CN104916885A - 一种基于电子束激发石墨烯产生太赫兹辐射的器件 - Google Patents

Abstract

一种基于电子束激发石墨烯产生太赫兹辐射的器件，由电子束、石墨烯层、硅质二维光子晶体阵列和硅基底构成，电子束的线电荷密度为100pC/cm，石墨烯层为单层石墨烯材料，电子束与石墨烯层的距离为0.1μm；硅质二维光子晶体阵列由每行每列各10个高度为1μm、截面直径为0.86μm的圆柱体周期排列而成，空间重复周期为1.4μm、材料为硅，相对介电常数为11.7。本发明的优点是：该于电子束激发石墨烯产生太赫兹辐射的器件结构简单、尺寸小、制作方便、便于集成、辐射强度高，较之传统的金属表面等离子体，石墨烯表面等离子体具有强烈的慢波效应、低欧姆损耗等特性，使得石墨烯成为太赫兹辐射领域极具前景的材料。

Description

一种基于电子束激发石墨烯产生太赫兹辐射的器件

技术领域

本发明属于半导体微结构及太赫兹技术领域，特别是涉及一种基于电子束激发石墨烯产生太赫兹辐射的器件。

背景技术

太赫兹电磁波在物理学、材料科学、医学成像、射电天文、雷达和宽带通信、尤其是卫星间通讯方面具有重要应用前景。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹辐射产生和检测方法，导致太赫兹频段的电磁波未得到充分的研究和应用。当前存在的太赫兹辐射源，特别是在微型化、大功率等方面存在不同的应用瓶颈，这都限制了太赫兹技术的发展。

石墨烯是由碳原子以正六角形紧密排列的二维层状结构，在太赫兹波段具有类似金属的电导率特性，因此被广泛应用于光电探测器、光电传感器、光学调制器等技术领域。特别是石墨烯能够受激产生太赫兹波段或中红外波段的表面等离子体。较之传统的金属表面等离子体，石墨烯表面等离子体具有强烈的慢波效应、低欧姆损耗等特性，这些特性使得石墨烯成为太赫兹辐射领域极具前景的材料。

发明内容

本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种结构简单、尺寸小、制作方便、便于集成、辐射强度高的基于电子束激发石墨烯产生太赫兹辐射的器件。

本发明的技术方案：

一种基于电子束激发石墨烯产生太赫兹辐射的器件，由电子束、石墨烯层、硅质二维光子晶体阵列和硅基底构成，电子束的线电荷密度密度为100pC/cm，石墨烯层为单层石墨烯材料，电子束与石墨烯层的距离为0.1μm；硅质二维光子晶体阵列由每行每列各10个高度为1μm、截面直径为0.86μm的圆柱体周期排列而成，空间重复周期为1.4μm、材料为硅，相对介电常数为11.7。

当电子束掠过石墨烯层的时候，石墨烯受激产生太赫兹波段的表面等离子体，并由二维光子晶体补偿失配波矢，使之达到向自由空间辐射的相位匹配条件，继而产生定向太赫兹波辐射。

本发明的优点是：该于电子束激发石墨烯产生太赫兹辐射的器件具有结构简单、尺寸小、制作方便、便于集成、辐射强度高等优点，较之传统的金属表面等离子体，石墨烯表面等离子体具有强烈的慢波效应、低欧姆损耗等特性，这些特性使得石墨烯成为太赫兹辐射领域极具前景的材料。

附图说明

图1是电子束激发石墨烯产生太赫兹示意图。

图中：1.电子束 2.石墨烯层 3.硅质二维光子晶体陈列 4.硅基底

图2是填充率为0.3时电子束移动速度对应的辐射频率图。

图3是填充率为0.3时电子束移动速度对用的辐射强度图。

具体实施方式

实施例：

一种基于电子束激发石墨烯产生太赫兹辐射的器件，如图1所示，由电子束1、石墨烯层2、硅质二维光子晶体阵列3和硅基底4构成，电子束1的线电荷密度密度为100pC/cm，石墨烯层2为单层石墨烯材料，电子束1与石墨烯层2的距离为0.1μm；硅质二维光子晶体阵列3由每行每列各10个高度为1μm、截面直径为0.86μm的圆柱体周期排列而成，空间重复周期为1.4μm、对应的材料填充率为0.3，材料为硅，相对介电常数为11.7。

该器件的制备方法：硅基底4作为衬底材料，在其上生长硅质二维光子晶体阵列3，再将已裁剪的石墨烯层2铺在硅质二维光子晶体阵列3上面，电子束1贴近石墨烯层2。石墨烯层2受到电子束1的激发产生太赫兹波段的表面等离子体，硅质二维光子晶体阵列3的倒格矢的引入弥补了受激表面等离子体的波矢失配，使得受激表面等离子体达到向自由空间辐射的相位匹配条件，从而产生定向的太赫兹波辐射。

该器件产生的太赫兹波的频率可根据散射矩阵法求得，在二维光子晶体3的参数确定以后，辐射频率与电子束发射速度的关系可参照图2。在此基础上，进一步研究辐射强度。所产生的太赫兹辐射的能量来自于电子束1与石墨烯层2受激表面等离子体的耦合作用，即电子束1自身的能量损耗。具体的，可通过求解方程 $\frac{d}{\mathrm{d\ω}}{W}_{\mathrm{SSL}}=-\frac{1}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^{\∞}\mathrm{drRe}[J^{+}(r,\mathrm{\ω})\·E_x^{\mathrm{ind}}(r,\mathrm{\ω})],$ 其中 $J(r,\mathrm{\ω})=\hat{x}\mathrm{\ρ}\mathrm{\σ}\left(z\right)e^{i\frac{\mathrm{\ω}}{v}x}$ 为电子束1的电流密度在频域的表达。为迈克科斯威方程组 ${\▿}^2{E}_x^{\mathrm{ind}}\left(r\right)+\frac{\mathrm{\ϵ}\left(r\right)}{c^2}{\mathrm{\ω}}^2{E}_x^{\mathrm{ind}}\left(r\right)=-i{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{\ωJ}(r,\mathrm{\ω})$ 的解。具体的数值结果参照图3。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效,而非用于限制本发明。因此,举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变,仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (1)

1.一种基于电子束激发石墨烯产生太赫兹辐射的器件，其特征在于：由电子束、石墨烯层、硅质二维光子晶体阵列和硅基底构成，电子束的线电荷密度密度为100pC/cm，石墨烯层为单层石墨烯材料，电子束与石墨烯层的距离为0.1μm；硅质二维光子晶体阵列由每行每列各10个高度为1μm、截面直径为0.86μm的圆柱体周期排列而成，空间重复周期为1.4μm、材料为硅，相对介电常数为11.7。