CN109301427B - 一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器及其制备方法 - Google Patents

一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于铝‑石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器及其制备方法，本发明涉及电磁诱导领域。本发明要解决现有以金属实现电磁诱导透明结构如需调整透明窗时，则需要改变器件尺寸，导致难于加工的技术问题。该谐振器为周期结构，每个单元的金属谐振单元分布在硅衬底上，每个金属谐振单元包括一个U型金属带和两条条形带，U型金属带位于两条条形带之间，并且条形带平行于U型金属带的纵向边，同时硅层和石墨烯依次覆盖在金属谐振单元上。本发明设计了一种基于铝‑石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器，该设计易于加工，降低了金属‑石墨烯混合超材料可调谐电磁诱导结构的实现难度。本发明用于制备幅度可调电磁诱导透明谐振器。

Description

一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器及其制 备方法
技术领域
本发明涉及电磁诱导领域。
背景技术
以金属实现电磁诱导透明(EIT)的结构如需调整透明窗(频率、宽度等)则需要改变器件尺寸，而这有时是难于实现的；以石墨烯作为谐振单元构成的明-暗模式谐振器，则可以通过改变石墨烯电势能的方法实现透明窗口的频率移动(在传输谱上表现为透明窗口频率变大或变小)，但对于动态调整透明峰幅度则无能为力，即不能实现透明峰的幅度动态可调；此外以石墨烯作为谐振单元的方法往往需要较高的石墨烯质量，对石墨烯加工技术、石墨烯纯度和石墨烯高电子迁移率有较高的要求，这些目前均制约着基于石墨烯的电磁诱导透明的实际应用。
以金属-石墨烯混合超材料方法实现可调谐电磁诱导透明技术得到研究人员关注，但目前的技术是在石墨烯上直接微加工一定形状的金属，或者在金属谐振单元上覆盖上一层石墨烯实现可调谐电磁诱导透明，这些设计对石墨烯加工技术提出了严峻的挑战，很难保证最终成品中石墨烯的完整性和平整性，从而导致性能难易实现。
发明内容
本发明要解决现有以金属实现电磁诱导透明结构如需调整透明窗时，则需要改变器件尺寸，导致难于加工的技术问题，而提供一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器及其制备方法。
一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器，该谐振器为周期结构，每个单元的金属谐振单元分布在硅衬底上，每个金属谐振单元包括一个U型金属带和两条条形带，U型金属带位于两条条形带之间，并且条形带平行于U型金属带的纵向边，同时硅层和石墨烯依次覆盖在金属谐振单元上。
所述一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法，具体按以下步骤进行：
一、采用微加工技术在硅衬底上加工U型金属带和条形带；
二、采用化学气相沉积法在U型金属带和条形带上覆盖硅层；
三、采用化学气相沉积法制备石墨烯，然后采用湿法转移技术将石墨烯覆盖在硅层表面上；
四、将石墨烯表面和硅衬底各引出电极，完成所述基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法。
本发明的有益效果是：
电磁诱导透明(EIT)现象在太赫兹调制、慢光器件中具有重要应用，相对于目前的以石墨烯为基础实现明-暗模式电磁诱导透明结构和已有的以金属-石墨烯混合超材料实现可调谐电磁诱导现象的结构相比，本发明设计了一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器，该设计易于加工，降低了金属-石墨烯混合超材料可调谐电磁诱导结构的实现难度。通过调整石墨烯电势能改变以铝结构为谐振单元的损耗，实现了电磁诱导透明窗的透明峰幅度可调。另外本设计是将石墨烯通过湿法转移技术转移到硅层上，和现有的金属-石墨烯超材料结构相比，易于加工，容易保证石墨烯的平整性，确保成品性能和仿真性能一致。
当石墨烯电势能增加过程中，透明峰频率几乎不变而幅度变小，由0.1eV时透明峰幅度为0.803，降至1.5eV时透明峰幅度为0.512，调制深度为36.2％((0.803-0.512)/0.803)；
当石墨烯电势能增加过程中，群延时减小，透明峰频率为2.89THz处的群延时由0.1eV时的0.5ps降为1.5eV时的0.08ps；
通过理论拟合结果显示，透明峰幅度的改变源于石墨烯电势能增加后使得铝谐振单元的损耗增大而引起透明峰变小。
本发明用于制备幅度可调电磁诱导透明谐振器。
附图说明
图1为实施例一一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的结构示意图；其中1代表代表硅衬底，2代表金属谐振单元，3代表硅层，4代表石墨烯。
图2为实施例一一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的剖面结构示意图；其中1代表代表硅衬底，2代表金属谐振单元，3代表硅层，4代表石墨烯。
图3为实施例一一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的尺寸标记图。
图4为实施例一所述谐振器的EIT现象产生机理图，其中曲线a代表条形带结构谐振器，曲线b代表U型金属带结构谐振器，曲线c代表本实施例金属谐振单元结构谐振器；
图5为实施例一所述谐振器改变石墨烯电势能由0.1eV至1.5eV时透明峰变化图，其中曲线1代表0.1eV，曲线2代表0.3eV，曲线3代表0.5eV，曲线4代表0.9eV，曲线5代表1.5eV；
图6为实施例一所述谐振器的群延时图，其中曲线1代表0.1eV，曲线2代表0.3eV，曲线3代表0.5eV，曲线4代表0.9eV，曲线5代表1.5eV。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器，该谐振器为周期结构，每个单元的金属谐振单元分布在硅衬底上，每个金属谐振单元包括一个U型金属带和两条条形带，U型金属带位于两条条形带之间，并且条形带平行于U型金属带的纵向边，同时硅层和石墨烯依次覆盖在金属谐振单元上。
优选的，金属谐振单元材料为铝。
优选的，硅衬底的边长Py＝22μm，Px＝16μm，U型金属带的横向边边长W1＝8μm，U型金属带的带宽W2＝1.5μm，U型金属带的纵向边边长L2＝5.75μm，条形带的带宽W3＝1μm，条形带的带长L1＝15μm，条形带与U型金属带的间距s＝0.5μm。
优选的，硅衬底厚度为10μm，硅层厚度为1μm。
优选的，石墨烯表面和硅衬底各引出一个电极。
具体实施方式二：一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法，具体按以下步骤进行：
一、采用微加工技术在硅衬底上加工U型金属带和条形带；
二、采用化学气相沉积法在U型金属带和条形带上覆盖硅层；
三、采用化学气相沉积法制备石墨烯，然后采用湿法转移技术将石墨烯覆盖在硅层表面上；
四、将石墨烯表面和硅衬底各引出电极，完成所述基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法。
优选的，步骤一中硅衬底厚度为10μm。
优选的，步骤一中U型金属带和条形带的材质为铝。
优选的，步骤一中条形带与U型金属带的间距s＝0.5μm。
优选的，步骤二中硅层厚度为1μm。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器，该谐振器为周期结构，每个单元的金属谐振单元分布在硅衬底上，每个金属谐振单元包括一个U型金属带和两条条形带，U型金属带位于两条条形带之间，并且条形带平行于U型金属带的纵向边，同时硅层和石墨烯依次覆盖在金属谐振单元上；
其中，金属谐振单元材料为铝；硅衬底的边长Py＝22μm，Px＝16μm，U型金属带的横向边边长W1＝8μm，U型金属带的带宽W2＝1.5μm，U型金属带的纵向边边长L2＝5.75μm，条形带的带宽W3＝1μm，条形带的带长L1＝15μm，条形带与U型金属带的间距s＝0.5μm；硅衬底厚度为10μm，硅层厚度为1μm。
所述一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法，具体按以下步骤进行：
一、采用微加工技术在硅衬底上加工U型金属带和条形带；
二、采用化学气相沉积法在U型金属带和条形带上覆盖硅层；
三、采用化学气相沉积法制备石墨烯，然后采用湿法转移技术将石墨烯覆盖在硅层表面上；
四、将石墨烯表面和硅衬底各引出电极，完成所述基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法。
图1为本实施例一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的结构示意图；其中1代表代表硅衬底，2代表金属谐振单元，3代表硅层，4代表石墨烯。
图2为本实施例一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的剖面结构示意图；其中1代表代表硅衬底，2代表金属谐振单元，3代表硅层，4代表石墨烯。
图3为本实施例一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的尺寸标记图。
将本实施例制备的一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器进行性能测试：图4为EIT现象产生机理图，其中曲线a代表条形带结构谐振器，曲线b代表U型金属带结构谐振器，曲线c代表本实施例金属谐振单元结构谐振器，从图中可以看出当入射波电场强度为金属谐振单元的横向方向，石墨烯电势能为0.1eV时，单独U型带谐振于3.56THz，而单独的一对条形带显现出不谐振状态，即U型带此时为明谐振模式，而一对条形带为暗谐振模式。当将二结构混合后，即形成EIT结构，在相同电磁波入射下，呈现出透明峰，透明峰频率为2.89THz。
图5为改变石墨烯电势能由0.1eV至1.5eV时透明峰变化图，其中曲线1代表0.1eV，曲线2代表0.3eV，曲线3代表0.5eV，曲线4代表0.9eV，曲线5代表1.5eV，从图5可以看出，当石墨烯电势能增加过程中，透明峰频率几乎不变而幅度变小，由0.1eV时的0.803降为1.5eV时的0.512，调制深度为36.2％((0.803-0.512)/0.803)。
图6为群延时图，其中曲线1代表0.1eV，曲线2代表0.3eV，曲线3代表0.5eV，曲线4代表0.9eV，曲线5代表1.5eV，当石墨烯电势能增加过程中，群延时减小，透明峰频率为2.89THz处的群延时由0.1eV时的0.5ps降为1.5eV时的0.08ps。
通过理论拟合结果显示，透明峰幅度的改变源于石墨烯电势能增加后使得铝谐振单元的损耗增大而引起透明峰变小。

Claims (9)

1.一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器，其特征在于该谐振器为周期结构，每个单元的金属谐振单元分布在硅衬底上，每个金属谐振单元包括一个U型金属带和两条条形带，U型金属带位于两条条形带之间，并且条形带平行于U型金属带的纵向边，同时硅层和石墨烯依次覆盖在金属谐振单元上；硅衬底厚度为10μm，硅层厚度为1μm。
2.根据权利要求1所述的一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器，其特征在于金属谐振单元材料为铝。
3.根据权利要求1所述的一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器，其特征在于硅衬底的边长Py＝22μm，Px＝16μm，U型金属带的横向边边长W1＝8μm，U型金属带的带宽W2＝1.5μm，U型金属带的纵向边边长L2＝5.75μm，条形带的带宽W3＝1μm，条形带的带长L1＝15μm，条形带与U型金属带的间距s＝0.5μm。
4.根据权利要求1所述的一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器，其特征在于石墨烯表面和硅衬底各引出一个电极。
5.一种如权利要求1所述基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法，其特征在于该方法具体按以下步骤进行：
一、采用微加工技术在硅衬底上加工U型金属带和条形带；
二、采用化学气相沉积法在U型金属带和条形带上覆盖硅层；
三、采用化学气相沉积法制备石墨烯，然后采用湿法转移技术将石墨烯覆盖在硅层表面上；
四、将石墨烯表面和硅衬底各引出电极，完成所述基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法。
6.根据权利要求5所述一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法，其特征在于步骤一中硅衬底厚度为10μm。
7.根据权利要求5所述一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法，其特征在于步骤一中U型金属带和条形带的材质为铝。
8.根据权利要求5所述一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法，其特征在于步骤一中条形带与U型金属带的间距s＝0.5μm。
9.根据权利要求5所述一种基于铝-石墨烯的幅度可调电磁诱导透明谐振器的制备方法，其特征在于步骤二中硅层厚度为1μm。
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