CN107134608A - 基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关。基底层为聚二甲基硅烷层，聚二甲基硅烷层的上层为P型硅层，P型硅层上层为二氧化硅层，二氧化硅层上面排列着25个石墨烯‑金属组合周期单元，其以中间周期单元对称排列。在石墨烯‑金属组合周期单元中，石墨烯为圆形，金属由四个半径大小相同的四分之一圆块和一个圆形金属导电圈组成；太赫兹信号在组合周期单元上方从几何中心处垂直输入，依次经过组合周期单元、二氧化硅层、P型硅层、聚二甲基硅烷层后垂直输出，在二氧化硅层与P型硅层之间设有一个偏置直流电压源，调节外加偏置直流电压源的电压会改变石墨烯介电常数，实现不同外加电场时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，控制带宽较宽，响应速度快，尺寸小，便于加工等优点。

Description

基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关
技术领域
本发明涉及太赫兹波开关，尤其涉及一种基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关。
背景技术
近年来，作为连接电磁波谱上发展已相当成熟的毫米波和红外光之间的太赫兹波无疑是一个崭新的研究领域，其在军民用方面都潜藏着巨大的价值。太赫兹波频率0.1～10THz，相应波长为0.03mm～3mm。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹波产生和检测方法，与传统的微波技术和光学技术相比较，人们对该波段电磁辐射性质的了解甚少，以至于该波段成为了电磁波谱中的太赫兹空隙。随着太赫兹辐射源和探测技术的突破，太赫兹独特的优越特性被发现并在材料科学、气体探测、生物和医学检测、通信等方面展示出巨大的应用前景。可以说太赫兹技术科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题，又是新一代信息产业以及基础科学发展的重大需求。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，因而太赫兹波开关在实际中有重要的应用，已成为国内外研究的热点和难点。
当前国内外研究的太赫兹波开关结构主要基于光子晶体、超材料等结构，这些结构往往很复杂，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，所以研究结构简单、易于控制、成本低的太赫兹波开关意义重大。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关。本发明所采用的具体技术方案如下：
基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关，包括聚二甲基硅烷层、P型硅层、二氧化硅层；聚二甲基硅烷的上层为P型硅层，P型硅层的上层为二氧化硅层，二氧化硅层上表面铺有7列石墨烯-金属组合周期单元，每列中石墨烯-金属组合周期单元的个数依次为4个、3个、4个、3个、4个、3个和4个，所有石墨烯-金属组合周期单元呈中心对称排列且任意相邻的两个石墨烯-金属组合周期单元均相切；每个石墨烯-金属组合周期单元由4个半径相同的四分之一圆和一层圆形石墨烯外加一个圆形金属导电圈组合而成，4个四分之一圆呈环形阵列紧贴排布于圆形石墨烯上，圆形金属导电圈环绕于所述的环形阵列之外且与圆形石墨烯同心布置；太赫兹信号在石墨烯-金属组合周期单元上方从几何中心处垂直输入，依次经过组合周期单元、二氧化硅层、P型硅层、聚二甲基硅烷层后垂直输出；通过在二氧化硅层与P型硅层之间加载偏置直流电压，实现不同外加电场时控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。
基于上述方案，可进一步采用如下优选方式：
所述的基底层的材料为聚二甲基硅烷，长度和宽度均为1mm～1.5mm，厚度为63μm～67μm。所述的P型硅层长度和宽度均为1mm～1.5mm，厚度为0.45μm～0.55μm。所述的二氧化硅层长度和宽度均为0.8mm～1.2mm，厚度为0.25μm～0.35μm。所述的四分之一圆的材料均为铜，厚度为0.46μm～0.53μm，半径为45μm～50μm，石墨烯-金属组合周期单元中相邻的两个四分之一圆之间间隔1.75μm～2.25μm。所述的圆形石墨烯半径为35μm～40μm，厚度为0.33nm～0.34nm。圆形金属导电圈的材料为铜，厚度为0.26μm～0.33μm，半径为95μm～100μm。
本发明具有结构简单紧凑，控制带宽较宽，尺寸小，便于加工等优点，其他具体优点将通过具体实施方式进行说明。
附图说明
图1基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关的结构示意图；
图2是基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关的周期结构三维图；
图3是基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关的石墨烯-金属组合周期单元结
构俯视图；
图4为太赫兹波开关的传输曲线。
具体实施方式
如图1～3所示，基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关，包括聚二甲基硅烷层1、P型硅层2、二氧化硅层3。聚二甲基硅烷1的上层为P型硅层2，P型硅层2的上层为二氧化硅层3，二氧化硅层3上表面铺有7列石墨烯-金属组合周期单元7，从左至右的每列中，石墨烯-金属组合周期单元7的个数依次为4个、3个、4个、3个、4个、3个和4个，所有25个石墨烯-金属组合周期单元7呈中心对称排列且任意相邻的两个石墨烯-金属组合周期单元7均相切(相邻的圆形金属导电圈4相切)。每个石墨烯-金属组合周期单元7由4个半径相同的四分之一圆6和一层圆形石墨烯5外加一个圆形金属导电圈4组合而成，4个四分之一圆6呈环形阵列(等角度、等间距)紧贴排布于圆形石墨烯5上，圆形金属导电圈4环绕于所述的环形阵列之外且与圆形石墨烯5同心布置；太赫兹信号在石墨烯-金属组合周期单元7上方从几何中心处垂直输入，依次经过组合周期单元7、二氧化硅层3、P型硅层2、聚二甲基硅烷层1后垂直输出；通过在二氧化硅层3与P型硅层2之间加载偏置直流电压，实现不同外加电场时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的材料为聚二甲基硅烷，长度和宽度均为1mm～1.5mm，厚度为63μm～67μm。所述的P型硅层2长度和宽度均为1mm～1.5mm，厚度为0.45μm～0.55μm。所述的二氧化硅层3长度和宽度均为0.8mm～1.2mm，厚度为0.25μm～0.35μm。所述的四分之一圆6的材料均为铜，厚度为0.46μm～0.53μm，半径为45μm～50μm，石墨烯-金属组合周期单元7中相邻的两个四分之一圆6之间间隔1.75μm～2.25μm。所述的圆形石墨烯5半径为35μm～40μm，厚度为0.33nm～0.34nm。所述的圆形金属导电圈4的材料为铜，厚度为0.26μm～0.33μm，半径为95μm～100μm。
实施例1
本实施例中，电控太赫兹波开关的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：基底层材料为聚二甲基硅烷，长度和宽度均为1.25mm，厚度为65μm，P型硅，长度和宽度均为1.25mm，厚度为0.5μm，二氧化硅层，长度和宽度均为1.0mm，厚度为0.30μm，圆形石墨烯半径为37.5μm,厚度为0.34nm，四分之一圆的材料均为铜，厚度为0.5μm，半径为47.5μm，相邻两个四分之一圆之间间隔(即相邻的两个四分之一圆上最近的两条半径之间的距离)2μm，圆形金属导电线圈的材料为铜，厚度为0.30μm，半径为97.5μm，任意相邻两个石墨烯-金属组成周期单元中的两个四分之一圆形相邻垂直间距为85μm。太赫兹信号在石墨烯-金属层上方从几何中心处垂直输入，依次经过石墨烯-金属层、P型硅层、聚二甲基硅烷层后垂直输出。基于周期性单层石墨烯对对称结构太赫兹波开关的各项性能指标采用COMSOL Multiphysics软件进行测试，太赫兹波垂直入射到圆形结构，图4为太赫兹波开关的传输曲线，可以看到，在f为0.5THz到1.1THz时，无外加电场时，传输功率在5％左右，开关处于“关”状态，调节偏置电压时，传输功率为90％左右，开关处于“开”状态，实现开关功能。

Claims (7)

1.一种基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关，其特征在于包括聚二甲基硅烷层(1)、P型硅层(2)、二氧化硅层(3)；聚二甲基硅烷(1)的上层为P型硅层(2)，P型硅层(2)的上层为二氧化硅层(3)，二氧化硅层(3)上表面铺有7列石墨烯-金属组合周期单元(7)，每列中石墨烯-金属组合周期单元(7)的个数依次为4个、3个、4个、3个、4个、3个和4个，所有石墨烯-金属组合周期单元(7)呈中心对称排列且任意相邻的两个石墨烯-金属组合周期单元(7)均相切；每个石墨烯-金属组合周期单元(7)由4个半径相同的四分之一圆(6)和一层圆形石墨烯(5)外加一个圆形金属导电圈(4)组合而成，4个四分之一圆(6)呈环形阵列紧贴排布于圆形石墨烯(5)上，圆形金属导电圈(4)环绕于所述的环形阵列之外且与圆形石墨烯(5)同心布置；太赫兹信号在石墨烯-金属组合周期单元(7)上方从几何中心处垂直输入，依次经过组合周期单元(7)、二氧化硅层(3)、P型硅层(2)、聚二甲基硅烷层(1)后垂直输出；通过在二氧化硅层(3)与P型硅层(2)之间加载偏置直流电压，实现不同外加电场时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所述的一种基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关，其特征在于所述的基底层(1)的材料为聚二甲基硅烷，长度和宽度均为1mm～1.5mm，厚度为63μm～67μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关，其特征在于所述的P型硅层(2)长度和宽度均为1mm～1.5mm，厚度为0.45μm～0.55μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关，其特征在于所述的二氧化硅层(3)长度和宽度均为0.8mm～1.2mm，厚度为0.25μm～0.35μm。
5.根据权利要求1所述的一种基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关，其特征在于所述的四分之一圆(6)的材料均为铜，厚度为0.46μm～0.53μm，半径为45μm～50μm，石墨烯-金属组合周期单元(7)中相邻的两个四分之一圆(6)之间间隔1.75μm～2.25μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于单层石墨烯对称结构电控太赫兹波开关，其特征在于所述的圆形石墨烯(5)半径为35μm～40μm，厚度为0.33nm～0.34nm。
7.根据权利要求1所述的一种基于单层石墨对称结构电控太赫兹波开关，其特征在于所述的圆形金属导电圈(4)的材料为铜，厚度为0.26μm～0.33μm，半径为95μm～100μm。
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