CN108563043A - 叉指栅形可控太赫兹开关 - Google Patents

叉指栅形可控太赫兹开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种叉指栅形可控太赫兹开关，它包括基底层、二氧化硅层、石墨烯层、左侧金属电极端、右侧金属电极、叉指栅形层、偏置电压，叉指栅形层由3×3个相同大小的叉指栅形结构排列而成；当太赫兹波从开关上方垂直输入时，通过调节偏置电压，实现对太赫兹开关特性的控制，当偏置电压由1eV增加到5eV时，太赫兹器件的透射率由98.5%降底到11.5%以下，实现了可调谐太赫兹开关的打开与关闭性能。本发明具有结构紧凑，可通过偏置电压对太赫兹开关性能行进控制，制造简单，具有较高的消光比，操控方法灵活易实现等优点。

Description

叉指栅形可控太赫兹开关
技术领域
本发明涉及可调谐太赫兹开关，尤其涉及一种叉指栅形可控太赫兹开关。
背景技术
太赫兹波(0.1-10THz)产生和探测技术的发展,大大促进了太赫兹技术及其应用的发展。在层析成像技术、医疗诊断、环境监测、宽带移动通讯、雷达和天文等领域,太赫兹技术都有着广阔的应用前景。在应用太赫兹技术解决实际问题时,太赫兹波导、相位控制器以及开关等功能性器件是实现整个系统功能所必不可少的器件,这一领域的研究也成为目前的研究热点。可以说太赫兹技术科学不仅是科学技术发展的重要基础，更是科技发展的重大挑战和创新。
太赫兹波开关是重要的太赫兹波功能器件，一直以来太赫兹波器件是国内外研究的热点和难点。然而现有的太赫兹波器件大都存在着结构复杂、功效单一、成本高等诸多缺点，所以研究结构简单、底功耗、尺寸小的太赫兹波功能器件具有意义重大。
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、易于制造、高效切换和成本底的太赫兹开关器件。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种叉指栅形可控太赫兹开关，包括基底层、二氧化硅层、石墨烯层、左侧金属电极端、右侧金属电极、偏置电压；基底层、二氧化硅层和石墨烯层、叉指栅形层自下而上依次排列，叉指栅形层由3×3个叉指栅形结构周期性排列而成，其中叉指栅形结构由横向金属条一、纵向金属条一、纵向金属条二、横向金属条二、纵向金属条三、纵向金属条四组成；横向金属条一位于叉指栅形结构的最底端，纵向金属条一垂直于横向金属条一并位于纵向金属条二的左侧，纵向金属条二垂直于横向金属条一并位于纵向金属条一的右侧，横向金属条二位于叉指栅形结构的最顶端，纵向金属条三垂直于横向金属条二并位于纵向金属条四的左侧，纵向金属条四垂直于横向金属条二并位于纵向金属条三的右侧，左侧金属电极端位于石墨烯层最左侧边缘，右侧金属电极位于石墨烯层最右侧边缘，横向金属条一连接左侧金属电极端，横向金属条二连接右侧金属电极，当信号从开关上方垂直入射时输入时，信号依次经过叉指栅形层、石墨烯层、二氧化硅层、基底层垂直输出，通过调节偏置电压，实现对太赫兹开关特性的控制，当偏置电压由1eV增加到5eV时，太赫兹器件的透射率由98.5%降底到11.5%以下，实现了可调谐太赫兹开关的打开与关闭性能。
所述的基底层的材料为绝缘硅，长度为90~100μm，宽度为87~93μm，厚度为24~26μm。所述的二氧化硅层的长度为90~100μm，宽度为87~93μm，厚度为12~14nm。所述的石墨烯层的长度为90~100μm，宽度为87~93μm。所述的左侧金属电极端、右侧金属电极的材料为铜，长度为87~93μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm。所述的叉指栅形结构，总长度为29~31μm，总宽度为29~31μm。所述的横向金属条一和横向金属条二材料为铜，长度为29~31μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm，间距为19~21μm。所述的纵向金属条一、纵向金属条二材料为铜，长度为6~8μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm，间距为7~9μm。所述的纵向金属条三、纵向金属条四材料为铜，长度为6~8μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm，间距为14~16μm。
附图说明
图 1 是叉指栅形可控太赫兹开关的三维结构示意图；
图2是叉指栅形可控太赫兹开关的金属条长度变化对应太赫兹开关的传输特性图；
图3是叉指栅形可控太赫兹开关的金属条间距变化对应太赫兹开关的传输特性图；
图4是叉指栅形可控太赫兹开关在不同偏置电压下太赫兹开关的透射谱。
具体实施方式
如图1所示，叉指栅形可控太赫兹开关包括基底层1、二氧化硅层2、石墨烯层3、左侧金属电极端4、右侧金属电极5、偏置电压14；基底层1、二氧化硅层2和石墨烯层3、叉指栅形层13自下而上依次排列，叉指栅形层13由3×3个叉指栅形结构6周期性排列而成，其中叉指栅形结构6由横向金属条一7、纵向金属条一8、纵向金属条二9、横向金属条二10、纵向金属条三11、纵向金属条四12组成；横向金属条一7位于叉指栅形结构6的最底端，纵向金属条一8垂直于横向金属条一7并位于纵向金属条二9的左侧，纵向金属条二9垂直于横向金属条一7并位于纵向金属条一8的右侧，横向金属条二10位于叉指栅形结构6的最顶端，纵向金属条三11垂直于横向金属条二10并位于纵向金属条四12的左侧，纵向金属条四12垂直于横向金属条二10并位于纵向金属条三11的右侧，左侧金属电极端4位于石墨烯层3最左侧边缘，右侧金属电极5位于石墨烯层3最右侧边缘，横向金属条一7连接左侧金属电极端4，横向金属条二10连接右侧金属电极5，当信号从开关上方垂直入射时输入时，信号依次经过叉指栅形层13、石墨烯层3、二氧化硅层2、基底层1垂直输出，通过调节偏置电压14，实现对太赫兹开关特性的控制，当偏置电压由1eV增加到5eV时，太赫兹器件的透射率由98.5%降底到11.5%以下，实现了可调谐太赫兹开关的打开与关闭性能。
所述的基底层的材料为绝缘硅，长度为90~100μm，宽度为87~93μm，厚度为24~26μm。所述的二氧化硅层的长度为90~100μm，宽度为87~93μm，厚度为12~14nm。所述的石墨烯层的长度为90~100μm，宽度为87~93μm。所述的左侧金属电极端、右侧金属电极的材料为铜，长度为87~93μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm。所述的叉指栅形结构，总长度为29~31μm，总宽度为29~31μm。所述的横向金属条一和横向金属条二材料为铜，长度为29~31μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm，间距为19~21μm。所述的纵向金属条一、纵向金属条二材料为铜，长度为6~8μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm，间距为7~9μm。所述的纵向金属条三、纵向金属条四材料为铜，长度为6~8μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm，间距为14~16μm。
实施例1
本实施例中，叉指栅形可控太赫兹开关结构如前所述（图1）,不再赘述。但本实施例中，各部件的具体参数如下：基底层的材料为绝缘硅，长度为95μm，宽度为90μm，厚度为25μm。二氧化硅层的长度为95μm，宽度为90μm，厚度为13nm。石墨烯层的长度为95μm，宽度为90μm。左侧金属电极端、右侧金属电极的材料为铜，长度为90μm，宽度为2μm，厚度为2μm。叉指栅形结构的总长度为30μm，总宽度为30μm。横向金属条一和横向金属条二材料为铜，长度为30μm，宽度为2μm，厚度为2μm，间距为20μm。纵向金属条一、纵向金属条二材料为铜，长度为7.5μm，宽度为2μm，厚度为2μm，间距为8μm。纵向金属条三、纵向金属条四材料为铜，长度为7.5μm，宽度为2μm，厚度为2μm，间距为15μm。该太赫兹开关性能指标采用COMSOL Multiphysics和3D-FDTD软件进行模拟测试。图2是叉指栅形可控太赫兹开关的金属条长度变化对应太赫兹开关的传输特性图，偏置电压为1eV，金属条长度长度为6μm时太赫兹波开关对应的中心频率和透射率分别为1.32THz和98.5%，金属条长度长度为7μm时太赫兹波开关对应的中心频率和透射率分别为1.35THz和98.5%，金属条长度长度为8μm时太赫兹波开关对应的中心频率和透射率分别为1.39THz和98.5%；图3是叉指栅形可控太赫兹开关的金属条间距变化对应太赫兹开关的传输特性图，由图可以看出，金属条间距分别为7μm，8μm，9μm，太赫兹波开关对应的中心频率基本没有发生变化，但开关的关闭速度随间距的增大而降底；如图4所示，当偏置电压从1eV变到5eV时，太赫兹开关的透射率从98.5%降到了11.5%，偏置电压小于1eV实现了太赫兹开关的开特性，当偏置电压大于4ev时，透射率底于20%，实现了的太赫兹开关的关闭特性，控制偏置电压可以有效的提高太赫兹开关对太赫兹波透射率的控制。因此，本发明公开的叉指栅形可控太赫兹开关可以通过现今先进的制造技术实现。

Claims (9)

1.一种叉指栅形可控太赫兹开关，其特征在于包括基底层（1）、二氧化硅层（2）、石墨烯层（3）、左侧金属电极端（4）、右侧金属电极（5）、偏置电压（14）；基底层（1）、二氧化硅层（2）和石墨烯层（3）、叉指栅形层（13）自下而上依次排列，叉指栅形层（13）由3×3个叉指栅形结构（6）周期性排列而成，其中叉指栅形结构（6）由横向金属条一（7）、纵向金属条一（8）、纵向金属条二（9）、横向金属条二（10）、纵向金属条三（11）、纵向金属条四（12）组成；横向金属条一（7）位于叉指栅形结构（6）的最底端，纵向金属条一（8）垂直于横向金属条一（7）并位于纵向金属条二（9）的左侧，纵向金属条二（9）垂直于横向金属条一（7）并位于纵向金属条一（8）的右侧，横向金属条二（10）位于叉指栅形结构（6）的最顶端，纵向金属条三（11）垂直于横向金属条二（10）并位于纵向金属条四（12）的左侧，纵向金属条四（12）垂直于横向金属条二（10）并位于纵向金属条三（11）的右侧，左侧金属电极端（4）位于石墨烯层（3）最左侧边缘，右侧金属电极（5）位于石墨烯层（3）最右侧边缘，横向金属条一（7）连接左侧金属电极端（4），横向金属条二（10）连接右侧金属电极（5），当信号从开关上方垂直入射时输入时，信号依次经过叉指栅形层（13）、石墨烯层（3）、二氧化硅层（2）、基底层（1）垂直输出，通过调节偏置电压（14），实现对太赫兹开关特性的控制，当偏置电压由1eV增加到5eV时，太赫兹器件的透射率由98.5%降底到11.5%以下，实现了可调谐太赫兹开关的打开与关闭性能。
2.根据权利要求1所述的一种叉指栅形可控太赫兹开关，其特征在于所述的基底层(1)的材料为绝缘硅，长度为90~100μm，宽度为87~93μm，厚度为24~26μm。
3.利要求1所述的一种叉指栅形可控太赫兹开关，其特征在于所述的二氧化硅层（2）的长度为90~100μm，宽度为87~93μm，厚度为12~14nm。
4.利要求1所述的一种叉指栅形可控太赫兹开关，其特征在于所述的石墨烯层（3）的长度为90~100μm，宽度为87~93μm。
5.利要求1所述的一种叉指栅形可控太赫兹开关，其特征在于所述的左侧金属电极端（4）、右侧金属电极（5）的材料为铜，长度为87~93μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm。
6.利要求1所述的一种叉指栅形可控太赫兹开关，其特征在于所述的叉指栅形结构（6），总长度为29~31μm，总宽度为29~31μm。
7.利要求1所述的一种叉指栅形可控太赫兹开关，其特征在于所述的横向金属条一（7）和横向金属条二（10）材料为铜，长度为29~31μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm，间距为19~21μm。
8.利要求1所述的一种叉指栅形可控太赫兹开关，其特征在于所述的纵向金属条一（8）、纵向金属条二（9）材料为铜，长度为6~8μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm，间距为7~9μm。
9.根据权利要求1所述的一种叉指栅形可控太赫兹开关，其特征在于所述的纵向金属条三（11）、纵向金属条四（12）材料为铜，长度为6~8μm，宽度为1~3μm，厚度为1~3μm，间距为14~16μm。
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