CN106405718B - 一种基于石墨烯栅带结构的电控太赫兹偏振片及使用方法 - Google Patents

一种基于石墨烯栅带结构的电控太赫兹偏振片及使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的电控太赫兹偏振片，包括至少两层石墨烯层，每层石墨烯呈栅带结构，每两层相邻的石墨烯层间设有介质层，介质层将两层石墨烯层分隔开；偶数层的石墨烯层共同连接在一个电极上，奇数层的石墨烯层共同连接在另一个电极上，在两个电极上加载电压可实现电压调控。本发明利用多层膜结构制备的偏振片，可以通过栅带的结构参数，如栅带的宽度、空间周期等，以及石墨烯的层数而调控响应频段、偏振度等性能参数；通过电压调控，可以主动调控透过太赫兹波的偏振度，本发明除了偏振的功能以外，还能够实现对不同偏振方向太赫兹波选择性调制的功能。

Description

一种基于石墨烯栅带结构的电控太赫兹偏振片及使用方法
技术领域
本发明属于太赫兹波段器件技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的太赫兹波偏振片。
背景技术
太赫兹波的是指0.3THz到10THz范围的电磁波，对应波长范围从0.03mm到1mm。太赫兹波段有较高的空间分辨率(高频率)和时间分辨率(皮秒脉冲)，能量较小不会破坏物质，而且是生物大分子的振动、转动的共振频段。这些特性使其在例如宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文、无损检测、医学成像、安全检查等领域有潜在的应用前景。80年代之前，受到太赫兹波产生源和探测器的限制，涉及这一波段的研究和应用非常少。随着之后新技术(超快技术)，新材料的发展，使得太赫兹技术得到迅速发展。目前，太赫兹技术的研究以及应用开发正成为光学领域研究的热点。然而，高性能的新型太赫兹器件(例如发射源，探测器，调制器，偏振片，分束器，色散光学元件，宽带透射窗口等)仍然亟待设计，以提高太赫兹技术的应用效率。
偏振片可以使自然光变成偏振光的光学元件。在太赫兹波段，已有的太赫兹偏振片主要包括金属线栅偏振器和液晶偏振片等。金属线栅型偏振片具有较好的偏振效果，但是存在成本比较昂贵、功能单一、不可调谐、谱宽范围窄、不便集成化等缺点；液晶偏振片是通过在衬底上添加一层向列型液晶，制作成Feussner型偏振片，消光系数很高，但缺点是波长范围窄，液晶层和衬底很难压紧封装。因此，目前具有主动调谐能力的太赫兹偏振片还很欠缺。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的太赫兹波偏振片，解决现有的偏振片不可调谐、谱宽范围窄、功能单一和不便集成化的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种基于石墨烯的电控太赫兹偏振片，其特征在于，包括至少两层石墨烯层，每两层相邻的石墨烯层间设有介质层，所述的每层石墨烯层上设有孔，所述的每一介质层上也设有孔，所述的石墨烯层上的孔与介质层上的孔重合，所述的每层石墨烯层上的孔有多个，所述的每层介质层上的孔的个数与每层石墨烯层上的孔的个数相同，且每层石墨烯层上的孔和每层介质层上的孔均呈阵列分布；
偶数层的石墨烯层共同连接在一个电极上，奇数层的石墨烯层共同连接在另一个电极上，在两个电极上加载电压可实现电压调控；所述的加工有孔的石墨烯层的横截面积大于太赫兹光斑的面积。
每层石墨烯层和每层介质层上相邻孔中心线间的距离均为1～6μm，每层石墨烯层上相邻孔间的石墨烯的宽度为0.5～5μm。
所述介质层采用二氧化硅、氮化硼或三氧化二铝。
所述电极采用金属或合金电极。
采用微加工的方法对制备好的石墨烯层和介质层刻蚀出孔，所述的微加工的方法包括采用光学曝光、电子束曝光或聚焦离子束曝光，配合湿法刻蚀或干法刻蚀。
基于石墨烯的电控太赫兹偏振片的使用方法，在每层石墨烯层和介质层上加工孔形成栅带，透过太赫兹波的电场偏振方向与栅带平行的，通过改变电压调控透过率的大小；透过太赫兹波的偏振方向与栅带垂直的，基本不受电压的影响，一直保持高透过率；对于固定层数的偏振片，将偶数层石墨烯层连接的一个电极和奇数层石墨烯层连接的另一个电极上加恒定电压，随所加电压的升高，观察偏振方向平行于栅带的透射太赫兹脉冲振幅，确定调控范围，通过改变电压，可以调控透过太赫兹波的偏振度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、可调谐性：本发明利用多层膜结构制备的偏振片，可以通过栅带的结构参数，如栅带宽度等，以及石墨烯的层数而调控响应频段、偏振度等性能参数；通过电压调控，可以主动调控透过太赫兹波的偏振度。
2、谱宽范围宽：石墨烯在较宽的太赫兹波段具有均一Drude电导，所以偏振片的工作频段较宽。
3、功能多样化：电压调控可以主动调控透过太赫兹波偏振方向平行于栅带方向的透过率，本器件除了偏振的功能以外，还能够实现对不同偏振方向太赫兹波选择性调制的功能。
4、便于集成：由于本器件电压可调，因此与大多数太赫兹光电系统的兼容性良好。
5、本发明使用的石墨烯材料，成本以及加工方案容易控制，制备偏振片的方法具有简单、易于加工的优点。
附图说明
图1是两个石墨烯层构成的偏振片结构示意图，(a)俯视图，(b)正视图，(c)侧面剖视图，(d)为图(a)的局部放大图。
图2是4个石墨烯层构成的偏振片的结构示意图。
图3是对石墨烯所加电压和石墨烯费米能级的对应关系图。
图4是2个石墨烯层构成的电控偏振片(栅带周期为3μm，石墨烯栅带宽度为1μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅为间隔层时，(a)平行于栅带方向太赫兹波的透过率和(b)垂直于栅带方向太赫兹波的透过率，随费米能级的变化。
图5是2个石墨烯层构成的电控偏振片(栅带周期为3μm，石墨烯栅带宽度为2μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅为间隔层时，(a)平行于栅带方向太赫兹波的透过率和(b)垂直于栅带方向太赫兹波的透过率，随费米能级的变化。
图6是4个石墨烯层构成的电控偏振片(栅带周期为3μm，石墨烯栅带宽度为2μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅为间隔层时，(a)平行于栅带方向太赫兹波的透过率和(b)垂直于栅带方向太赫兹波的透过率，随费米能级的变化。
图7是6个石墨烯层构成的电控偏振片(栅带周期为3μm，石墨烯栅带宽度为2μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅为间隔层时，(a)平行于栅带方向太赫兹波的透过率和(b)垂直于栅带方向太赫兹波的透过率，随费米能级的变化。
附图中各标号的含义：1-石墨烯层，2-介质层，3-电极，4-电压，5-孔。
以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
本发明中的栅带结构为：在每层石墨烯层和介质层上加工出成阵列分布的大小相同的孔，形成栅带。石墨烯周期性栅带，结构上具有石墨烯单原子层厚度，并且通过堆叠做成与介质层结合的夹层结构，不同于基于传统金属材料的三维金属线栅。石墨烯栅带对太赫兹波的各向异性响应利用了石墨烯微结构中的等离子体共振效应，并且，这种结构让石墨烯具有栅压可调的太赫兹电导，是金属无法实现的。
太赫兹波垂直入射时，理想的大面积石墨烯在面上的电导是各项同性的。但是当把石墨烯制备成微结构之后，离子体振荡现象将会出现。在一定微尺度下，石墨烯的等离子体共振峰可以移动到红外波段，从而使太赫兹波段的衰减大大降低。将石墨烯设计成周期性栅带结构，使偏振方向垂直于栅带的太赫兹波因为等离子体振荡频率的改变而出现高透过率，而平行于栅带方向的太赫兹波调控不受影响，从而出现各向异性，实现偏振功能。具体如下：
单层石墨烯在太赫兹波段的电导可以写为德鲁德(Drude)形式，在太赫兹波段具有较为一致的高电导，并且受到费米能级的影响，可以达到可见光波段电导的几十倍，因此具备了调控太赫兹波的响应深度。另外石墨烯具有双极电场效应，在石墨烯加栅压后，其载流子浓度可以与调制电压成正比关系。因为石墨烯的费米能级和载流子浓度n的1/2次方成正比，因此栅压和费米能级的平方具有正比例关系。当石墨烯电子掺杂时费米能级设为正值，空穴掺杂时费米能级设为负值，则可以计算出费米能级和栅压的对应关系如图3所示。
在入射太赫兹波的偏振方向上，当石墨烯的空间尺度为有限值d时，石墨烯在该方向上的电导将会受到等离子体振荡的影响。等离子体频率是与尺度d倒数的1/2次方成正比，且与载流子浓度的1/4次方成正比。当石墨烯的尺度在一定范围(例如微米量级)，等离子体峰将转移到红外波段，使得太赫兹波段的电导率变得很小，透明性大大提高。因此，可以把石墨烯设计为一定宽度的栅带，这样偏振方向垂直于条带的太赫兹波透过率高，而平行于条带的太赫兹波依然受到上一段落所述的电压调制改变电导的影响，从而实现本专利的电控偏振片功能。
上述参数仅为阐述本发明的结果趋势，在实际样品中，参数的取值应受到制备方法、转移条件、器件加工法、器件构成等多方面影响，实际取值应服从样品的实际情况。
因此，利用上述石墨烯叠层结构，通过微加工手段制作栅带，使用电压调控改变石墨烯的光电导率，在一定结构参数、层数和电压条件下，可以实现对电磁方向平行与栅带太赫兹波的抑制，实现偏振片功能。
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1
本实施例给出一种基于石墨烯的电控太赫兹偏振片，包括至少两层石墨烯层1，每两层相邻的石墨烯层1间设有介质层2，所述的每层石墨烯层1上设有孔5，所述的每一介质层2上也设有孔5，所述的石墨烯层1上的孔与介质层2上的孔重合，所述的每层石墨烯层1上的孔5有多个，所述的每层介质层2上的孔的个数与每层石墨烯层1上的孔的个数相同，且每层石墨烯层1上的孔和每层介质层2上的孔均呈阵列分布；
偶数层的石墨烯层1共同连接在一个电极3上，奇数层的石墨烯层1共同连接在另一个电极3上，在两个电极3上加载电压4可实现电压调控；所述的加工有孔5的石墨烯层1的横截面积大于太赫兹光斑的面积。
实施例2
一种实施例1所述的偏振片的制备方法，将偏振片使用前加工于基底或太赫兹元件上，在太赫兹元件或基底上按照由下至上的次序逐层制备各层结构，包括至少两层石墨烯层、位于每两个相邻的石墨烯层之间的介质层、偶数层石墨烯层上共同相连的一个电极以及奇数层的石墨烯共同相连的另一个电极，在两个电极上加载电压，保证每个介质层将相邻的石墨层完全隔开；
石墨烯层的制备采用化学气相法、机械剥离法、外延生长法或氧化还原法；介质层的制备采用真空蒸镀法、旋转涂覆法或化学气相沉积法；所述电极的制备采用真空蒸镀法、真空溅射法、化学气相沉积法或电化学沉积法；栅带结构的制备采用光学曝光、电子束曝光或聚焦离子束曝光，配合湿法刻蚀或干法刻蚀的微加工技术。
实施例3
一种实施例1所述的偏振片的使用方法，对于固定层数的偏振片，将偶数层石墨烯层连接的一个电极和奇数层石墨烯层连接的另一个电极上加恒定电压，随所加电压的升高，观察偏振方向平行于栅带的透射太赫兹脉冲振幅，确定调控范围。通过改变电压，可以调控透过太赫兹波的偏振度。
实施例4
如图1所示，本实施例给出2个石墨烯栅带层构成的偏振片，共有3层结构，栅带的刻蚀孔5的深度包含全部的3层结构；奇数层和偶数层石墨烯层各自具有相同的电位，可加电压进行每层石墨烯层电导率的调节。
石墨烯栅带结构层的面积为0.6×0.6cm2；栅带周期长度a＝3μm，栅带周期是指刻蚀孔5的宽度与相邻刻蚀孔5间石墨烯的宽度之和，图4中的石墨烯栅带宽度为b＝1μm，图5～7中的石墨烯栅带宽度b＝2μm；费米速度vF＝1×106m/s，测试温度：300K，制备方法：CVD；
栅带的刻蚀孔5采用光学曝光配合湿法刻蚀制备，介质层采用二氧化硅，介质层厚度为30nm，该介质层采用磁控溅射法制备，介质层的介电常数为3.9；电极采用铜，用磁控溅射法制得；基底采用高阻硅，其介电常数为11.7，入射太赫兹波：频率0.1-2.4THz，测试电压为0～200V，测试电压与图4～7中标注的费米能级的关系见图3所示。
实施例5
如图2所示，本实施例给出的偏振与实施例4相同，区别在于，由4个石墨烯栅带层构成的偏振片，共有7层结构，栅带的刻蚀孔深度包含全部的七层结构；介质层采用三氧化二铝，栅带的刻蚀孔5采用电子束曝光配合干法刻蚀制备。
在实际设计中，石墨烯层的层数并不局限于2层和4层，而是根据偏振片的要求改变，层数越多，实现偏振度越高。
从图4至图7中可以看出，平行于栅带方向太赫兹波的透过率随着石墨烯费米能级(对应电压)的变化产生了明显的调制，并且是0.1-2.4THz范围内的宽波段调制。垂直于栅带方向太赫兹波的透过率随着石墨烯费米能级(对应电压)的变化很小，透过率保持很高。
对比图4和图5，同样是两个石墨烯层，因为栅带宽度参数的差异，可见图5可以达到的偏振度更高。对比图5、图6和图7，在栅带结构参数相同时，随着石墨烯层数的增加，最大偏振度产生明显提高，实现更好的偏振片功能。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯的电控太赫兹偏振片，其特征在于，包括至少两层石墨烯层(1)，每两层相邻的石墨烯层(1)间设有介质层(2)，所述的每层石墨烯层(1)上设有孔(5)，所述的每一介质层(2)上也设有孔(5)，所述的石墨烯层(1)上的孔与介质层(2)上的孔重合，所述的每层石墨烯层(1)上的孔(5)有多个，所述的每层介质层(2)上的孔的个数与每层石墨烯层(1)上的孔的个数相同，且每层石墨烯层(1)上的孔和每层介质层(2)上的孔均呈阵列分布；
偶数层的石墨烯层(1)共同连接在一个电极(3)上，奇数层的石墨烯层(1)共同连接在另一个电极(3)上，在两个电极(3)上加载电压(4)可实现电压调控；所述的加工有孔(5)的石墨烯层(1)的横截面积大于太赫兹光斑的面积。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹偏振片，其特征在于，每层石墨烯层和每层介质层上相邻孔(5)中心线间的距离均为1～6μm，每层石墨烯层上相邻孔(5)间的石墨烯的宽度为0.5～5μm。
3.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹偏振片，其特征在于，所述介质层(2)采用二氧化硅、氮化硼或三氧化二铝。
4.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹偏振片，其特征在于，所述电极(3)采用金属或合金电极。
5.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹偏振片，其特征在于，采用微加工的方法对制备好的石墨烯层(1)和介质层(2)刻蚀出孔(5)，所述的微加工的方法包括采用光学曝光、电子束曝光或聚焦离子束曝光，配合湿法刻蚀或干法刻蚀。
6.权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹偏振片的使用方法，在每层石墨烯层(1)和介质层(2)上加工孔(5)形成栅带，其特征在于，透过太赫兹波的电场偏振方向与栅带平行的，通过改变电压调控透过率的大小；透过太赫兹波的偏振方向与栅带垂直的，基本不受电压的影响，一直保持高透过率；对于固定层数的偏振片，将偶数层石墨烯层连接的一个电极和奇数层石墨烯层连接的另一个电极上加恒定电压，随所加电压的升高，观察偏振方向平行于栅带的透射太赫兹脉冲振幅，确定调控范围，通过改变电压，可以调控透过太赫兹波的偏振度。
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