CN107357052A - 基于磁电双场调控的石墨烯电磁场强度调制器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于磁电双场调控的石墨烯电磁场强度调制器。本发明提供一种电磁场强度调制器，所述电磁场强度调制器包含石墨烯层(1)、电容层(2)、导电介质层(3)、导电螺线圈(4)、磁芯(5)；所述电容层(2)位于石墨烯层(1)和导电介质层(3)之间，导电介质层(3)位于磁芯(5)端面上方，导电螺线圈(4)环绕于磁芯(5)非端面的磁芯外表面。本发明的电磁场强度调制器可通过自行产生的可变磁场和栅极电场来控制石墨烯的电导率频谱，从而能够在射频至远红外频段的电磁波范围内众多频点上实现相互独立的、针对入射电磁波的振幅调控，具有极好的主动调频性能。

Description

基于磁电双场调控的石墨烯电磁场强度调制器
技术领域
本发明涉及基于磁电双场调控的石墨烯电磁场强度调制器，具体涉及基于石墨烯/电容层/导电介质/电磁铁结构的高集成度的电磁场强度调制器。本发明提供一种由自行产生的磁场和电场作为控制手段的电磁波振幅调制器件，对射频至远红外频段的电磁波进行频率可自由调节的波振幅调制；其利用电磁铁磁芯端面作为反射面和衬底的设计，使得器件的集成度因此得到提高，对于控制磁场的引入和调节也更加方便。
背景技术
主动控制电磁波振幅器件是在微波、太赫兹、中远红外以及光纤通讯等诸多电磁波段都非常重要的器件。无需改变器件的结构，仅通过改变外界条件，即可灵活的控制器件的性能，是这类主动控制器件最大的优势。通常，这种外界条件以门电压的形式来实现。然而，由于器件中工作物质在不同的电场条件下对于不同频率的电磁波有着完全一致的响应，导致传统的主动控制器件基本为单一频率的器件，无法针对不同频率的电磁波做出可控的调节。
石墨烯作为一种新颖的二维材料，它在电场下的行为与其他物质并无本质区别，均为宽谱的、平坦的响应特性。不过，石墨烯在磁场下的行为，则与寻常物质有着本质的不同。第一，石墨烯在磁场下的电子能级会发生不均匀的分裂，形成不等间距的朗道能级，而其他物质的分裂则是均匀的。第二，石墨烯的电子为无质量的狄拉克-费米子，它在磁场下的轨道能量大大的高于寻常物质，使得石墨烯能够对更高频率的光子产生有效响应。
发明内容
发明人利用石墨烯在磁场下的特征行为，设计了一种全新的主动控制电磁波振幅器件。在该器件中，将螺圈型电磁铁整合到调制结构，使其同时起到电磁反射面和驱动磁场两大作用，达到了将外磁场和门电场同时引入的目的。因此该器件可以通过控制磁场和电场的强度来控制石墨烯的光学跃迁频率，进而实现对不同频率电磁波振幅的主动调节。这种基于双场的调节，相比较单一电场的调节，有着更加灵活的频率调节特性，在从微波至可见光的频率范围内，均可对电磁波进行频率选择性的振幅调制。
因此，本发明提供一种新型的主动振幅调制器件，可以灵活的对不同频率的电磁波进行外场调控，而不需改变器件结构。
在一些实施方案中，本发明提供一种电磁场强度调制器，所述电磁场强度调制器包含石墨烯层(1)、电容层(2)、导电介质层(3)、导电螺线圈(4)、磁芯(5)；所述电容层(2)位于石墨烯层(1)和导电介质层(3)之间，导电介质层(3)位于磁芯(5)端面上方，导电螺线圈(4)环绕于磁芯(5)非端面的磁芯外表面。
在一些实施方案中，本发明的石墨烯层(1)没有特别限制，可以包括1层，2层或者更多层石墨烯。
在一些实施方案中，本发明的石墨烯层(1)的石墨烯掺杂类型包括n型，p型或者本征。
在一些实施方案中，本发明的导电介质层(3)在100GHz～30THz频率范围内为透明物质，并且具有导电性能，例如其可以是硅、砷化镓。
在一些实施方案中，本发明的导电介质层(3)的厚度为0至1毫米。
在一些实施方案中，本发明的磁芯(5)的端面抛光度高于1.0微米。
在一些实施方案中，本发明的磁芯(5)为铁磁性金属，例如铁，钴，镍。
在一些实施方案中，本发明的导电螺线圈(4)为高电导材料，例如金属材料，如铜、银、金，例如超导材料，如钇钡铜氧(YBCO)、铌钛合金(Nb-Ti)、锡化铌(Nb3Sn)。
在一些实施方案中，本发明的电容层(2)为绝缘性材料，例如二氧化硅，三氧化二铝，聚乙烯。
在一些实施方案中，本发明的电容层(2)的厚度为1nm至1mm。
在一些实施方案中，本发明也包括制备所述电磁场强度调制器的方法以及所述电磁场强度调制器的应用。
附图说明
图1为发明结构示意图。其中(1)为石墨烯层，(2)为电容层，(3)为导电介质层，(4)为导电螺线圈，(5)为磁芯。
图2为图1的立体视图。
图3为实施例一的结构示意图，其中(1)为石墨烯，(2)为二氧化硅(silica)电容层，厚100nm；(3)为轻微掺杂的p型硅(p-Si)导电层，厚度53μm；(4)为磁芯端面。
图4为实施例一的反射率频谱。
图5为实施例一的调制深度。
图6为实施例二结构示意图，其中(1)为石墨烯，(2)为氧化铝(Al2O3)电容层，厚50nm；(3)为轻微掺杂的p型硅(p-Si)导电层，厚度64μm；(4)为磁芯端面。
图7为实施例二的反射率频谱。
图8为实施例二的调制深度。
具体实施方式
在一些实施方案中，本发明的结构可以如下产生：将电磁铁的磁芯的端面抛光后，在上端面生长厚度为0至1毫米的导电介质层，在导电介质层上生长一层厚度为1nm至1mm的绝缘物质如二氧化硅，三氧化二铝，聚乙烯等作为电容层；在电容层之上则使用一层石墨烯作为工作介质，石墨烯层可以为1层，2层或者任意多层石墨烯，石墨烯掺杂类型可以为n型，p型或者本征。
在一些实施方案中，本发明的结构还可包括顶电极、背电极、引线、导电线圈、封装结构等任何可能需要的外部结构。
在一些实施方案中，栅极电压通过电容层和上下电极施加给石墨烯，控制其费米能级的高低。静磁场则通过环绕于磁芯的导电螺线圈施加，垂直于石墨烯表面，磁场强度由导电螺线圈中的电流强度进行控制。这样，通过改变栅极电压的大小，即可控制石墨烯的费米能级在朗道能级系统中的相对位置，因而可以选择通过不同能量的光学跃迁。针对不同的目标电磁波频率，可以选择不同的磁场与电场强度组合；这种组合的可能性非常之多，可以根据实际应用的情形选择最合适的磁场与电场强度。
在一些实施方案中，本发明提出将电磁铁的磁芯的端面抛光至抛光度高于1.0微米后，可直接作为工作物质的衬底，既可提供支撑，也可作为反射面，同时提供一个垂直石墨烯表面的外加磁场，简化了磁场的引入方式。电磁铁的磁芯物质组成为铁磁性金属，如铁，钴，镍。外置的导电螺线圈的物质组成为高电导材料，包括但不限于金属材料铜、银、金，以及超导材料钇钡铜氧(YBCO)、铌钛合金(Nb-Ti)、锡化铌(Nb3Sn)。
在一些实施方案中，结构中的导电介质层在100GHz～30THz频率范围内为透明物质，并且具有一定的导电性能，如硅，砷化镓。导电介质层起到辅助增强调节石墨烯层的电磁波吸收率，使得器件的整体调制强度更大。当该层厚度满足波长的四分之一奇整数倍时，器件拥有最大的调制深度；当该层厚度满足波长的四分之一偶整数倍时，器件拥有最小的调制深度。实际应用中，可根据不同的频率要求，厚度可以为0至1毫米。
本发明提出的基于磁电双场调控的石墨烯电磁场强度调制器提供了便利的电场、磁场添加方式，并使得石墨烯层在外磁场和栅极电场的控制下可以支持不同能量的光学跃迁；因此在本器件中，器件因此获得了针对不同频率电磁波的响应能力。只需要改变磁场和电场的强度值，便可以有效调控不同频率的电磁波振幅，工作频率范围可覆盖100GHz～30THz。
在一些实施方案中，本发明提供一种基于石墨烯/电容层/导电介质/电磁铁结构的电磁场强度调制器，其中所述电磁场强度调制器包含石墨烯层(1)、电容层(2)、导电介质层(3)、导电螺线圈(4)、磁芯(5)；所述电容层(2)位于石墨烯层(1)和导电介质层(3)之间，导电介质层(3)位于磁芯(5)端面上方，导电螺线圈(4)环绕于磁芯(5)非端面的磁芯外表面。
在一些实施方案中，本发明所述电磁场强度调制器件工作频率范围为100GHz～30THz。
在一些实施方案中，本发明所述电磁场强度调制器同时使用磁场和栅极电场进行调制。
在一些实施方案中，本发明所述电磁场强度调制器通过导电介质层(3)调节石墨烯层(1)的电磁波吸收率。
在一些实施方案中，本发明所述电磁场强度调制器把磁芯(5)与导电介质层(3)之间的接触面作为光学反射面。
在一些实施方案中，本发明磁场由导电螺线圈(4)的磁芯(5)施加，磁场强度由导电螺线圈(4)中的电流强度进行控制。
在一些实施方案中，本发明栅极电场由电容层(2)和上下电极施加，栅极电场强度由施加在电容层(2)和石墨烯层(1)上的电压强度进行控制。
在一些实施方案中，本发明所述的石墨烯层(1)可以为1层，2层或者任意多层石墨烯。
在一些实施方案中，本发明所述的石墨烯层(1)的石墨烯掺杂类型可以为n型，p型或者本征。
在一些实施方案中，本发明的导电介质层(3)在100GHz～30THz频率范围内为透明物质，并且具有一定的导电性能，包括但不限于硅，砷化镓。
在一些实施方案中，本发明的导电介质层(3)的厚度可以为0至1毫米。
在一些实施方案中，本发明的磁芯(5)的端面抛光度高于1.0微米。
在一些实施方案中，本发明的磁芯的物质组成为铁磁性金属，包括但不限于铁，钴，镍。
在一些实施方案中，本发明的导电螺线圈的物质组成为高电导材料，包括但不限于金属材料铜、银、金，以及超导材料钇钡铜氧(YBCO)、铌钛合金(Nb-Ti)、锡化铌(Nb3Sn)。
在一些实施方案中，本发明的电容层(2)的组成材料为绝缘性材料，包括但不限于二氧化硅，三氧化二铝，聚乙烯。
在一些实施方案中，本发明的电容层(2)的厚度为1nm至1mm。
在一些实施方案中，本发明的磁芯(5)的底端面和石墨烯层(1)构成一对上下电极。
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的结构示意图，其中(1)为石墨烯层，(2)为电容层，(3)为导电介质层，(4)为导电螺线圈，(5)为磁芯。栅极电压通过电容层(2)和顶电极、底电极施加给石墨烯，调控石墨烯的费米能级大小；磁场则通过外置导电螺线圈(4)、磁芯(5)施加于整个结构。当石墨烯的电子能级在磁场的作用发生了不均匀的分裂，结构对于不同频率的入射光子产生不同的响应。
实施例一
本发明实施例一的结构如图3所示，其中(1)为石墨烯层，(2)为二氧化硅(silica)电容层，厚100nm；(3)为轻微掺杂的p型硅(p-Si)导电层，厚度53μm；(4)为反射衬底层，由电磁铁磁芯端面构成。
实施例一光学性能的电磁场有限元结果如图4所示。图4为通过施加不同的磁场，该结构在0.1-10THz的频率范围内对电磁波反射率的响应。可见，通过施加四个不同的磁场强度值，结构可以分别对四个不同的频率产生响应；被响应的波段反射率降至接近0，而在其在他波段处保持着高的反射率。
图5为实施例一的相对功率调制深度。可见在四个工作频率处，该结构都保持了大于20dB的调制效果。
实施例二
实施例二的结构示意图如图6所示，其中(1)为石墨烯层，(2)为蓝宝石(Al2O3)电容层，厚50nm；(3)为轻微掺杂的p型硅(p-Si)导电层，厚度64μm；(4)为反射衬底层，由电磁铁磁芯端面构成。
实施例二光学性能的电磁场有限元结果如图7所示。图7为通过施加不同的电场，该结构在0.1-10THz的频率范围内对电磁波反射率的响应。这里在2.8T恒定磁场偏置下利用栅极电压进行调节。可见，通过调节电压的强度从0.3V至0.8V，结构可以在两个不同的频率处分别对电磁波的射率进行调制。被调制的电磁波反射率降为接近0，而在其在他波段处电磁波保持着高的反射率。
图8为实施例二的相对功率调制深度。可见在两个工作频率处，该结构都保持了大于15dB的调制效果。

Claims (10)

1.一种电磁场强度调制器，所述电磁场强度调制器包含石墨烯层(1)、电容层(2)、导电介质层(3)、导电螺线圈(4)、磁芯(5)；所述电容层(2)位于石墨烯层(1)和导电介质层(3)之间，导电介质层(3)位于磁芯(5)端面上方，导电螺线圈(4)环绕于磁芯(5)非端面的磁芯外表面。
2.根据权利要求1所述的电磁场强度调制器，其中所述的石墨烯层(1)包括1层，2层或者更多层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的电磁场强度调制器，其中所述的石墨烯层(1)的石墨烯掺杂类型包括n型，p型或者本征。
4.根据权利要求1所述的电磁场强度调制器，其中导电介质层(3)在100GHz～30THz频率范围内为透明物质，并且具有导电性能，例如硅、砷化镓。
5.根据权利要求1所述的电磁场强度调制器，其中导电介质层(3)的厚度为0至1毫米。
6.根据权利要求3所述的电磁场强度调制器，其中磁芯(5)的端面抛光度高于1.0微米。
7.根据权利要求3所述的电磁场强度调制器，其中磁芯(5)为铁磁性金属，例如铁，钴，镍。
8.根据权利要求1所述的电磁场强度调制器，其中导电螺线圈(4)为高电导材料，例如金属材料，如铜、银、金，例如超导材料，如钇钡铜氧(YBCO)、铌钛合金(Nb-Ti)、锡化铌(Nb3Sn)。
9.根据权利要求1所述的电磁场强度调制器，其中电容层(2)为绝缘性材料，例如二氧化硅，三氧化二铝，聚乙烯。
10.根据权利要求4所述的电磁场强度调制器，其中电容层(2)的厚度为1nm至1mm。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108023263A (zh) * 2017-11-20 2018-05-11 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103105644A (zh) * 2013-01-16 2013-05-15 浙江大学 基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器
CN103487953A (zh) * 2013-08-20 2014-01-01 中国工程物理研究院流体物理研究所 一种全光控太赫兹强度调制器及太赫兹强度调制器
CN106200016A (zh) * 2016-07-25 2016-12-07 上海师范大学 一种太赫兹石墨烯微结构调制器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103105644A (zh) * 2013-01-16 2013-05-15 浙江大学 基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器
CN103487953A (zh) * 2013-08-20 2014-01-01 中国工程物理研究院流体物理研究所 一种全光控太赫兹强度调制器及太赫兹强度调制器
CN106200016A (zh) * 2016-07-25 2016-12-07 上海师范大学 一种太赫兹石墨烯微结构调制器

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIAN-QIANG LIU ETC.: "Controlling plasmon-induced transparency of graphene metamolecules with external magnetic field", 《OPTICS EXPRESS》 *
XIANG HU ETC.: "Giant frequency tunability enabled by external magnetic and a gate electric fields in grapheme devices", 《OPTICS EXPRESS》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108023263A (zh) * 2017-11-20 2018-05-11 中国工程物理研究院电子工程研究所 一种磁场和电压调控的太赫兹脉冲发生器

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