CN108232462B - 具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料 - Google Patents
具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料，包括金属电极以及超材料本体，所述超材料本体由带绝缘层的衬底以及设置在衬底其绝缘层上的金属谐振单元和石墨烯条组成，通过金属电极对超材料本体外加偏压进而调节石墨烯费米能级能够实现太赫兹电磁波透过率以及慢光效应的调控。本发明解决了超材料中明暗模谐振结构互耦强度调控问题，从而实现太赫兹波空间调制。同时，利用类电磁诱导透明产生的强色散特性，产生电磁波群延时，实现慢光功能，并能够通过外加偏压改变石墨烯的费米能级对慢光效应进行调控。在调制的过程中，主要改变透明峰值频点的透波情况，而不影响其他频点的情况，可以有效避免可能的调制噪声。
Description
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，特指一种具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料。
背景技术
电磁诱导透明现象的最先发现是在三级原子系统中。电磁诱导透明现象是指在一个不透光的介质中出现一个窄带的透明频率窗口。这种现象伴随着强色散和光-粒子作用，因而能够被用于产生慢光效应以及探测器等多种领域。
超材料能够产生类似于电磁诱导透明特性的物理现象，它克服了原子系统低温光泵等多种条件限制。超材料产生电磁诱导透明主要有两种机理：一种是明暗模耦合，一种是明明模耦合。
目前，类电磁诱导透明的研究已经覆盖从微波到光频段，从理论到实验验证，这种具有类电磁诱导透明特性的超材料能够实现探测，慢光效应，量子信息存储等多种功能。
超材料在太赫兹波段应用广泛，包括吸波体、调制器、探测器等等方面。实际中，为了增加超材料应用性，需要超材料具备可控功能，现有的太赫兹超材料的调控方式主要有重要温控，光控，MEMS(微机械系统)以及电控。其中温控与光控法需要改变温度操作复杂，MEMS的工艺要求高。其中，利用外加电压的方式控制最为简单。二维碳原子材料石墨烯材料具有极薄的厚度，十分良好的强度、柔韧、导电、导热和光学特性，在物理学、材料学、电子信息、计算机、航空航天等领域应用前景广泛。同时，通过外加电压改变石墨烯的费米能级，能够改变石墨烯的导电特性，因此，通过将石墨烯和超材料复合，能够实现具有可调节功能的电控超材料，克服光控、MEMS等复杂的操作，同时对比温控法的调制速度有很大的提升。现有的研究是通过石墨烯与超材料的简单复合，直接通过外加偏压调节石墨烯的费米能级直接改变超材料谐振结构，达到调控太赫兹传输曲线的目的，从而实现太赫兹调制器的功能，然而这种方法的调制深度有限，有待进一步提高。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料。其是一种石墨烯与金属超材料的复合结构，通过金属谐振结构明明模耦合实现类电磁诱导透明现象，再将石墨烯薄层置于两个谐振结构耦合路径上，通过外加电压的方式，实现类电磁诱导透明传输的主动控制，调制透过超材料透明窗口(透波峰)的太赫兹波的透过率。同时，由于类电磁诱导透明传输曲线的色散特性，这种复合结构产生太赫兹波的群延时即慢光效应，并且通过外加偏压能够对慢光效应进行调控。
具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料，包括金属电极以及超材料本体，所述超材料本体由带绝缘层的衬底以及设置在衬底其绝缘层上的金属谐振单元和石墨烯条组成，通过金属电极对超材料本体外加偏压进而调节石墨烯费米能级能够实现太赫兹电磁波透过率以及慢光效应的调控。
本发明中，所述衬底为硅衬底；所述衬底的上表面覆盖有一层二氧化硅绝缘层，金属谐振单元和石墨烯条均设置在二氧化硅绝缘层上。
本发明中所述衬底划分为多个呈周期性阵列排布的正方形单元格。石墨烯条设置在每个正方形单元格其纵向中心线上方，其长度即为正方形单元格其纵向中心线的长度。纵向中心线在同一直线上的多个正方形单元格上的石墨烯条首尾相接在一起形成石墨烯条带，在衬底上方分布有多条相互平行且彼此之间等间距的石墨烯条带。
本发明中所述金属谐振单元包括与正方形单元格其纵向中心线平行的两条竖直金属贴片和弯折形金属贴片，两条竖直金属贴片和弯折形金属贴片分别设置在石墨烯条的左、右侧，且竖直金属贴片和弯折形金属贴片与石墨烯条的间距相等。其中两条竖直金属贴片设置在石墨烯条的左侧，且两条竖直金属贴片与其所在正方形单元格上的石墨烯条的距离相等，两条竖直金属贴片之间保有间隔。两条竖直金属贴片的长度和宽度均相同。两条竖直金属贴片的长度与两条竖直金属贴片之间的间隔距离之和即为正方形单元格其边长长度。弯折形金属贴片设置在石墨烯条的右侧。所述弯折形金属贴片包括与正方形单元格其纵向中心线平行的竖直金属侧边和设在竖直金属侧边两端且垂直与竖直金属侧边的两水平金属侧边组成，两水平金属侧边的宽度、竖直金属侧边的宽度与竖直金属贴片的宽度均相同，两水平金属侧边的长度相同。弯折形金属贴片其两水平金属侧边与其各自对应的正方形单元格的上、下侧边边缘的距离相等。
本发明中：所述金属电极包括两个，其中一个金属电极设置在二氧化硅绝缘层上且与各石墨烯条带均电连接，另一个金属电极位于硅衬底的下表面。通过两金属电极对太赫兹超材料外加偏压，能够调节石墨烯费米能级，进而实现太赫兹电磁波透过率以及慢光效应的调控。
分别设置在石墨烯条的左、右侧的竖直金属贴片和弯折形金属贴片产生不同频率点的谐振，由于竖直金属贴片和弯折形金属贴片间的距离较近，在这两个频率点之间出现相消干涉，产生了一个透波峰，即出现了电磁诱导透明现象。由于石墨烯条放置于正方形单元格上的竖直金属贴片和弯折形金属贴片两个金属贴片之间，当石墨烯条其自身的费米能级增大时，石墨烯条带金属性增强，其将与入射电场发生耦合左右，产生感应电流，同时，石墨烯条带又会与两侧的金属贴片产生耦合，因此将改变原来的单一的干涉相消的情况，使透波峰的峰值下降，从而起到调节超材料太赫兹传输特性的作用。进一步地，由于石墨烯主要改变的是金属谐振单元的相互耦合作用，而没有改变金属谐振单元其谐振结构，因此与金属谐振单元其谐振结构相关的传输谷并没有显著地变化，保持比较小的值，这样将有助于避免因调节电磁诱导透明窗口内频率的透波值而引入信号噪声。与此同时，由于电磁诱导透明传输曲线的强色散效应，在透波窗口内会出现群延时现象，产生慢光效应，并且通过外加偏压改变石墨烯费米能级的方法，调节最大群延时的大小，即对慢光效应进行了调节。
与现有技术相比，本发明能够产生以下技术效果：
本发明是具有可调电磁诱导透明特性的超材料，解决了超材料中明暗模谐振结构互耦强度调控问题，从而实现太赫兹波空间调制。同时，利用类电磁诱导透明产生的强色散特性，产生电磁波群延时，实现慢光功能，并能够通过外加偏压改变石墨烯的费米能级对慢光效应进行调控。在调制的过程中，主要改变透明峰值频点的透波情况，而不影响其他频点的情况，可以有效避免可能的调制噪声。
附图说明
图1是本发明一具体实施例的结构示意图
图2是图1中正方形单元格的放大图；
图3是对经仿真测试得到的石墨烯-金属复合超材料透波曲线图；
图4是本发明经仿真测试得到的外加偏压改变石墨烯费米能级后的透波曲线图；
图5是不同频率点出传输系数随费米能级EF的变化关系图；
图6是群延时与费米能级的关系曲线图
图中标号说明：
1、衬底；
2、二氧化硅绝缘层；
3、石墨烯条；
4、竖直金属贴片；
5、弯折形金属贴片；501、竖直金属侧边；502、水平金属侧边；
6、金属电极；
7、石墨烯条带。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式中附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施方式的组成元件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料，由衬底1以及设置在衬底1上的金属谐振单元、石墨烯条3和金属电极6组成，通过外加偏压调节石墨烯费米能级能够实现太赫兹电磁波透过率以及慢光效应的调控。
参照图1，本实施例中所述衬底1为硅衬底，其厚度为1μm。所述衬底1划分为多个呈周期性阵列排布的正方形单元格(图1中的虚线框即代表一个正方形单元格)。各正方形单元格的边长为80μm。所述衬底1的上表面覆盖有一层二氧化硅绝缘层2，二氧化硅绝缘层2的厚度为100nm，金属谐振单元和石墨烯条3均设置在二氧化硅绝缘层2上。
参照图1和图2，石墨烯条3设置在每个正方形单元格其纵向中心线上方，石墨烯条3其宽度为7μm。在每个正方形单元格中的石墨烯条3其长度即为正方形单元格其纵向中心线的长度。纵向中心线在同一直线上的多个正方形单元格上的石墨烯条3首尾相接在一起形成石墨烯条带7。如图1所示，在衬底上方分布有多条相互平行且彼此之间等间距的石墨烯条带7。
参照图1和图2，所述金属谐振单元包括与正方形单元格其纵向中心线平行的两条竖直金属贴片4和弯折形金属贴片5，两条竖直金属贴片4和弯折形金属贴片5分别设置在石墨烯条3的左、右侧，且竖直金属贴片4和弯折形金属贴片5间的间距为15μm。竖直金属贴片4和弯折形金属贴片5所采用的金属贴片的厚度不小于50nm。
其中两条竖直金属贴片4设置在石墨烯条3的左侧，且两条竖直金属贴片4与其所在正方形单元格上的石墨烯条3的距离相等，两条竖直金属贴片4之间保有间隔。两条竖直金属贴片4的长度均为38μm，宽度均为10μm。两条竖直金属贴片4的长度与两条竖直金属贴片4之间的间隔距离之和即为正方形单元格其边长长度。
参照图2弯折形金属贴片5设置在石墨烯条3的右侧。所述弯折形金属贴片5包括与正方形单元格其纵向中心线平行的竖直金属侧边501和设在竖直金属侧边501端且垂直与竖直金属侧边501的两水平金属侧边502组成。竖直金属侧边长501度为75μm。两水平金属侧边502的宽度、竖直金属侧边501的宽度与竖直金属贴片4的宽度均相同，均为10μm，两水平金属侧边502的长度相同，为16μm。弯折形金属贴片5其两水平金属侧边502与其各自对应的正方形单元格的上、下侧边边缘的距离相等。
参照图1，本实施例中所述金属电极6包括两个，其中一个金属电极6设置在二氧化硅绝缘层2上且与各石墨烯条带7均电连接，另一个金属电极6位于硅衬底1的下表面。通过两金属电极6对太赫兹超材料外加偏压，能够调节石墨烯条带其石墨烯费米能级，进而实现太赫兹电磁波透过率以及慢光效应的调控。
分别设置在石墨烯条带的左、右侧的竖直金属贴片和弯折形金属贴片产生不同频率点的谐振，由于竖直金属贴片和弯折形金属贴片间的距离较近，在这两个频率点之间出现相消干涉，产生了一个透波峰，即出现了电磁诱导透明现象。由于石墨烯条带放置于正方形单元格上的竖直金属贴片和弯折形金属贴片两个金属贴片之间，当石墨烯条带其自身的费米能级增大时，石墨烯条带金属性增强，其将与入射电场发生耦合左右，产生感应电流，同时，石墨烯条带又会与两侧的金属贴片产生耦合，因此将改变原来的单一的干涉相消的情况，使透波峰的峰值下降，从而起到调节超材料太赫兹传输特性的作用。进一步地，由于石墨烯主要改变的是金属谐振单元的相互耦合作用，而没有改变金属谐振单元其谐振结构，因此与金属谐振单元其谐振结构相关的传输谷并没有显著地变化，保持比较小的值，这样将有助于避免因调节电磁诱导透明窗口内频率的透波值而引入信号噪声。与此同时，由于电磁诱导透明传输曲线的强色散效应，在透波窗口内会出现群延时现象，产生慢光效应，并且通过外加偏压改变石墨烯费米能级的方法，调节最大群延时的大小，即对慢光效应进行了调节。
本发明由于利用了石墨烯作为调节金属谐振耦合的介质，大幅度提升了太赫兹调制器的调制深度。同时，利用类电磁诱导透明传输曲线的色散特性，产生群延时，能够同时用于实现可调节的慢光效应。
图3是对经仿真测试得到的石墨烯-金属复合超材料透波曲线图；从图3中可以看出，复合结构产生了明显的类电磁诱导透明效应。峰值在0.99THz，两侧的谐振谷在0.86THz与1.28THz。
图4是本发明经仿真测试得到的外加偏压改变石墨烯费米能级后的透波曲线图；从图4中可以看出，通过外加偏压改变石墨烯费米能级，能够得到类电磁诱导透明窗口内传输系数的大幅度调制。(eV是费米能级的单位)
图5是不同频率点出传输系数随费米能级的变化关系图；从图5中可以看出，只有传输峰值点0.99THz出，传输系数出现了由高到低的大幅度变化，而在两侧的谷值即0.86THz和1.28THz处，传输系数基本保持在很低的值，这避免了有可能引起这两处的调制噪声。
图6是群延时与费米能级的关系曲线图.通过图6可以看出，通过外加偏压改变石墨烯费米能级能够有效地调节超材料在类电磁诱导透明窗口处的群延时，达到对慢光效应调节的目的。群延时从3.6ps(EF＝0.05eV)调节到了1.4ps(EF＝0.35eV)。
参考具体实施方式，尽管本发明已经在说明书和附图中进行了说明，但应当理解，在不脱离权利要求中所限定的本发明范围的情况下，所属技术领域人员可作出多种改变以及多种等同物可替代其中多种元件。而且，本文中具体实施方式之间的技术特征、元件和/或功能的组合和搭配是清楚明晰的，因此根据这些所公开的内容，所属技术领域人员能够领会到实施方式中的技术特征、元件和/或功能可以视情况被结合到另一个具体实施方式中，除非上述内容有另外的描述。此外，根据本发明的教导，在不脱离本发明本质的范围，适应特殊的情形或材料可以作出许多改变。因此，本发明并不限于附图所图解的个别的具体实施方式，以及说明书中所描述的作为目前为实施本发明所设想的最佳实施方式的具体实施方式，而本发明意旨包括落入上述说明书和所附的权利要求范围内的所有的实施方式。
Claims (8)
1.具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料，其特征在于：包括金属电极以及超材料本体，所述超材料本体由带绝缘层的衬底以及设置在衬底其绝缘层上的金属谐振单元和石墨烯条组成，通过金属电极对超材料本体外加偏压进而调节石墨烯费米能级能够实现太赫兹电磁波透过率以及慢光效应的调控；
所述衬底划分为多个呈周期性阵列排布的正方形单元格；石墨烯条设置在每个正方形单元格其纵向中心线上方，其长度即为正方形单元格其纵向中心线的长度；纵向中心线在同一直线上的多个正方形单元格上的石墨烯条首尾相接在一起形成石墨烯条带，在衬底上方分布有多条相互平行且彼此之间等间距的石墨烯条带；
所述金属谐振单元包括与正方形单元格其纵向中心线平行的两条竖直金属贴片和弯折形金属贴片，两条竖直金属贴片和弯折形金属贴片分别设置在石墨烯条的左、右侧，且竖直金属贴片和弯折形金属贴片与石墨烯条的间距相等。
2.根据权利要求1所述的具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料，其特征在于：所述衬底为硅衬底；所述衬底的上表面覆盖有一层二氧化硅绝缘层，金属谐振单元和石墨烯条均设置在二氧化硅绝缘层上。
3.根据权利要求2所述的具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料，其特征在于：两条竖直金属贴片设置在石墨烯条的左侧，且两条竖直金属贴片与其所在正方形单元格上的石墨烯条的距离相等，两条竖直金属贴片之间保有间隔；两条竖直金属贴片的长度和宽度均相同；两条竖直金属贴片的长度与两条竖直金属贴片之间的间隔距离之和即为正方形单元格其边长长度。
4.根据权利要求2所述的具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料，其特征在于：所述弯折形金属贴片包括与正方形单元格其纵向中心线平行的竖直金属侧边和设在竖直金属侧边两端且垂直与竖直金属侧边的两水平金属侧边组成。
5.根据权利要求4所述的具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料，其特征在于：两水平金属侧边的宽度、竖直金属侧边的宽度与竖直金属贴片的宽度均相同，两水平金属侧边的长度相同。
6.根据权利要求4所述的具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料，其特征在于：弯折形金属贴片其两水平金属侧边与其各自对应的正方形单元格的上、下侧边边缘的距离相等。
7.根据权利要求3至6中任一权利要求所述的具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料，其特征在于：所述金属电极包括两个，其中一个金属电极设置在二氧化硅绝缘层上且与各石墨烯条带均电连接，另一个金属电极位于硅衬底的下表面；通过两金属电极对太赫兹超材料外加偏压，能够调节石墨烯费米能级，进而实现太赫兹电磁波透过率以及慢光效应的调控。
8.根据权利要求7所述的具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料，其特征在于：硅衬底其厚度为1μm；二氧化硅绝缘层的厚度为100nm；正方形单元格的边长为80μm；石墨烯条其宽度为7μm；竖直金属贴片和弯折形金属贴片间的间距为15μm；
竖直金属贴片和弯折形金属贴片所采用的金属贴片的宽度和厚度均相同，其中宽度均为10μm、厚度不小于50nm。
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