CN107134607A

CN107134607A - 基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关

Info

Publication number: CN107134607A
Application number: CN201710272164.3A
Authority: CN
Inventors: 李九生; 赵泽江; 孙建忠; 章乐
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2017-04-24
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2017-09-05

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关，它包括基底层、周期开槽结构石墨烯层；基底层上铺有周期开槽结构石墨烯层，周期开槽结构石墨烯层上刻蚀有2×4行和列分别等间距排列的8个组合开槽结构单元，组合开槽结构单元包括若干个矩形开槽；太赫兹信号在周期开槽结构石墨烯层正上方从几何中心处垂直输入，依次经过周期开槽结构石墨烯层、基底层后垂直输出，通过几何中心垂直入射激光，控制激光的开断会改变石墨烯介电常数，从而控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。本发明具有结构简单紧凑，响应速度快，尺寸小，原理简单，易于集成等优点。

Description

基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关

技术领域

本发明涉及太赫兹波开关，尤其涉及一种基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关。

背景技术

近年来，处于宏观电子学到微观电子学过度区域的太赫兹技术是二十世纪80年代末发展起来的一种新技术。太赫兹波独特的频率范围(位于微波频段和光频段之间)覆盖了多数大分子物质的分子振动和转动光谱，因此多数大分子物质在太赫兹频段无论其吸收谱、反射谱还是发射谱都具有明显的指纹谱特性，这一点是微波所不具备的。太赫兹波辐射源与检测手段突飞猛进的进步促进了相关器件功能的悄然兴起。因此太赫兹技术以及太赫兹器件的研究逐渐成为世界范围内广泛研究的热点。

太赫兹系统主要由辐射源、探测器件和各种功能器件组成。在实际应用中，由于应用环境噪声以及应用需要的限制等，需控制太赫兹波系统中的太赫兹波的通断，因而太赫兹波开关是一类十分重要的功能器件。当前国内外研究的并提出过的太赫兹波开关结构往往很复杂，而且在实际制作过程中困难重重，成本较高，对加工工艺和加工环境要求也高。所以迫切需要提出结构简单、尺寸小、便于加工制作的太赫兹波开关来支撑太赫兹波应用领域的发展。

发明内容

本发明为了克服现有技术不足，提供一种结构简单、易于控制的基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关，包括基底层、周期开槽石墨烯层；基底层的上层为周期开槽石墨烯层，周期开槽石墨烯层上开设2×4等间距排列的8个相同的组合开槽结构单元；每个组合开槽结构单元以中心矩形开槽镜像对称，中心矩形开槽顶部连接上矩形开槽，底部连接下矩形开槽，中心矩形开槽左侧从上到下依次为左一矩形、左二矩形开槽、左三矩形、左四矩形开槽、左五矩形、左六矩形开槽、左七矩形、左八矩形开槽、左九矩形，中心矩形开槽右侧从上到下依次为右一矩形、右二矩形开槽、右三矩形、右四矩形开槽、右五矩形、右六矩形开槽、右七矩形、右八矩形开槽、右九矩形；太赫兹信号在周期开槽结构石墨烯层正上方从几何中心处垂直输入，依次经过周期开槽结构石墨烯层、基底层后垂直输出，通过几何中心垂直入射激光，控制激光的开断改变石墨烯介电常数，从而控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。

上述方案可采用如下优选方式：

所述的基底层的材料为二氧化硅，长度为68～70μm，宽度为49.9μm～55.1μm，厚度为15～17μm。所述的周期开槽结构石墨烯层的长度为68～70μm，宽度为49.9μm～55.1μm，厚度为0.33～0.34nm，8个组合开槽结构单元的行间距为2～3μm，列间距为15～17μm。所述的组合开槽结构单元中，左一矩形、左三矩形、左五矩形、左七矩形、左九矩形、右一矩形、右三矩形、右五矩形、右七矩形、右九矩形的尺寸参数相同，长度为1.4μm～1.6μm，宽度为0.9μm～1.1μm，均为石墨烯层在开槽后形成的形状。所述的组合开槽结构单元中，左二矩形开槽、左四矩形开槽、左六矩形开槽、左八矩形开槽、右二矩形开槽、右四矩形开槽、右六矩形开槽、右八矩形开槽的尺寸参数相同，长度为1.4μm～1.6μm，宽度为1.8μm～2.2μm。所述的组合开槽结构单元中，上矩形开槽、下矩形开槽，形状参数相同，长度为3～5μm，宽度为4.7～4.8μm。所述的组合开槽结构单元中，中心矩形开槽长度为0.8μm～1.2μm，宽度为11.7μm～14.3μm。

本发明具有结构简单紧凑，响应速度快，尺寸小，原理简单，易于集成等优点。

附图说明

图1是基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关的结构示意图；

图2是基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关的石墨烯薄膜的结构示意图；

图3是基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关的组合开槽结构单元的结构示意图；

图4是基于石墨烯周期开槽太赫兹波可调滤波器信号输出端曲线图。

具体实施方式

如图1～3所示，一种基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关，包括基底层1、周期开槽石墨烯层2；基底层1的上层为周期开槽石墨烯层2，周期开槽石墨烯层2上开设2×4等间距排列的8个相同的组合开槽结构单元3；每个组合开槽结构单元3以中心矩形开槽14镜像对称，中心矩形开槽14顶部连接上矩形开槽4，底部连接下矩形开槽24，中心矩形开槽14左侧从上到下依次为左一矩形5、左二矩形开槽6、左三矩形7、左四矩形开槽8、左五矩形9、左六矩形开槽10、左七矩形11、左八矩形开槽12、左九矩形13，中心矩形开槽14右侧从上到下依次为右一矩形15、右二矩形开槽16、右三矩形17、右四矩形开槽18、右五矩形19、右六矩形开槽20、右七矩形21、右八矩形开槽22、右九矩形23；太赫兹信号在周期开槽结构石墨烯层2正上方从几何中心处垂直输入，依次经过周期开槽结构石墨烯层2、基底层1后垂直输出，通过几何中心垂直入射激光，控制激光的开断改变石墨烯介电常数，从而控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。

所述的基底层1的材料为二氧化硅，长度为68～70μm，宽度为49.9μm～55.1μm，厚度为15～17μm。所述的周期开槽结构石墨烯层2的长度为68～70μm，宽度为49.9μm～55.1μm，厚度为0.33～0.34nm，8个组合开槽结构单元3的行间距为2～3μm，列间距为15～17μm。所述的组合开槽结构单元3中，左一矩形5、左三矩形7、左五矩形9、左七矩形11、左九矩形13、右一矩形15、右三矩形17、右五矩形19、右七矩形21、右九矩形23的尺寸参数相同，长度为1.4μm～1.6μm，宽度为0.9μm～1.1μm。所述的组合开槽结构单元3中，左二矩形开槽6、左四矩形开槽8、左六矩形开槽10、左八矩形开槽12、右二矩形开槽16、右四矩形开槽18、右六矩形开槽20、右八矩形开槽22的尺寸参数相同，长度为1.4μm～1.6μm，宽度为1.8μm～2.2μm。所述的组合开槽结构单元3中，上矩形开槽4、下矩形开槽24，形状参数相同，长度为3～5μm，宽度为4.7～4.8μm。所述的组合开槽结构单元3中，中心矩形开槽14长度为0.8μm～1.2μm，宽度为11.7μm～14.3μm。

实施例1

如图1～3所示，本实施例中，太赫兹波滤波器的结构亦如前所述(图1～3)，具体结构在此不再赘叙。太赫兹波开关的结构参数具体为：基底层的材料为二氧化硅，长度为69μm，宽度为52.5μm，厚度为16μm，周期开槽结构石墨烯层的长度为69μm，宽度为52.5μm，厚度为0.34nm，包括2×4行和列分别等间距排列的8个组合开槽结构单元，行间距为2.5μm，列间距为16μm，组合开槽结构单元中，左一矩形、左三矩形、左五矩形、左七矩形、左九矩形、右一矩形、右三矩形、右五矩形、右七矩形、右九矩形长度均为1.5μm，宽度均为1.0μm，左二矩形开槽、左四矩形开槽、左六矩形开槽、左八矩形开槽、右二矩形开槽、右四矩形开槽、右六矩形开槽、右八矩形开槽长度均为1.5μm，宽度均为2.0μm，上矩形开槽、下矩形开槽长度均为4μm，宽度均为4.75μm，中心矩形开槽长度为1.0μm，宽度为13μm。基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关的各项性能指标采用COMSOL Multiphysics软件进行测试，太赫兹信号在周期开槽结构石墨烯层正上方从几何中心处垂直输入，依次经过周期开槽结构石墨烯层、基底层后垂直输出。图4为太赫兹波开关的传输曲线，可以看到，在f＝3.8THz时，无外加激光时，传输功率为7.5％，开关处于“关”状态，当外加激光从几何中心垂直照射时时，传输功率为92.5％，开关处于“开”状态，实现开关功能。

Claims

1.一种基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关，其特征在于包括基底层(1)、周期开槽石墨烯层(2)；基底层(1)的上层为周期开槽石墨烯层(2)，周期开槽石墨烯层(2)上开设2×4等间距排列的8个相同的组合开槽结构单元(3)；每个组合开槽结构单元(3)以中心矩形开槽(14)镜像对称，中心矩形开槽(14)顶部连接上矩形开槽(4)，底部连接下矩形开槽(24)，中心矩形开槽(14)左侧从上到下依次为左一矩形(5)、左二矩形开槽(6)、左三矩形(7)、左四矩形开槽(8)、左五矩形(9)、左六矩形开槽(10)、左七矩形(11)、左八矩形开槽(12)、左九矩形(13)，中心矩形开槽(14)右侧从上到下依次为右一矩形(15)、右二矩形开槽(16)、右三矩形(17)、右四矩形开槽(18)、右五矩形(19)、右六矩形开槽(20)、右七矩形(21)、右八矩形开槽(22)、右九矩形(23)；太赫兹信号在周期开槽结构石墨烯层(2)正上方从几何中心处垂直输入，依次经过周期开槽结构石墨烯层(2)、基底层(1)后垂直输出，通过几何中心垂直入射激光，控制激光的开断改变石墨烯介电常数，从而控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关，其特征在于所述的基底层(1)的材料为二氧化硅，长度为68～70μm，宽度为49.9μm～55.1μm，厚度为15～17μm。

3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关，其特征在于所述的周期开槽结构石墨烯层(2)的长度为68～70μm，宽度为49.9μm～55.1μm，厚度为0.33～0.34nm，8个组合开槽结构单元(3)的行间距为2～3μm，列间距为15～17μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关，其特征在于所述的组合开槽结构单元(3)中，左一矩形(5)、左三矩形(7)、左五矩形(9)、左七矩形(11)、左九矩形(13)、右一矩形(15)、右三矩形(17)、右五矩形(19)、右七矩形(21)、右九矩形(23)的尺寸参数相同，长度为1.4μm～1.6μm，宽度为0.9μm～1.1μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关，其特征在于所述的组合开槽结构单元(3)中，左二矩形开槽(6)、左四矩形开槽(8)、左六矩形开槽(10)、左八矩形开槽(12)、右二矩形开槽(16)、右四矩形开槽(18)、右六矩形开槽(20)、右八矩形开槽(22)的尺寸参数相同，长度为1.4μm～1.6μm，宽度为1.8μm～2.2μm。

6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关，其特征在于所述的组合开槽结构单元(3)中，上矩形开槽(4)、下矩形开槽(24)，形状参数相同，长度为3～5μm，宽度为4.7～4.8μm。

7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯周期开槽太赫兹波开关，其特征在于所述的组合开槽结构单元(3)中，中心矩形开槽(14)长度为0.8μm～1.2μm，宽度为11.7μm～14.3μm。