We demonstrate an electrolyte-based voltage tunable vanadium dioxide (VO2) memory metasurface. Large spatial scale, low voltage, non-volatile switching of terahertz (THz) metasurface resonances is achieved through voltage application using an ionic gel to drive the insulator-to-metal transition in an underlying VO2 layer. Positive and negative voltage application can selectively tune the metasurface resonance into the “off” or “on” state by pushing the VO2 into a more conductive or insulating regime respectively. Compared to graphene based control devices, the relatively long saturation time of resonance modification in VO2 based devices suggests that this voltage-induced switching originates primarily from electrochemical effects related to oxygen migration across the electrolyte–VO2 interface.

1.
C. H.
Ahn
,
J.-M.
Triscone
, and
J.
Mannhart
,
Nature
424
,
1015
(
2003
).
2.
Y.
Zhou
and
S.
Ramanathan
,
Crit. Rev. Solid State Mater. Sci.
38
,
286
(
2013
).
3.
H.-T.
Chen
,
W. J.
Padilla
,
J. M. O.
Zide
,
A. C.
Gossard
,
A. J.
Taylor
, and
R. D.
Averitt
,
Nature
444
,
597
(
2006
).
4.
O.
Paul
,
C.
Imhof
,
B.
Lńgel
,
S.
Wolff
,
J.
Heinrich
,
S.
Hofling
,
A.
Forchel
,
R.
Zengerle
,
R.
Beigang
, and
M.
Rahm
,
Opt. Express
17
,
819
(
2009
).
5.
T.
Fujimoto
and
K.
Awaga
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
8983
(
2013
).
6.
K. H.
Lee
,
M. S.
Kang
,
S.
Zhang
,
Y.
Gu
,
T. P.
Lodge
, and
C. D.
Frisbie
,
Adv. Mater.
24
,
4457
(
2012
).
7.
R.
Scherwitzl
,
P.
Zubko
,
I. G.
Lezama
,
S.
Ono
,
A. F.
Morpurgo
,
G.
Catalan
, and
J.-M.
Triscone
,
Adv. Mater.
22
,
5517
(
2010
).
8.
A.
Dhoot
,
C.
Israel
,
X.
Moya
,
N.
Mathur
, and
R.
Friend
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
136402
(
2009
).
9.
M.
Lee
,
J. R.
Williams
,
S.
Zhang
,
C. D.
Frisbie
, and
D.
Goldhaber-Gordon
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
256601
(
2011
).
10.
J. T.
Ye
,
S.
Inoue
,
K.
Kobayashi
,
Y.
Kasahara
,
H. T.
Yuan
,
H.
Shimotani
, and
Y.
Iwasa
,
Nat. Mater.
9
,
125
(
2010
).
11.
A.
Beck
,
J. G.
Bednorz
,
C.
Gerber
,
C.
Rossel
, and
D.
Widmer
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
139
(
2000
).
12.
J. J.
Yang
,
D. B.
Strukov
, and
D. R.
Stewart
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
13
(
2012
).
13.
W. C.
Chien
,
Y. C.
Chen
,
E. K.
Lai
,
F. M.
Lee
,
Y. Y.
Lin
,
A. T. H.
Chuang
,
K. P.
Chang
,
Y. D.
Yao
,
T. H.
Chou
,
H. M.
Lin
,
M. H.
Lee
,
Y. H.
Shih
,
K. Y.
Hsieh
, and
C.-Y.
Lu
,
Appl. Phys. A
102
,
901
(
2011
).
14.
M.-J.
Lee
,
C. B.
Lee
,
D.
Lee
,
S. R.
Lee
,
M.
Chang
,
J. H.
Hur
,
Y.-B.
Kim
,
C.-J.
Kim
,
D. H.
Seo
,
S.
Seo
,
U.-I.
Chung
,
I.-K.
Yoo
, and
K.
Kim
,
Nat. Mater.
10
,
625
(
2011
).
15.
J. J.
Yang
,
F.
Miao
,
M.
Pickett
,
A. O.
Douglas
,
D. R.
Stewart
,
C. N.
Lau
, and
R. S.
Williams
,
Nanotechnology
20
,
215201
(
2009
).
16.
D. M.
Newns
,
J. A.
Misewich
,
C. C.
Tsuei
,
A.
Gupta
,
B. A.
Scott
, and
A.
Schrott
,
Appl. Phys. Lett.
73
,
780
(
1998
).
17.
J. D.
Yuen
,
A. S.
Dhoot
,
E. B.
Namdas
,
N. E.
Coates
,
M.
Heeney
,
I.
McCulloch
,
D.
Moses
, and
A. J.
Heeger
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
14367
(
2007
).
18.
M. L. T.
Asaki
,
A.
Redondo
,
T. A.
Zawodzinski
, and
A. J.
Taylor
,
J. Chem. Phys.
116
,
10377
(
2002
).
19.
A.
Stoppa
,
J.
Hunger
,
R.
Buchner
,
G.
Hefter
,
A.
Thoman
, and
H.
Helm
,
J. Phys. Chem. B
112
,
4854
(
2008
).
20.
B. C.
Chapler
,
S.
Mack
,
L.
Ju
,
T. W.
Elson
,
B. W.
Boudouris
,
E.
Namdas
,
J. D.
Yuen
,
A. J.
Heeger
,
N.
Samarth
,
M. Di
Ventra
,
R. A.
Segalman
,
D. D.
Awschalom
,
F.
Wang
, and
D. N.
Basov
,
Phys. Rev. B
86
,
165302
(
2012
).
21.
N. K.
Emani
,
T.-F.
Chung
,
A. V.
Kildishev
,
V. M.
Shalaev
,
Y. P.
Chen
, and
A.
Boltasseva
,
Nano Lett.
14
,
78
(
2014
).
22.
M. M.
Qazilbash
,
M.
Brehm
,
B.-G.
Chae
,
P.-C.
Ho
,
G. O.
Andreev
,
B.-J.
Kim
,
S. J.
Yun
,
A. V.
Balatsky
,
M. B.
Maple
,
F.
Keilmann
,
H.-T.
Kim
, and
D. N.
Basov
,
Science
318
,
1750
(
2007
).
23.
H.-T.
Kim
,
B.-G.
Chae
,
D.-H.
Youn
,
S.-L.
Maeng
,
G.
Kim
,
K.-Y.
Kang
, and
Y.-S.
Lim
,
New J. Phys.
6
,
52
(
2004
).
24.
J.
Laverock
,
A.
Preston
,
D.
Newby
,
K.
Smith
,
S.
Sallis
,
L.
Piper
,
S.
Kittiwatanakul
,
J.
Lu
,
S.
Wolf
,
M.
Leandersson
, and
T.
Balasubramanian
,
Phys. Rev. B
86
,
195124
(
2012
).
25.
J. H.
Park
,
J. M.
Coy
,
T. S.
Kasirga
,
C.
Huang
,
Z.
Fei
,
S.
Hunter
, and
D. H.
Cobden
,
Nature
500
,
431
(
2013
).
26.
S.
Biermann
,
A.
Poteryaev
,
A.
Lichtenstein
, and
A.
Georges
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
026404
(
2005
).
27.
R. M.
Wentzcovitch
,
W. W.
Schulz
, and
P. B.
Allen
,
Phys. Rev. Lett.
72
,
3389
(
1994
).
28.
Y.-G.
Jeong
,
H.
Bernien
,
J.-S.
Kyoung
,
H.-R.
Park
,
H.-S.
Kim
,
J.-W.
Choi
,
B.-J.
Kim
,
H.-T.
Kim
,
K. J.
Ahn
, and
D.-S.
Kim
,
Opt. Express
19
,
21211
(
2011
).
29.
T.
Driscoll
,
H.-T.
Kim
,
B.-G.
Chae
,
B.-J.
Kim
,
Y.-W.
Lee
,
N. M.
Jokerst
,
S.
Palit
,
D. R.
Smith
,
M. Di
Ventra
, and
D. N.
Basov
,
Science
325
,
1518
(
2009
).
30.
M. D.
Goldflam
,
T.
Driscoll
,
D.
Barnas
,
O.
Khatib
,
M.
Royal
,
N. M.
Jokerst
,
D. R.
Smith
,
B.-J.
Kim
,
G.
Seo
,
H.-T.
Kim
, and
D. N.
Basov
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
224103
(
2013
).
31.
M. J.
Dicken
,
K.
Aydin
,
I. M.
Pryce
,
L. A.
Sweatlock
,
E. M.
Boyd
,
S.
Walavalkar
,
J.
Ma
, and
H. A.
Atwater
,
Opt. Express
17
,
18330
(
2009
).
32.
J.
Jeong
,
N.
Aetukuri
,
T.
Graf
,
T. D.
Schladt
,
M. G.
Samant
, and
S. S. P.
Parkin
,
Science
339
,
1402
(
2013
).
33.
M. M.
Qazilbash
,
Z. Q.
Li
,
V.
Podzorov
,
M.
Brehm
,
F.
Keilmann
,
B. G.
Chae
,
H. T.
Kim
, and
D. N.
Basov
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
241906
(
2008
).
34.
M.
Nakano
,
K.
Shibuya
,
D.
Okuyama
,
T.
Hatano
,
S.
Ono
,
M.
Kawasaki
,
Y.
Iwasa
, and
Y.
Tokura
,
Nature
487
,
459
(
2012
).
35.
M.
Liu
,
H. Y.
Hwang
,
H.
Tao
,
A. C.
Strikwerda
,
K.
Fan
,
G. R.
Keiser
,
A. J.
Sternbach
,
K. G.
West
,
S.
Kittiwatanakul
,
J.
Lu
,
S. A.
Wolf
,
F. G.
Omenetto
,
X.
Zhang
,
K. A.
Nelson
, and
R. D.
Averitt
,
Nature
487
,
345
(
2012
).
36.
M. K.
Liu
,
M.
Wagner
,
E.
Abreu
,
S.
Kittiwatanakul
,
A.
McLeod
,
Z.
Fei
,
M.
Goldflam
,
S.
Dai
,
M. M.
Fogler
,
J.
Lu
,
S. A.
Wolf
,
R. D.
Averitt
, and
D. N.
Basov
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
096602
(
2013
).
37.
E.
Abreu
,
M.
Liu
,
J.
Lu
,
K. G.
West
,
S.
Kittiwatanakul
,
W.
Yin
,
S. A.
Wolf
, and
R. D.
Averitt
,
New J. Phys.
14
,
083026
(
2012
).
You do not currently have access to this content.