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概 述
罗马大学工程基础与应用科学系（SBAI）的研究团队最近发表在《Scientific Reports》的一篇文章探讨了在一种包含相变材料二氧化钒（VO₂）的混合超材料结构中对金属-绝缘体-金属（MIM）共振进行主动红外调谐的问题。研究重点是二氧化钒从半导体到金属状态的相变如何实现对超材料在中红外范围（3-5μm）的吸收和发射特性的精确控制。
这种调谐能力有望应用于热管理、光学开关和智能材料领域，为操纵电磁特性实现先进功能提供了有效方法。
二氧化钒驱动超材料
二氧化钒（VO₂）是一种独特的相变材料（它能在大约 68°C 的温度下在半导体和金属状态之间快速转换）。这种以明显的结构转变为特征的相变使 VO₂ 成为一种有效的热致变色材料。在不同状态之间切换的能力使其在智能窗户、热发射器和红外光学器件等应用中具有极高的价值。
当它从绝缘体转变为金属时，VO₂ 的折射率会发生显著变化，从而影响其吸收和发射行为。这一特性在设计超材料时尤为有利，因为在超材料设计中，精确的电磁控制至关重要。
将 VO₂ 与微/纳米技术中的纳米结构介质相结合，为先进的电磁操纵提供了大有可为的机会。这种方法支持创新设计，如非对称法布里-珀罗空腔和复杂的超材料结构，从而增强光子器件的功能。
关于研究
这项研究考察了一种基于 VO₂ 的混合超材料，用于中红外范围的可调谐共振吸收。研究人员利用脉冲激光沉积（PLD）技术，在金纳米盘和连续金薄膜之间制造了薄的 VO₂ 层，从而形成了一种 MIM 结构。这种设计允许通过温度调节对 MIM 共振进行动态控制。
图 1：(a) CaF2 衬底上超材料晶胞的 3D 示意图。(b) 样品的 SEM 图像。资料来源：Emilija Petronijevic, Maria Cristina Larciprete 等人，《Active infrared tuning of metal–insulator-metal resonances by VO2 thin film》，《Scientific Reports》（2024）。
研究的主要目的是证明如何根据 VO₂ 的温度相变来调整超材料的吸收特性。研究采用实验技术和数值建模来研究材料的光学行为。使用时域有限差分法（FDTD）进行了全波电磁模拟，以准确预测结构的吸收曲线。
在实验装置中，他们使用 Bruker VERTEX 70v FTIR 光谱仪测量光谱红外反射率，在 26°C 至 100°C 的温度范围内分析样品。这种方法揭示了温度变化如何影响共振调谐，为先进应用中的温控光学特性提供了启示。
图 2：(a) 实验光谱显示了超材料随温度的共振调谐。(b) 使用 Bruggeman 公式和 Looyenga 混合规则进行的模拟；f 是拟合参数，表示加热过程中金属 VO2 的比例。资料来源：Emilija Petronijevic, Maria Cristina Larciprete 等人，《Active infrared tuning of metal–insulator-metal resonances by VO2 thin film》，《Scientific Reports》（2024）。
主要发现和见解
研究表明，共振吸收可根据温度进行有效调节。实验数据表明，室温下的反射率有明显下降，这与 4.72μm 附近的质子间隙共振相对应。随着温度的升高，该共振向更长的波长移动，在 66°C 时达到 5.43μm。这种对吸收峰值的持续调整证明了材料光学特性的实时适应能力，突出了其动态应用的潜力。
表 1：共振波长的实验值和相应的吸收值。资料来源：Emilija Petronijevic, Maria Cristina Larciprete 等人，《Active infrared tuning of metal–insulator-metal resonances by VO2 thin film》，《Scientific Reports》（2024）。
作者观察到，随着 VO₂ 金属相比例的增加，吸收强度也随之降低，这说明 VO₂ 的相变与超材料的电磁行为之间存在直接联系。研究还发现，这种相变是可逆的，超材料在冷却后可恢复到原始状态，从而确保在多次加热和冷却循环中都能正常工作。
图 3：(a) 纯半导体 VO2 在谐振波长处的模拟和实验吸收强度。图中的蓝星、绿星和红星分别代表拟合参数 f 等于 0（类半导体）、0.6（中间值）和 1（类金属）时的模拟吸收总量。加热会增加反射，从而减少吸收，如 (b) 所示：f = 0、f = 0.6 和 f = 1 时吸收密度的 3D 分布。(c) 磁场强度与体积参数 f 的函数关系；共振波长和 f = 0 时的强磁场随着 f 的增大而逐渐消失。资料来源：Emilija Petronijevic, Maria Cristina Larciprete 等人，《Active infrared tuning of metal–insulator-metal resonances by VO2 thin film》，《Scientific Reports》（2024）。
图 4：(a) 共振波长的模拟和实验结果分别是拟合参数 f（模拟，左轴）和温度（实验，右轴）的函数。蓝星和红星分别代表拟合参数 f = 0（类半导体态）和 f = 1（类金属态）时的模拟谐振波长。(b) 金纳米盘上方 10nm xy 平面上的电场分布：共振波长和随系数 f 增加而增强的红移。(c) f = 0（4.72μm）和 f = 1（5.95μm）共振波长处模拟磁场强度的 xz 监视器。资料来源：Emilija Petronijevic, Maria Cristina Larciprete 等人，《Active infrared tuning of metal–insulator-metal resonances by VO2 thin film》，《Scientific Reports》（2024）。
数值建模与实验结果非常吻合，进一步揭示了 VO₂ 在转变过程中的有效折射率。研究人员使用有效介质理论（包括 Bruggeman 理论）来准确描述混合结构的光学特性。这些模拟得出的参数与实验数据相吻合，验证了理论框架并支持了研究结果。
应 用
基于 VO₂ 的混合超材料的可调特性对各种应用具有重要意义。通过温度变化控制共振波长和强度的能力可用于热伪装系统、智能窗户和红外光学系统。
此外，质子间隙共振产生的强磁场可用于基于磁偶极子的应用，增强光子器件和传感器的功能。
未来方向
研究人员提出了令人信服的证据，证明 VO₂ 薄膜中的 MIM 共振具有可调谐性。他们的研究表明，VO₂ 可以有效地用作动态红外调谐的相变材料，同时也为进一步研究混合超材料的光学特性奠定了基础。这些发现凸显了 VO₂ 在材料科学领域的重要意义，为热管理、光学开关等领域的创新应用铺平了道路。
未来的工作重点是优化设计和解决技术难题，以提高这些超材料的性能。探索将 VO₂ 与其他相变材料集成在一起，可能会产生功能更强的新型混合系统。随着制造技术和材料工程的不断进步，基于 VO₂ 的系统在改变各种技术领域方面的潜力仍然大有可为。
参考文献：Emilija Petronijevic, Maria Cristina Larciprete 等人，《Active infrared tuning of metal–insulator-metal resonances by VO2 thin film》，《Scientific Reports》（2024）。
