的S11和增益

(a) 绝缘状态E面

4 结束语