CN107453012B - 基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于金属‑石墨烯混合超表面的双功能调制器，自下而上由单晶硅衬底层、二氧化硅基底层、石墨烯结构层和金属带状线结构层组成；石墨烯结构层包括2个以上的石墨烯单元；每个石墨烯单元由上凸石墨烯环、下凹石墨烯环和2个微型缝隙开口组成；所有的石墨烯单元在二氧化硅基底层上呈规则矩阵排列；金属带状线结构层包括2条以上的金属带状线；每条金属带状线均为长条状；金属带状线的数量与石墨烯结构层的列数相同，每条金属带状线纵向延伸并覆盖在石墨烯结构层对应列的所有石墨烯单元上；所有金属带状线在石墨烯结构层上呈平行排列。本发明利用金属‑石墨烯超表面能够在保证调制器调制性能情况下，可以根据激励场与阵列的相对方向变化实现两种模式电磁波的调控，即实现双功能。

Description

基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器

技术领域

本发明涉及石墨烯技术领域，具体涉及一种基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器。

背景技术

太赫兹波在宽带通信、空间探测、医学诊断等领域具有重要作用。作为二维结构的电磁超表面具有自然界中无法直接获得的电磁特性，在理论逐步完善的基础上，电磁超表面在太赫兹波段的功能性器件方面具有广泛的应用前景，如THz调制器、极化器等。已有工作证明超表面在设计超薄、高性能THz调制器方面具有独特的优越性。然而，这种基于纯金属超表面的调制器必须通过改变调制器的结构参数来或者改变可调部件的材料特性来实现对电磁波的调制功能，实现功能单一。同时金属的大面积使用使得工作在太赫兹频段的调制器存在如调制速率低、调制深度小等缺点。

发明内容

本发明所要解决的是现有基于纯金属超表面的调制器存在功能单一、调制速率低和调制深度小的问题，提供一种基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器，由单晶硅衬底层、二氧化硅基底层和金属-石墨烯混合超表面层组成；二氧化硅基底层叠置于单晶硅衬底层之上，金属-石墨烯混合超表面层叠置于二氧化硅基底层之上；上述金属-石墨烯混合超表面由位于下层的石墨烯结构层和位于上层的金属带状线结构层组成；石墨烯结构层包括2个以上的石墨烯单元；每个石墨烯单元包括1个环形的石墨烯环，该石墨烯环上开设有2个横向对称设置的微型缝隙开口，这2个微型缝隙开口将上述石墨烯环分割为2个纵向对称设置的上凸石墨烯环和下凹石墨烯环；每个石墨烯单元的结构参数相同；所有的石墨烯单元在二氧化硅基底层上呈规则矩阵排列；金属带状线结构层包括2条以上的金属带状线；每条金属带状线均为长条状；金属带状线的数量与石墨烯结构层的列数相同，每条金属带状线纵向延伸并覆盖在石墨烯结构层对应列的所有石墨烯单元上；所有金属带状线在石墨烯结构层上呈平行排列。

上述方案中，每条金属带状线与所覆盖列上的石墨烯单元的横向对称轴线垂直。

上述方案中，每条金属带状线与所覆盖列上的石墨烯单元的纵向对称轴线重合。

上述方案中，每个石墨烯单元的石墨烯环为正方环形；此时，上凸石墨烯环为倒U形，下凹石墨烯环为正U形。

上述双功能调制器在使用时，还进一步包括外置直流偏置电压源；该外置直流偏置电压源的一端与金属带状线结构层的金属带状线相连，另一端与单晶硅衬底层相连。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1.对于不同频段，可以通过调整石墨烯的偏置电压和结构尺寸来调节调制工作频率；

2.利用金属-石墨烯超表面避免整块石墨烯片的使用对调制器调制深度与调制速率的影响；

3.利用金属-石墨烯超表面能够在保证调制器调制性能情况下，可以根据激励场与阵列的相对方向变化实现两种模式电磁波的调控，即实现双功能。

附图说明

图1为一种基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器的立体结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为单个金属-石墨烯混合超表面单元及石墨烯偏压加载方式示意图。

图4为一种基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器仿真数据图，其中图(a)为激励场电场方向与金属带状线方向垂直；图(b)为激励场电场方向与金属带状线方向平行。

图中标号：1、金属带状线；2、石墨烯单元；2-1、上凸石墨烯环；2-2、下凹石墨烯环；2-3、微型缝隙开口；3、二氧化硅基底层；4、单晶硅衬底层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“横向”、“纵向”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

一种基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器，如图1-3所示，由单晶硅衬底层4、二氧化硅基底层3和金属-石墨烯混合超表面层组成；二氧化硅基底层3叠置于单晶硅衬底层4之上，金属-石墨烯混合超表面层叠置于二氧化硅基底层3之上。二氧化硅基底层3的厚度对调制器的带宽与谐振频率有一定影响，其一般不超过300nm，该参数由表面波沿垂直于二氧化硅的衰减系数确定。

上述金属-石墨烯混合超表面由位于下层的石墨烯结构层和位于上层的金属带状线1结构层组成。石墨烯结构层的石墨烯单元2和金属带状线1结构层的金属带状线1共同作用，为整个金属-石墨烯超表面提供谐振特性。

石墨烯结构层包括2个以上的石墨烯单元2。每个石墨烯单元2由上凸石墨烯环2-1、下凹石墨烯环2-2和2个微型缝隙开口2-3组成。也就是说，每个石墨烯单元2包括1个完整环形的石墨烯环，该石墨烯环上开设有2个横向对称设置的微型缝隙开口2-3，这2个微型缝隙开口2-3将石墨烯环分割为2个纵向对称设置的上凸石墨烯环2-1和下凹石墨烯环2-2。每个石墨烯单元2同时关于纵向对称轴线和横向对称轴线对称，其中2个微型缝隙开口2-3的中轴线重合，并形成石墨烯单元2的横向对称轴线，上凸石墨烯环2-1的对称中线和下凹石墨烯环2-2的对称中线重合，并形成石墨烯单元2的纵向对称轴线。每个石墨烯单元2可以整体为圆环形、正方环形或多边环形，在本发明优选实施例中，每个石墨烯单元2的石墨烯环为正方环形；此时，上凸石墨烯环2-1为倒U形，下凹石墨烯环2-2为正U形。每个石墨烯单元2的结构参数相同。石墨烯单元2的的尺寸将对谐振频段有所影响。所有的石墨烯单元2在二氧化硅基底层3上呈规则矩阵排列。石墨烯结构层在二氧化硅基底层3上进行周期性矩阵排列时,其横向(即行方向)排列的石墨烯单元2个数和纵向(即列方向)排列的石墨烯单元2个数可以相等也可以不相等。石墨烯结构层所包含的石墨烯单元2的个数越多,调制器的性能越稳定。在本发明优选实施例中，石墨烯结构层的每一列均为8个石墨烯单元2，每一行均为8个石墨烯单元2，整个石墨烯结构层由64个石墨烯单元2所组成。

金属带状线1结构层包括2条以上的金属带状线1。每条金属带状线1均为长条状。金属带状线1的宽度会影响金属-石墨烯超表面的谐振频率，可以通过参数优选使调制器工作在所需频段。金属带状线1的数量与石墨烯结构层的列数相同，每条金属带状线1纵向延伸并覆盖在石墨烯结构层对应列的所有石墨烯单元2上，并由此形成谐振结构。金属带状线1与所覆盖列上的石墨烯单元2的2个微型缝隙开口2-3的中轴线连线方向垂直。每条金属带状线1覆盖在石墨烯结构层对应列上的所有石墨烯单元2的纵向对称轴线上。所有金属带状线1在石墨烯结构层上呈平行排列。

此外，本发明还进一步包括外置直流偏置电压源，该外置直流偏置电压源的一端与金属带状线1结构层的金属带状线1相连，另一端与单晶硅衬底层4相连，通过金属带状线1为石墨烯单元2提供偏置电压。所有金属带状线1可以共用1个外置直流偏置电压源，也可以让几个金属带状线1可以共用1个外置直流偏置电压源，甚至可以为每个金属带状线1分别配置1个外置直流偏置电压源。通过在金属-石墨烯混合超表面与单晶硅衬底之间加载电极，以便实现对整个阵列中石墨烯偏压的控制，进而控制石墨烯费米能级，实现石墨烯介质特性与金属特性之间的切换。

所述基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器，其双功能具体表现在所设计的调制器不仅能够根据自身的结构参数实现需要频段的电磁波调制，还可以根据激励场极化特性而工作在不同频段。

一般认为石墨烯可以被看作电导率表面，其电导率可根据Kubo公式得到，由带内电导率和带间电导率构成:

σ_s＝σ_intra(ω,u_c,Γ,T)+σ_inter(ω,u_c,Γ,T)

其中，e，

k_B分别是电荷量，普朗克常数，波兹曼常数，T是室温300K。u_c(E_F)为石墨烯费米能级。Γ为散射率，其中

τ是电子弛豫时间。

对于较低的太赫兹频段，由上述公式可知，影响石墨烯的表面电导率主要是σ_intra(ω,u_c,Γ,T)，且电导率实部保持相对稳定、虚部相对于实部影响较小，实部与虚部均随着u_c(E_F)的增大而增大。鉴于此，在太赫兹频段低端，石墨烯结构2的费米能级E_F(亦即石墨烯化学势)受偏置电压V_g控制，最终表现为石墨烯的电导率受偏置电压控制，也就是说通过改变石墨烯结构2的偏置电压，石墨烯的电磁特性表现为类金属性或类介质性。

当石墨烯的化学势E_F＝1eV时，石墨烯单元2的导电率高，表现为金属特性，与金属带状线1共同构成谐振单元；当石墨烯的化学势E_F＝0eV时，石墨烯单元2的导电率低，表现为介质的特性，此时只有金属条对电磁波产生响应，类似于光栅结构，将会透过电场极化方向与金属条垂直的电磁波，抑制与电场极化方向与金属条平行的电磁波。因此，当化学式在0eV和1eV变化，石墨烯从介质特性向金属特性转换，从而改变超介质单元的谐振特性，最终实现对电磁波的调制功能。考虑到石墨烯单元2是由上凸石墨烯环2-1和下凹石墨烯环2-2构成的互不相接的对称结构，其偏压的加载可以通过金属带状线1完成。所以金属带状线1不仅与石墨烯单元2共同构成谐振结构，同时也可为石墨烯单元2充当所需的金属电极。

本发明优选仿真案例中：基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器工作在太赫兹频段，是由相同的单元结构周期性排列构成。每个单元呈边长P＝60um为正方形，金属带状线1为宽度为W＝8um的铜箔，二氧化硅衬底层4采用相对介电常数为3.9的SiO₂，单晶硅衬底层4采用相对介电常数为11.9的Si。石墨烯单元2总体呈边长为L＝50um的正方环形，微型缝隙开口2-3的宽度g＝3um。本发明设计的调制器可以根据激励场的电场方向确定其工作模式：当激励场的电场方向与金属带状线1平行与垂直时，调制器分别工作在0.4THz与1.0THz，调制深度分别为89％与88％，实现了双功能。仿真结果如图4所示，其中实线表示激励场的电场方向与金属带状线1平行，虚线表示激励场的电场方向与金属带状线1垂直。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (5)

1.基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器，其特征在于：由单晶硅衬底层(4)、二氧化硅基底层(3)和金属-石墨烯混合超表面层组成；二氧化硅基底层(3)叠置于单晶硅衬底层(4)之上，金属-石墨烯混合超表面层叠置于二氧化硅基底层(3)之上；

上述金属-石墨烯混合超表面层由位于下层的石墨烯结构层和位于上层的金属带状线(1)结构层组成；

石墨烯结构层包括2个以上的石墨烯单元(2)；每个石墨烯单元(2)包括1个完整环形的石墨烯环，该石墨烯环上开设有2个横向对称设置的微型缝隙开口(2-3)，这2个微型缝隙开口(2-3)将上述完整环形的石墨烯环分割为2个纵向对称设置的上凸石墨烯环(2-1)和下凹石墨烯环(2-2)；每个石墨烯单元(2)的结构参数相同；所有的石墨烯单元(2)在二氧化硅基底层(3)上呈规则矩阵排列；

金属带状线(1)结构层包括2条以上的金属带状线(1)；每条金属带状线(1)均为长条状；金属带状线(1)的数量与石墨烯结构层的列数相同，每条金属带状线(1)纵向延伸并覆盖在石墨烯结构层对应列的所有石墨烯单元(2)上；所有金属带状线(1)在石墨烯结构层上呈平行排列。

2.根据权利要求1 所述的基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器，其特征在于：每条金属带状线(1)与所覆盖列上的石墨烯单元(2)的横向对称轴线垂直。

3.根据权利要求1或2所述的基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器，其特征在于：每条金属带状线(1)与所覆盖列上的石墨烯单元(2)的纵向对称轴线重合。

4.根据权利要求1所述的基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器，其特征在于：每个石墨烯单元(2)的石墨烯环为正方环形；此时，上凸石墨烯环(2-1)为倒U形，下凹石墨烯环(2-2)为正U形。

5.根据权利要求1所述的基于金属-石墨烯混合超表面的双功能调制器，其特征在于：还进一步包括外置直流偏置电压源；该外置直流偏置电压源的一端与金属带状线(1)结构层的金属带状线(1)相连，另一端与单晶硅衬底层(4)相连。

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