CN106200013A - 一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，由衬底、金属结构层、绝缘介质层、石墨烯薄膜层、电极组成。所述太赫兹调制器通过在金属结构层和电极之间施加电压改变石墨烯的化学势，实现对穿过器件的太赫兹波能量的调制，同时通过金属结构层在太赫兹波特定波段的共振作用，增强器件在共振波段的调制深度。本发明将石墨烯的高电子迁移率性质与金属结构的共振性质结合，获得了高速、大调制深度的太赫兹调制器，可广泛用于太赫兹通信、太赫兹探测、太赫兹成像等领域。

Description

一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器

技术领域

本发明涉及一种太赫兹调制器，属于石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器领域。

背景技术

石墨烯是由一层碳原子构成的二维材料，其费米能级随着偏置电压的改变而发生变化，从而引起石墨烯电导率的改变，且石墨烯的电子迁移率很高，可实现载流子的高速注入与抽离，是实现高速调制器的理想材料。然而，石墨烯是由单层原子构成的，其对电磁波的作用能力有限，导致其调制深度不高。由亚波长结构组成的超材料是通过在多种物理结构上的设计来突破某些表观自然规律的限制，从而获得超常的材料功能，比如其共振特性可将电磁波局域在结构内部，利用很薄的结构即可大幅增强电磁波与结构的作用强度。本发明将两者的优点结合在一起构建太赫兹调制器，利用石墨烯的高迁移率获得高速调制器，利用亚波长结构与太赫兹波的强相互作用获得大调制深度，从而实现性能优异的太赫兹调制器。

现有太赫兹调制器包含两类，一是只由石墨烯薄膜或者石墨烯结构构成，该类调制器可实现快速调制，但是调制能力受限于单层石墨烯的厚度。另一类是采用金属亚波长结构结合可控二极管电容、电感来实现，其调制深度大，效果显著，但是调制速度受限于二极管自身的调制速度。本专利将石墨烯和金属亚波长结构相结合，克服两者的短处，实现快速调制的同时也能达到较大的调制深度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述背景技术的不足，提供一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，这种太赫兹幅度调制器的调制深度大、调制速率高。

本发明所涉及的一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，通过将石墨烯薄膜与金属亚波长阵列结构结合，形成复合结构，利用石墨烯的高迁移率特性实现高速调制，利用金属亚波长阵列结构的谐振作用增强石墨烯与太赫兹波的相互作用，实现大调制深度，其结构特征如下：

(1)调制器结构由衬底、金属结构层、绝缘介质层、石墨烯薄膜层和电极构成；

(2)金属结构层为亚波长阵列结构构成，附于衬底表面上方，其结构单元为整体呈正方形金属框，正方形金属框四边等宽，在正方形金属框正中间有一个正方形金属贴片，正方形金属贴片和正方形金属框之间为镂空区域，镂空区域也为正方形边框的形状，结构单元为矩形阵列排布，结构单元的正方形金属框连成一片，金属结构层厚度不小于50nm；

(3)绝缘介质层位于金属结构层之上、金属结构层和石墨烯薄膜层之间，使金属结构层与石墨烯隔离，厚度10nm-10um，厚度越薄，调制器的工作电压越小；

(4)石墨烯薄膜层位于绝缘介质层之上，面积小于绝缘介质层，石墨烯薄膜层为单层石墨烯，石墨烯薄膜的边缘部分与电极相连，电极位于绝缘介质层之上、电极与金属结构层通过绝缘介质层隔离，电极厚度不小于50nm。

进一步的，所述结构单元参数为：单元周期150um，镂空区域的外边长为115um，正方形金属贴片边长为90um，调制器的工作频段为0.25-0.5THz。通过改变以上结构参数可改变工作频段。单元周期是指单元的长度，即正方形金属框的外边长。

进一步的，所述衬底材料为在太赫兹波段透射损耗小的聚酰亚胺、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯。

进一步的，所述金属结构层材料为金、银、铝或铜。

进一步的，所述绝缘介质层材料为化学性质稳定、不易击穿的无机材料二氧化硅、氧化铝或有机材料聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺。

进一步的，所述电极的材料为高导电率的材料，如金、银或铝。

进一步的，所述调制器的工作方式如下：

(1)在不加偏置电压的情况下，以激发金属结构层亚波长阵列结构共振的太赫兹波入射所述调制器，测试太赫兹透射能量I₀；

(2)对调制器电极与金属结构层之间施加偏置电压，以相同频率相同强度的太赫兹波入射所述调制器，测试太赫兹透射能量I(V)，由此获得调制器的调制深度为η＝|I(V)-I₀|/I₀。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.以石墨烯作为调制器的调制材料，因石墨烯的电荷迁移率高，所发明的太赫兹调制器调制速率高；

2.以金属亚波长结构与石墨烯相结合，形成复合结构，使太赫兹波与石墨烯的相互作用大幅增强，所发明的太赫兹调制器调制深度大；

3.以低损耗的聚合物材料作为调制器的衬底材料，使所发明的太赫兹调制器透射损耗小。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是本发明的一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器的结构图，其中11为衬底，12为金属结构层，13为绝缘介质层，14为电极，15为石墨烯薄膜层；

图2为金属结构层结构单元示意图，其中1为正方形金属框，2为镂空区域，3为正方形金属贴片；

图3为金属结构层结构单元排列示意图，其中1为正方形金属框，2为镂空区域，3为正方形金属贴片；

图4为施加不同偏置电压时透过调制器的太赫兹时域变化图；

图5为施加不同偏置电压时透过调制器的太赫兹频域变化图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，其结构图如图1所示，结构特征如下：

(1)调制器结构由衬底11、金属结构层12、绝缘介质层13、石墨烯薄膜层15和电极14构成；

(2)金属结构层12为亚波长阵列结构构成，附于衬底11表面上方，其结构单元为整体呈正方形金属框1，正方形金属框1四边等宽，在正方形金属框1正中间有一个正方形金属贴片3，正方形金属贴片3和正方形金属框1之间为镂空区域2，镂空区域2也为正方形边框的形状，结构单元为矩形阵列排布，结构单元的正方形金属框1连成一片；金属结构层结构单元示意图如图2所示，金属结构层结构单元排列示意图如图3所示。

(3)绝缘介质层13位于金属结构层12之上、金属结构层12和石墨烯薄膜层15之间，使金属结构层12与石墨烯隔离；

(4)石墨烯薄膜层15位于绝缘介质层13之上，面积小于绝缘介质层13，石墨烯薄膜的边缘部分与电极14相连，电极14位于绝缘介质层13之上、电极14与金属结构层12通过绝缘介质层13隔离。

衬底11材料为在太赫兹波段透射损耗小的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜，厚度35微米。

金属结构层12材料为铝，厚度100纳米，其结构单元参数为：单元周期150um，镂空区域的外边长为115um，中间正方形金属贴片边长为90um，调制器工作于0.25-0.5THz的频段范围内。单元周期是指单元的长度，即正方形金属框的外边长。

绝缘介质层13材料为化学性质稳定、不易击穿的有机材料聚甲基丙烯酸甲酯，厚度150纳米。

石墨烯薄膜层15为单层石墨烯。

电极14的材料为高导电率的金材料，厚度100nm。

所述调制器的工作方式如下：

(1)在不加偏置电压的情况下，以激发金属结构层12亚波长阵列结构共振的太赫兹波入射所述调制器，测试太赫兹透射能量I₀，所获得的测试结果如图4和图5中OV对应曲线所示；

(2)对调制器电极14与金属结构层12之间施加偏置电压，以相同频率相同强度的太赫兹波入射所诉调制器，测试太赫兹透射能量I(V)，施加偏置电压为10V和20V的结果如图4和5所示，根据调制深度计算公式η＝|I(V)-I₀|/I₀，获得偏置电压为20V时在0.285THz处调制器的调制深度达到最大，为53.62％，实现了对太赫兹波透射能量大深度调制，同时因石墨烯本身具有高的电荷迁移率，因此该调制器也兼具高速调制特性。

实施例2

一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，其结构图如图1所示，结构特征如下：

(1)调制器结构由衬底11、金属结构层12、绝缘介质层13、石墨烯薄膜层15和电极14构成；

(2)金属结构层12为亚波长阵列结构构成，附于衬底11表面上方，其结构单元为整体呈正方形金属框1，正方形金属框1四边等宽，在正方形金属框1正中间有一个正方形金属贴片3，正方形金属贴片3和正方形金属框1之间为镂空区域2，镂空区域2也为正方形边框的形状，结构单元为矩形阵列排布，结构单元的正方形金属框1连成一片；金属结构层结构单元示意图如图2所示，金属结构层结构单元排列示意图如图3所示。

(3)绝缘介质层13位于金属结构层12之上、金属结构层12和石墨烯薄膜层15之间，使金属结构层12与石墨烯隔离；

(4)石墨烯薄膜层15位于绝缘介质层13之上，面积小于绝缘介质层13，石墨烯薄膜的边缘部分与电极14相连，电极14位于绝缘介质层13之上、电极14与金属结构层12通过绝缘介质层13隔离。

衬底11材料为在太赫兹波段透射损耗小的聚酰亚胺薄膜，厚度12微米。

金属结构层12材料为金，厚度50纳米，其结构单元参数为：单元周期150um，镂空区域的外边长为115um，中间正方形金属贴片边长为90um，调制器工作于0.25-0.5THz的频段范围内。单元周期是指单元的长度，即正方形金属框的外边长。

绝缘介质层13材料为化学性质稳定、不易击穿的无机材料二氧化硅，厚度10纳米。

石墨烯薄膜层15为单层石墨烯。

电极14的材料为高导电率的银材料，厚度500nm。

所述调制器的工作方式如下：

(1)在不加偏置电压的情况下，以激发金属结构层12亚波长阵列结构共振的太赫兹波入射所述调制器，测试太赫兹透射能量I₀；

(2)对调制器电极14与金属结构层12之间施加偏置电压，以相同频率相同强度的太赫兹波入射所诉调制器，测试太赫兹透射能量I(V)，根据调制深度计算公式η＝|I(V)-I₀|/I₀，获得偏置电压为2V时在0.285THz处调制器的调制深度达到最大，为60％，实现了对太赫兹波透射能量大深度调制，同时因石墨烯本身具有高的电荷迁移率，因此该调制器也兼具高速调制特性。

在上述实施例中，金属结构层材料也可以用银代替，绝缘介质层材料也可以用氧化铝代替。

实施例3

一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，其结构图如图1所示，结构特征如下：

(1)调制器结构由衬底11、金属结构层12、绝缘介质层13、石墨烯薄膜层15和电极14构成；

(2)金属结构层12为亚波长阵列结构构成，附于衬底11表面上方，其结构单元为整体呈正方形金属框1，正方形金属框1四边等宽，在正方形金属框1正中间有一个正方形金属贴片3，正方形金属贴片3和正方形金属框1之间为镂空区域2，镂空区域2也为正方形边框的形状，结构单元为矩形阵列排布，结构单元的正方形金属框1连成一片；金属结构层结构单元示意图如图2所示，金属结构层结构单元排列示意图如图3所示。

(3)绝缘介质层13位于金属结构层12之上、金属结构层12和石墨烯薄膜层15之间，使金属结构层12与石墨烯隔离；

(4)石墨烯薄膜层15位于绝缘介质层13之上，面积小于绝缘介质层13，石墨烯薄膜的边缘部分与电极14相连，电极14位于绝缘介质层13之上、电极14与金属结构层12通过绝缘介质层13隔离。

衬底11材料为在太赫兹波段透射损耗小的聚乙烯，厚度35微米。

金属结构层12材料为铜，厚度500纳米，其结构单元参数为：单元周期150um，镂空区域的外边长为115um，中间正方形金属贴片边长为90um，调制器工作于0.25-0.5THz的频段范围内。单元周期是指单元的长度，即正方形金属框的外边长。

绝缘介质层13材料为化学性质稳定、不易击穿的有机材料聚酰亚胺，厚度10um。

石墨烯薄膜层15为单层石墨烯。

电极14的材料为高导电率的铝材料，厚度50nm。

所述调制器的工作方式如下：

(1)在不加偏置电压的情况下，以激发金属结构层12亚波长阵列结构共振的太赫兹波入射所述调制器，测试太赫兹透射能量I₀；

(2)对调制器电极14与金属结构层12之间施加偏置电压，以相同频率相同强度的太赫兹波入射所诉调制器，测试太赫兹透射能量I(V)，根据调制深度计算公式η＝|I(V)-I₀|/I₀，获得偏置电压为320V时在0.285THz处调制器的调制深度达到最大，为10.1％，实现了对太赫兹波透射能量大深度调制，同时因石墨烯本身具有高的电荷迁移率，因此该调制器也兼具高速调制特性。

本发明未详细阐述的部分属于本领域的公知技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (7)

1.一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，其特征在于：

(1)调制器结构由衬底、金属结构层、绝缘介质层、石墨烯薄膜层和电极构成；

(2)金属结构层为亚波长阵列结构构成，附于衬底表面上方，其结构单元为整体呈正方形金属框，正方形金属框四边等宽，在正方形金属框正中间有一个正方形金属贴片，正方形金属贴片和正方形金属框之间为镂空区域，镂空区域也为正方形边框的形状，结构单元为矩形阵列排布，结构单元的正方形金属框连成一片，金属结构层厚度不小于50nm；

(3)绝缘介质层位于金属结构层之上、金属结构层和石墨烯薄膜层之间，使金属结构层与石墨烯隔离，厚度10nm-10um；

(4)石墨烯薄膜层位于绝缘介质层之上，面积小于绝缘介质层，石墨烯薄膜层为单层石墨烯，石墨烯薄膜的边缘部分与电极相连，电极位于绝缘介质层之上、电极与金属结构层通过绝缘介质层隔离，电极厚度不小于50nm。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，其特征在于，所述结构单元参数为：单元周期150um，镂空区域的外边长为115um，正方形金属贴片边长为90um，调制器的工作频段为0.25-0.5THz，通过改变结构单元参数可改变调制器的工作频段。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，其特征在于，所述衬底材料为在太赫兹波段透射损耗小的聚酰亚胺、聚乙烯或聚对苯二甲酸乙二酯。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，其特征在于，所述金属结构层材料为金、银、铝或铜。

5.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，其特征在于，所述绝缘介质层材料为化学性质稳定、不易击穿的无机材料二氧化硅、氧化铝或有机材料聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺。

6.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，其特征在于，所述电极的材料为高导电率的材料，如金、银或铝。

7.根据权利要求1所述的一种石墨烯金属复合结构的太赫兹调制器，其特征在于，所述调制器的工作方式如下：

(1)在不加偏置电压的情况下，以激发金属结构层亚波长阵列结构共振的太赫兹波入射所述调制器，测试太赫兹透射能量I₀；

(2)对调制器电极与金属结构层之间施加偏置电压，以相同频率相同强度的太赫兹波入射所述调制器，测试太赫兹透射能量I(V)，由此获得调制器的调制深度为η＝|I(V)-I₀|/I₀。