基于相变材料的太赫兹可编程记忆超材料

MEMS 2022-02-17 00:00

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。


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。

据麦姆斯咨询报道,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。


图1 具有记忆功能的太赫兹可编程超材料结构和功能示意图


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。


图2 像元间热串扰的测试和仿真结果


图3 施加不同强度的电流脉冲实现多灰阶图像的写入和5小时后的保存图像


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。



MEMS 中国首家MEMS咨询服务平台——麦姆斯咨询(MEMS Consulting)
评论
  • 新年伊始,又到了对去年做总结,对今年做展望的时刻 不知道你在2024年初立的Flag都实现了吗? 2025年对自己又有什么新的期待呢? 2024年注定是不平凡的一年, 一年里我测评了50余块开发板, 写出了很多科普文章, 从一个小小的工作室成长为科工公司。 展望2025年, 中国香河英茂科工, 会继续深耕于,具身机器人、飞行器、物联网等方面的研发, 我觉得,要向未来学习未来, 未来是什么? 是掌握在孩子们生活中的发现,和精历, 把最好的技术带给孩子,
    丙丁先生 2025-01-11 11:35 447浏览
  • 随着全球向绿色能源转型的加速,对高效、可靠和环保元件的需求从未如此强烈。在这种背景下,国产固态继电器(SSR)在实现太阳能逆变器、风力涡轮机和储能系统等关键技术方面发挥着关键作用。本文探讨了绿色能源系统背景下中国固态继电器行业的前景,并强调了2025年的前景。 1.对绿色能源解决方案日益增长的需求绿色能源系统依靠先进的电源管理技术来最大限度地提高效率并最大限度地减少损失。固态继电器以其耐用性、快速开关速度和抗机械磨损而闻名,正日益成为传统机电继电器的首选。可再生能源(尤其是太阳能和风能
    克里雅半导体科技 2025-01-10 16:18 322浏览
  • 在不断发展的电子元件领域,继电器——作为切换电路的关键设备,正在经历前所未有的技术变革。固态继电器(SSR)和机械继电器之间的争论由来已久。然而,从未来发展的角度来看,固态继电器正逐渐占据上风。本文将从耐用性、速度和能效三个方面,全面剖析固态继电器为何更具优势,并探讨其在行业中的应用与发展趋势。1. 耐用性:经久耐用的设计机械继电器:机械继电器依靠物理触点完成电路切换。然而,随着时间的推移,这些触点因电弧、氧化和材料老化而逐渐磨损,导致其使用寿命有限。因此,它们更适合低频或对切换耐久性要求不高的
    腾恩科技-彭工 2025-01-10 16:15 97浏览
  • ARMv8-A是ARM公司为满足新需求而重新设计的一个架构,是近20年来ARM架构变动最大的一次。以下是对ARMv8-A的详细介绍: 1. 背景介绍    ARM公司最初并未涉足PC市场,其产品主要针对功耗敏感的移动设备。     随着技术的发展和市场需求的变化,ARM开始扩展到企业设备、服务器等领域,这要求其架构能够支持更大的内存和更复杂的计算任务。 2. 架构特点    ARMv8-A引入了Execution State(执行状
    丙丁先生 2025-01-12 10:30 457浏览
  • 流量传感器是实现对燃气、废气、生活用水、污水、冷却液、石油等各种流体流量精准计量的关键手段。但随着工业自动化、数字化、智能化与低碳化进程的不断加速,采用传统机械式检测方式的流量传感器已不能满足当代流体计量行业对于测量精度、测量范围、使用寿命与维护成本等方面的精细需求。流量传感器的应用场景(部分)超声波流量传感器,是一种利用超声波技术测量流体流量的新型传感器,其主要通过发射超声波信号并接收反射回来的信号,根据超声波在流体中传播的时间、幅度或相位变化等参数,间接计算流体的流量,具有非侵入式测量、高精
    华普微HOPERF 2025-01-13 14:18 468浏览
  • 随着通信技术的迅速发展,现代通信设备需要更高效、可靠且紧凑的解决方案来应对日益复杂的系统。中国自主研发和制造的国产接口芯片,正逐渐成为通信设备(从5G基站到工业通信模块)中的重要基石。这些芯片凭借卓越性能、成本效益及灵活性,满足了现代通信基础设施的多样化需求。 1. 接口芯片在通信设备中的关键作用接口芯片作为数据交互的桥梁,是通信设备中不可或缺的核心组件。它们在设备内的各种子系统之间实现无缝数据传输,支持高速数据交换、协议转换和信号调节等功能。无论是5G基站中的数据处理,还是物联网网关
    克里雅半导体科技 2025-01-10 16:20 436浏览
  •   在信号处理过程中,由于信号的时域截断会导致频谱扩展泄露现象。那么导致频谱泄露发生的根本原因是什么?又该采取什么样的改善方法。本文以ADC性能指标的测试场景为例,探讨了对ADC的输出结果进行非周期截断所带来的影响及问题总结。 两个点   为了更好的分析或处理信号,实际应用时需要从频域而非时域的角度观察原信号。但物理意义上只能直接获取信号的时域信息,为了得到信号的频域信息需要利用傅里叶变换这个工具计算出原信号的频谱函数。但对于计算机来说实现这种计算需要面对两个问题: 1.
    TIAN301 2025-01-14 14:15 100浏览
  • 随着数字化的不断推进,LED显示屏行业对4K、8K等超高清画质的需求日益提升。与此同时,Mini及Micro LED技术的日益成熟,推动了间距小于1.2 Pitch的Mini、Micro LED显示屏的快速发展。这类显示屏不仅画质卓越,而且尺寸适中,通常在110至1000英寸之间,非常适合应用于电影院、监控中心、大型会议、以及电影拍摄等多种室内场景。鉴于室内LED显示屏与用户距离较近,因此对于噪音控制、体积小型化、冗余备份能力及电气安全性的要求尤为严格。为满足这一市场需求,开关电源技术推出了专为
    晶台光耦 2025-01-13 10:42 490浏览
  • PNT、GNSS、GPS均是卫星定位和导航相关领域中的常见缩写词,他们经常会被用到,且在很多情况下会被等同使用或替换使用。我们会把定位导航功能测试叫做PNT性能测试,也会叫做GNSS性能测试。我们会把定位导航终端叫做GNSS模块,也会叫做GPS模块。但是实际上他们之间是有一些重要的区别。伴随着技术发展与越发深入,我们有必要对这三个词汇做以清晰的区分。一、什么是GPS?GPS是Global Positioning System(全球定位系统)的缩写,它是美国建立的全球卫星定位导航系统,是GNSS概
    德思特测试测量 2025-01-13 15:42 475浏览
  • 根据Global Info Research(环洋市场咨询)项目团队最新调研,预计2030年全球无人机电池和电源产值达到2834百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为10.1%。 无人机电池是为无人机提供动力并使其飞行的关键。无人机使用的电池类型因无人机的大小和型号而异。一些常见的无人机电池类型包括锂聚合物(LiPo)电池、锂离子电池和镍氢(NiMH)电池。锂聚合物电池是最常用的无人机电池类型,因为其能量密度高、设计轻巧。这些电池以输出功率大、飞行时间长而著称。不过,它们需要
    GIRtina 2025-01-13 10:49 167浏览
  • 01. 什么是过程能力分析?过程能力研究利用生产过程中初始一批产品的数据,预测制造过程是否能够稳定地生产符合规格的产品。可以把它想象成一种预测。通过历史数据的分析,推断未来是否可以依赖该工艺持续生产高质量产品。客户可能会要求将过程能力研究作为生产件批准程序 (PPAP) 的一部分。这是为了确保制造过程能够持续稳定地生产合格的产品。02. 基本概念在定义制造过程时,目标是确保生产的零件符合上下规格限 (USL 和 LSL)。过程能力衡量制造过程能多大程度上稳定地生产符合规格的产品。核心概念很简单:
    优思学院 2025-01-12 15:43 501浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦