CN103050783A

CN103050783A - 基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐负折射率的人工电磁超材料

Info

Publication number: CN103050783A
Application number: CN2012105406050A
Authority: CN
Inventors: 曹暾
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2012-12-13
Filing date: 2012-12-13
Publication date: 2013-04-17

Abstract

本发明公开了一种集成了石墨烯或拓扑材料的工作频带可调谐负折射率人工电磁超材料。通过在人工电磁超材料中引入拓扑材料或者石墨烯材料，使其产生的负折射率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负折射率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、拓扑材料或石墨烯的厚度，改变拓扑材料和石墨烯的介电系数及表面电阻率，进而实现谐振频率可调谐的负折射率人工电磁超材料。

Description

基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐负折射率的人工电磁超材料

技术领域

本发明涉及基于拓扑绝缘材料和石墨烯材料的的人工电磁超材料，它具有负折射率和负磁导率可调谐的电磁特性，在医学成像、完美透镜、电磁隐身等领域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，因其所具有的独特的电磁特性，例如，负折射率效应、负磁导率效应、强圆二向色性、电磁隐身、逆多普勒效应、逆契仑可夫辐射以及放大倏逝波等而受到广泛的关注。近年来已有许多关于负折射率效应显著的人工电磁超材料的研究，但是也面临着新的挑战，比如，人工电磁超材料具有周期性结构的谐振单元，因此其负折射率具有工作频段过窄和不可调谐等问题，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：可调谐负折射率人工电磁超材料。

1968年，Veselago从电磁场理论出发，预言了介电常数和磁导率同时为负值并不违反物理原理。1996年，Pendry提出通过金属线阵列实现负介电常数，用开口谐振环实现负磁导率。2000年，Smith 等人将开口谐振环阵列和金属杆阵列组合在一起，在微波频段上第一次制造出具有负折射特性的电磁超材料，从而引起人们对具有负折射率的人工电磁超材料即左手超材料的广泛关注。而具有可调谐工作频率的左手超材料更是得到了人们的重视。Shadrivov和Chen等人分别提出在开环谐振环结构中外加变容二极管来调节其频率特性。Degiron等人设想在开环谐振环结构中引入电导率可调的半导体来实现可调左手材料。Zhao等人将开环谐振环结构浸在液晶之中，通过外加电场调节液晶的介电常数实现结构的频率可调谐性。

上述可调谐左手超材料，需要引入外加可调器件，将会增加超材料结构的复杂性。而液晶又具有流动性与腐蚀性，给左手材料的实际应用带来很大的难度。

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负折射率的人工电磁超材料。通过在多层人工电磁超材料中引入拓扑材料或者石墨烯材料，使其负折射率的工作频带具有可调谐性，从而解决由人工电磁超材料产生的负折射率工作频段过窄和不可调谐的问题。本发明利用拓扑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，实现具有可调谐负折射率的人工电磁超材料。

发明内容

本发明针对上述可调谐负折射率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负折射率的人工电磁超材料，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负折射率的人工电磁超材料是一个多层结构器件。其上具有亚波长周期性谐振单元阵列，使其具有负折射率，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，使负折射率的谐振频率发生偏移，从而实现可调谐负折射率。

一种具有可调谐负折射率的人工电磁超材料，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，然后在多层结构上刻蚀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，然后在多层结构上刻蚀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。

所述的周期性谐振单元阵列是圆形、矩形、椭圆形、三角形、弧形、十字形、六边形、不对称开环、螺旋结构或共轭卍字形；

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Bi_xSb_1-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，如电子束曝光、聚焦离子束曝光和反应离子束刻蚀等，其特点是底部平坦，侧壁光滑，侧面形状不限。

所述的基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐负折射率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，进而实现工作频段可调谐的负折射率。

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，进而得到器件的负折射率。

附图说明

图1为具有可调谐负折射率的超材料示意图。

图2为本发明的第一种结构示意图。

图3为本发明的第二种结构示意图。

图4为具有可调谐负折射率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具有可调谐负折射率的超材料，9基于N个多层结构的具有可调谐负折射率的超材料第一种结构，10介质层，11基于N个多层结构的具有可调谐负折射率的超材料第二种结构。

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，得到具有可调谐负折射率的人工电磁超材料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负折射率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得到具有可调谐负折射率的人工电磁超材料8, 如附图3(e)所示。其中基于N个（N>1）具有可调谐负折射率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负折射率的工作频率。

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负折射率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，只要其方案仍未超出说明书和附图所涵盖的范围，均在本发明保护范围。

Claims

1.一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐负折射率的人工电磁超材料，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，多层结构上刻蚀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负折射率的人工电磁超材料，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，多层结构上刻蚀周期性谐振单元阵列。最后在周期性谐振单元阵列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圆形、矩形、椭圆形、三角形、弧形、十字形、六边形、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，其特征在于，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Bi_xSb_1-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。