CN103018925A - 基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料。通过在人工电磁超材料中引入拓扑材料材料或者石墨烯材料，使其产生的圆二向色性的谐振频率具有可调谐性，从而解决由人工电磁超材料产生的圆二向色性工作频段过窄和不可调谐的问题。本发明可以通过控制外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度，改变拓扑材料和石墨烯的介电系数及表面电阻率，进而实现具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料。

Description

基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料
技术领域
本发明涉及基于拓扑材料和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料，在许多领域中具有广阔的应用前景。
背景技术
人工电磁超材料是一种人造介质，在自然界并不存在，它利用亚波长的微结构当作类似材料组成单元的原子分子，使其所具有的奇异的电磁特性，例如，负折射率、负磁导率、强圆二向色性等。其中圆二向色性是一种对左手圆偏振光和右手圆偏振光具有不同光学特性的现象。具有圆二向色性的人工电磁超材料就是利用缺乏镜像对称的结构来分辨左右手旋光差异，实现圆二向色性。近年来已有许多具有圆二向色性效应显著的人工电磁超材料的研究，但还有许多关键性技术问题厄待解决，如人工电磁超材料的单元结构为谐振型，因此其工作频带较窄，且其谐振工作频率相对固定，不具有可调谐的功能。为了解决这些问题，人们做了很多尝试，由此形成了电磁学领域的一个新的热点：具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料。
2010年，Singh等提出通过改变超材料与入射光的夹角实现圆二向色性的符号和大小的可调谐性。2012年， Zhou 等人通过改变注入光的强度，实现圆二向色性强度可调谐的人工电磁超材料。2012年，Shi等人提出可以通过调节入射光和具有不对称开环谐振环单元的人工电磁超材料之间的夹角实现圆二向色性的强度可调谐。然而，上述可调谐圆二向色性人工电磁超材料，仅是对圆二向色性的大小和符号进行调谐，如果可以调谐圆二向色性的工作频段，将会大大推进其实用化进程。因此，本发明提供一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料。通过在人工电磁超材料中引入拓扑材料或者石墨烯材料，使其产生的圆二向色性的谐振频率具有可调谐性，从而解决由人工电磁超材料产生的圆二向色性工作频段过窄和不可调谐的问题。本发明利用拓扑材料材料或者石墨烯材料的介电系数及表面电阻率随外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度改变而变化的特性，实现具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料。
发明内容
本发明针对上述可调谐圆二向色性的人工电磁超材料的问题，提供了一种基于拓扑或者石墨烯材料的可调谐圆二向色性的人工电磁超材料，该器件具有结构简单、操作容易、 工作频率调谐范围大等特点。
本发明解决问题采用的技术方案如下：
基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料是基于多层结构的器件。其上具有缺乏镜像对称的周期性谐振单元阵列，使其产生圆二向色性，通过改变拓扑材料和石墨烯材料的介电常数及表面电阻率，使圆二向色性的工作频率发生位移，从而实现圆二向色性谐振频率可调谐的人工电磁超材料。
一种具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料，该人工电磁超材料是多层结构，第一种结构是通过在衬底材料上生长金属层、拓扑材料或者石墨烯材料层、金属层和氧化层，然后制作周期性谐振单元阵列而成；
第二种结构，是通过在衬底材料上生长金属层、介质层、金属层，然后制作周期性谐振单元阵列，最后在谐振单元阵列表面镀上拓扑材料或者石墨烯材料层而成。
所述的周期性阵列是不对称开环、螺旋结构或共轭卍字形等；
所述的介质层可以是Al2O3层、Si3N4层、MgF2层或SiO2层等。
所述的拓扑材料层可以是BixSb1-x层、HgTe 层、Bi2Te3 层、Bi2Se3层或Sb2Te3 层等。
所述的石墨烯层是单层碳原子层，由石墨烯层和M层碳原子层构成，其中1<M<100。
所述的氧化层可以是In2O3层、SnO2 层或ITO层等。
所述的衬底层可以是BK7光学玻璃层、SiO2层、Si3N4层或Al2O3层等。
所述的多层结构可以通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，范德华外延法，取向附生法-晶膜生长，和分子束外延技术
所述的周期性谐振单元阵列是通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，包括电子束曝光、聚焦离子束曝光和反应离子束刻蚀。
所述的人工电磁超材料可以通过控制外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度，改变拓扑和石墨烯材料介电系数及表面电阻率，进而实现圆二向色性工作频段的可调谐性。
本发明的测试系统由傅氏转换红外线光谱分析仪完成，通过傅氏转换红外线光谱分析仪对所述器件的传输光谱和反射光谱的幅度和相位分别进行测试，进而得到器件的圆二向色性。
附图说明
图1为具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料示意图。
图2为本发明的第一种结构示意图一。
图3为本发明的第二种结构示意图二。
图4为具有可调谐圆二向色性的超材料的各种形状示意图。
图中：1衬底，2多层结构，3金属层，4拓扑材料层或石墨烯层，5氧化层，6掩膜，7周期性谐振单元阵列，8具有可调谐圆二向色性的超材料，9基于N个多层结构的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料第一种结构，10介质层，11基于N个多层结构的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料第二种结构。
具体实施方式
为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。其中的材料生长技术包括：电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，范德华外延法，取向附生法-晶膜生长，和分子束外延技术等常用技术。其中的掩模工艺包括电子束曝光和聚焦离子束曝光等常用技术。其中的刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀,如酸法刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀等常用工艺。
例1
首先，利用材料生长工艺在衬底1上形成一个多层结构(金属层3-拓扑材料层或石墨烯层4-金属层3-氧化层5)2，如附图2(a)所示。
其次，在多层结构2上沉积SiO2薄膜作为掩模6，如附图2(b)所示。
然后，通过掩模工艺将设计好的周期性谐振单元阵列样本转换到掩模上，如附图2(c)所示。其中，结构的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。
然后，通过刻蚀工艺，在2材料上制备周期性谐振单元阵列7，如附图2(d)所示。
最后，移除掩模6，得到具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料8,如附图2(e)所示。其中基于N个（N>1）多层结构的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料第一种结构9，如附图2(f)所示。
例2
首先，利用材料生长工艺在衬底1上形成一个多层结构(金属层3-介质层10-金属层3)2，如附图3(a)所示。
其次，在多层结构2上沉积SiO2薄膜作为掩模6，如附图3(b)所示。
然后，通过掩模工艺将设计好的周期谐振单元样本转换到掩模上，如附图3(c)所示。其中，结构的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。
然后，通过刻蚀工艺，在2材料上制备周期性谐振单元阵列7，如附图3(d)所示
最后，移除掩模6，并在2上沉积石墨烯或拓扑材料层4得到具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料8, 如附图3(e)所示。其中基于N个（N>1）具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料第二种结构11，如附图3(f)所示。
本发明测试系统主要由傅氏转换红外线光谱分析仪构成。可以通过控制外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度，改变石墨烯或拓扑材料介电系数及表面电阻率，进而调谐所述人工电磁超材料的圆二向色性的工作频率。
综上所述，本发明提供的基于石墨烯或拓扑材料的人工电磁超材料可以通过温度，外加电场，注入光强和拓扑材料与石墨烯材料的厚度对其所产生的圆二向色性的工作频率进行调谐，具有结构简单、操作容易、调谐范围大等优点。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims (10)

1.一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料，其特征在于，该人工电磁超材料是多层结构，衬底材料上生长金属层、拓扑材料层或者石墨烯材料层、金属层、氧化层，多层结构上制作周期性谐振单元阵列。
2.一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料，其特征在于，该人工电磁超材料是多层结构，衬底材料上生长金属层、介质层、金属层，多层结构上制作周期性谐振单元阵列，最后在周期性谐振单元阵列表面上镀拓扑材料层或者石墨烯材料层。
3.根据权利要求1或2所述的基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料，其特征在于，所述的周期性谐振单元阵列是缺乏镜像对称的结构包括不对称开环、螺旋结构或共轭卍字形。
4.根据权利要求1或2所述的人工电磁超材料，所述的金属层是Al层、Ag层、Au层、Cu层、Ni层或Pt层。
5.根据权利要求1或2所述的人工电磁超材料，其特征在于，介质层是Al2O3层、Si3N4层、MgF2层或SiO2层。
6.根据权利要求1或2所述的人工电磁超材料，其特征在于，拓扑材料层是BixSb1-x层、HgTe 层、Bi2Te3 层、Bi2Se3 层或Sb2Te3 层。
7.根据权利要求1或2所述的人工电磁超材料，其特征在于，石墨烯层是单层碳原子层，由石墨烯层和M层碳原子层构成，其中1<M<100。
8.根据权利要求1或2所述的人工电磁超材料，其特征在于，氧化层是In2O3层、SnO2 层或ITO层。
9.根据权利要求1或2所述的人工电磁超材料，其特征在于，衬底层是BK7光学玻璃层、SiO2层、Si3N4层或Al2O3层。
10.根据权利要求1或2所述的人工电磁超材料，其特征在于，多层结构通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发、金属有机化合物化学气相沉淀、气相外延生长、范德华外延法、取向附生法-晶膜生长、分子束外延技术；周期性谐振单元阵列是通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，包括电子束曝光、聚焦离子束曝光和反应离子束刻蚀。
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