CN109786900B - 太赫兹开关及压力标定装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种太赫兹开关及压力标定装置。所述装置包括：太赫兹波接收端，用于接收太赫兹波；太赫兹波输出端，用于输出太赫兹波；核心材料层，所述核心材料层设置于所述太赫兹波接收端与所述太赫兹波输出端之间，所述核心材料层包括狄拉克半金属层，用于控制所述太赫兹波的输出；以及压力装置，用于向所述核心材料层施加压力，以使所述核心材料层控制所述太赫兹波在所述太赫兹波接收端与太赫兹波输出端之间的通断。所述太赫兹开关装置能够根据接受到的压力快速响应系统对太赫兹波通断的要求。

Description

太赫兹开关及压力标定装置

技术领域

本申请涉及太赫兹技术领域，特别是涉及一种太赫兹开关及压力标定装置。

背景技术

随着太赫兹技术的不断发展，太赫兹波越来越多地被应用到实际生产运营中。然而，由于传统的电子器件和光学器件在太赫兹波段不再适用，因此可应用于太赫兹频段的功能材料和器件成为限制太赫兹技术发展和应用的关键因素。

太赫兹开关是一种非常重要的太赫兹功能器件，用于控制太赫兹系统中太赫兹波的通断。因此，提升太赫兹开关的性能，简化太赫兹开关器件，实现快速精确控制太赫兹波的通断，开发具有优良性能的太赫兹波开关器件是太赫兹技术应用的关键之一。

但是，现有太赫兹开关器件在控制太赫兹波通断时一般采用外加电流、热量、偏压等方式，开关器件对太赫兹波通断的响应速度慢，可控性较差。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种太赫兹开关及压力标定装置。

一种太赫兹开关装置，所述装置包括：

太赫兹波接收端，用于接收太赫兹波；

太赫兹波输出端，用于输出太赫兹波；

核心材料层，所述核心材料层设置于所述太赫兹波接收端与所述太赫兹波输出端之间，所述核心材料层包括狄拉克半金属层，用于控制所述太赫兹波的通断；以及

压力装置，用于向所述核心材料层施加压力，以使所述核心材料层控制所述太赫兹波在所述太赫兹波接收端与太赫兹波输出端之间的通断。

在其中一个实施例中，所述压力装置包括：

间隔设置的第一组块结构以及第二组块结构，所述核心材料层设置于所述第一组块结构和所述第二组块结构之间。

在其中一个实施例中，所述第一组块结构以及所述第二组块结构的材料为非极性材料。

在其中一个实施例中，所述第一组块结构及所述第二组块结构为强硬度材料。

在其中一个实施例中，所述压力装置还包括：

压力调节装置，与所述第一组块结构及第二组块结构连接，用于调节第一组块结构与第二组块结构之间的距离，以调节施加到所述核心材料层的压力。

在其中一个实施例中，所述压力调节装置包括：

第一压力调节单元以及第二压力调节单元，所述第一压力调节单元用于向所述第一组块结构施加压力，所述第二压力调节单元用于向所述第二组块结构施加压力。

在其中一个实施例中，所述核心材料层还包括：

缓冲层，设置于所述狄拉克半金属层表面，用于缓冲所述压力装置输出的压力，保证狄拉克半金属层接受到的压力均匀。

在其中一个实施例中，所述核心材料层还包括：

标压材料层，所述标压材料层与所述缓冲层间隔设置，且所述狄拉克半金属层夹持于所述标压材料层与所述缓冲层之间，用于测定所述核心材料层106接受到的压力。

一种压力标定装置，所述装置包括：

太赫兹波接收端，用于接收太赫兹波；

太赫兹波输出端，用于输出太赫兹波；

核心材料层，所述核心材料层设置于所述太赫兹波接收端与所述太赫兹波输出端之间，所述核心材料层包括标压材料层以及狄拉克半金属层，所述标压材料层以及狄拉克半金属层层叠设置，所述标压材料层用于测定施加于所述核心材料层的压力，所述狄拉克半金属层用于根据承受的压力控制输出所述太赫兹波的大小；以及

压力装置，用于向所述核心材料层施加压力，以使所述核心材料层控制所述太赫兹波在所述太赫兹波输入端太赫兹波输出端之间的传输。

在其中一个实施例中，还包括电压测定回路，与所述标压材料层电连接，用于测定通过所述标压材料层的电压和/或电流。

上述太赫兹开关装置，包括：太赫兹波接收端、太赫兹波输出端、核心材料层及压力装置。所述太赫兹开关装置的核心材料层位于所述太赫兹波接收端与所述太赫兹波输出端之间，所述核心材料层通过接收所述压力装置施加的压力控制所述太赫兹波在所述太赫兹波接收端与太赫兹波输出端之间的通断。所述太赫兹开关装置能够根据接受到的压力快速响应系统对太赫兹波通断的要求。

附图说明

图1为一个实施例中太赫兹开关装置结构示意图；

图2为一个实施例中标压材料层电阻与压力关系示意图；

图3为一个实施例中太赫兹波透射强度与压力的变化关系示意图。

附图标号说明：

太赫兹开关装置 10

太赫兹波接收端 102

太赫兹波输出端 104

核心材料层 106

狄拉克半金属层 1061

缓冲层 1062

标压材料层 1063

压力装置 108

第一组块结构 1081

第二组块结构 1082

第一压力调节单元 1083

第二压力调节单元 1084

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

可以理解本申请中所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件及位置关系，但这些元件及位置关系不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件或位置关系与另一个元件或位置关系区分开来。

在一个实施例中，如图1所示，提供一种太赫兹开关装置10，包括：

太赫兹波接收端102，用于接收太赫兹波；

太赫兹波输出端104，用于输出太赫兹波；

核心材料层106，所述核心材料层106设置于所述太赫兹波接收端102与所述太赫兹波输出端104之间，所述核心材料层106包括狄拉克半金属层1061，用于控制所述太赫兹波的通断；以及

压力装置108，用于向所述核心材料层106施加压力，以使所述核心材料层 106控制所述太赫兹波在所述太赫兹波接收端102与太赫兹波输出端104之间的通断。

在其中一个实施例中，所述太赫兹波接收端102与所述太赫兹波输出端104 在核心材料层106的两端相对设置，所述太赫兹开关装置10与太赫兹波发射源配合使用，用于控制太赫兹波系统中太赫兹波的通断。

所述太赫兹波接收端102，设置于太赫兹波入射至核心材料层106入射的传播路径上。所述太赫兹波输出端104，设置于从核心材料层106出射的太赫兹波传播路径上，用于输出通过所述核心材料层106的太赫兹波，并将太赫兹波传输至目标位置。

在其中一个实施例中，所述核心材料层106，设置于所述太赫兹波接收端102 与所述太赫兹波输出端104之间，用于控制所述太赫兹波的通断。所述核心材料层106包括狄拉克半金属层1061，所述狄拉克半金属层1061用于控制所述太赫兹波的通断，以实现所述太赫兹开关装置10的功能。所述狄拉克半金属层 1061在压力作用下会出现相变，由金属变为半导体。所述狄拉克半金属层1061 的压致相变特性，可以根据接受到的压力控制入射至狄拉克半金属层1061上的太赫兹波的通断。

进一步，所述核心材料层106还可包括缓冲层1062以及标压材料层1063，所述缓冲层1062、狄拉克半金属层1061、标压材料层1063依次叠放。

具体地，所述缓冲层1062与所述标压材料层1063间隔对应设置，所述狄拉克半金属层1061夹持于所述标压材料层1063与所述缓冲层1062之间。所述缓冲层 1062用于缓冲所述狄拉克半金属层1061接受到的压力，保证狄拉克半金属层 1061接受到的压力均匀，所述标压材料层1063用于测定所述核心材料层106接受到的压力的大小。

所述缓冲层1062可以缓冲所述狄拉克半金属层1061接受到的压力，保证狄拉克半金属层1061接受到的压力均匀，所述标压材料层1063用于测定所述核心材料层106接受到的压力。所述缓冲层1062用于缓冲压力，具体实施材料不作限定，所述标压材料层1063采用标压材料。

核心材料层106的设置结构简单，并且通过设置缓冲层1062，可以保证所述狄拉克半金属层1061接受到的压力均匀，可以使所述太赫兹开关装置10能够根据接受到的压力快速准确地响应系统对太赫兹波通断的要求。

在其中一个实施例中，所述压力装置108包括间隔设置的第一组块结构1081 以及第二组块结构1082。第一组块结构1081与第二组块结构1082间隔设置，所述核心材料层106设置于所述第一组块结构1081和所述第二组块结构1082 之间。具体地，所述第一组块结构1081与第二组块结构1082与所述核心材料层106接触设置。所述第一组块结构1081以及所述第二组块结构1082的材料为非极性材料并且硬度大于40GPa，以减少或避免第一组块结构1081以及第二组块结构1082在施加压力过程中的形变。

另外，所述第一组块结构1081以及第二组块结构1082对太赫兹波无吸收，可以使太赫兹波无损透射至核心材料层106。所述第一组块结构1081以及第二组块结构1082的材料具有硬度大的特性，可以提供一定的压力支撑，保证核心材料层106能接受所需阈值范围内的压力。本实施例中，所述第一组块结构1081 以及所述第二组块结构1082的材料可以是金刚石。

所述压力装置108还包括压力调节装置，所述压力调节装置与所述第一组块结构1081及第二组块结构1082连接，用于调节第一组块结构1081与第二组块结构1082之间的距离，以改变施加到所述核心材料层106的压力。所述压力调节装置包括第一压力调节单元1083以及第二压力调节单元1084，所述第一压力调节单元1083用于向所述第一组块结构施加压力，所述第二压力调节单元 1084用于向所述第二组块结构1082施加压力。所述第一压力调节单元1083以及第二压力调节单元1084间隔设置于所述第一组块结构1081与第二组块结构 1082两侧。所述第一压力调节单元1083以及第二压力调节单元1084为所述压力装置108提供压力，具有一定的硬度，且不影响太赫兹波的传输，具体实施材料不作限定。

所述压力装置108与所述核心材料层106连接，用于向所述核心材料层106 施加压力，以使所述核心材料层106控制所述太赫兹波在所述太赫兹波接收端 102与太赫兹波输出端104之间的通断。

在应用过程中，太赫兹波从太赫兹波接收端102经所述压力装置108无损入射至核心材料层106。在核心材料层106中，太赫兹波根据狄拉克半金属层 1061的透射状态经由狄拉克半金属层1061和缓冲层1062后再次无损通过压力装置108，最后通过太赫兹波输出端104输出太赫兹波。具体地，通过控制施加到核心材料层106上的压力的大小，可以控制太赫兹波在太赫兹波接收端102 与太赫兹波输出端之间的通断。

在一个实施例中，提供一种压力标定装置，包括：

太赫兹波接收端102，用于接收太赫兹波；

太赫兹波输出端104，用于输出太赫兹波；

核心材料层106，所述核心材料层106设置于所述太赫兹波接收端102与所述太赫兹波输出端104之间，所述核心材料层106包括标压材料层1063以及狄拉克半金属层1061，所述标压材料层1063以及狄拉克半金属层1061层叠设置，所述标压材料层1063用于测定施加于所述核心材料层的压力，所述狄拉克半金属层用于根据承受的压力控制所述太赫兹波输出大小；以及

压力装置108，用于向所述核心材料层106施加压力，以使所述核心材料层 106控制所述太赫兹波在所述太赫兹波输入端102太赫兹波输出端104之间的传输。

所述核心材料层106设置于所述太赫兹波接收端102与所述太赫兹波输出端104之间，所述核心材料层106包括标压材料层1063、缓冲层1062以及狄拉克半金属层1061，所述标压材料层1063、缓冲层1062以及狄拉克半金属层1061 层叠设置，所述标压材料层1063用于根据承受的压力改变电阻，以测定施加于所述核心材料层106的压力，所述狄拉克半金属层1061用于根据承受的压力控制所述太赫兹波输出大小。压力装置108，用于向所述核心材料层106施加压力，以使所述核心材料层106控制所述太赫兹波在所述太赫兹波输入端102太赫兹波输出端104之间的传输。

太赫兹波接收端102、太赫兹波输出端104、核心材料层106、压力装置108 的结构、材料、位置关系参照上述太赫兹开关装置的描述，在此不再赘述。

所述压力标定装置还包括电压测定回路，所述电压测定回路与所述标压材料层1063电连接，用于测定通过所述标压材料层1063的电压和电流，从而得到施加到核心材料层106的压力的大小。

所述电压测定回路，与所述标压材料层1063电连接。标压材料层1063中的标压材料电阻随压力变化呈线性关系。具体地，可通过对标压材料层1063电阻的测量得知压力大小。所述标压材料层1063包含有电流输入端、电流输出端、电压输入端和电压输出端，通过电压与电流的变化关系可得知标压材料的电阻，根据标压材料电阻与压力的关系，可确定实时压力值。

在实际太赫兹开关及压力装置使用过程中，所述狄拉克半金属层1061的性状随使用时间、外界工作环境的变化可能会发生改变，所述狄拉克半金属层1061 压致相变的临界点可能会发生偏移。配合太赫兹波接收检测装置，所述电压测定回路能够实时测定狄拉克半金属层1061对太赫兹波的通断强度控制情况，所述太赫兹开关机及压力标定装置可以实时对所述狄拉克半金属层1061的性状进行检测与校准，根据所述太赫兹开关机及压力标定装置自身对狄拉克半金属层 1061压致相变点的实时测定，可以实时调节施加至所述核心材料层106上的压力，保证太赫兹开关装置10根据变化的压致相变偏移点调节开关压力，保证所述太赫兹开关装置10能够根据接受到的压力快速响应系统对太赫兹波通断的要求。

在一个具体的实施例中，第一压力调节单元1083可以设计为两个梯形体，所述第二压力调节单元1084可以设计为对应第一压力调节单元1083设置的两个梯形体。所述第一压力调节单元1083以及所述第二压力调节单元1084之间设置有供太赫兹波输入核心材料层106的间隙，间隙长度可以为5mm。每一梯形体与压力装置间的接触面横截面的长度可以为1cm。第一组块结构1081及所述第二组块结构1082的材料可以为金刚石，第一组块结构1081及所述第二组块结构1082与核心材料层106的接触面越小，可施加的压力越大，截面直径可以为1mm。

核心材料层106包括狄拉克半金属层1061、缓冲层1062及标压材料层1063。标压材料层1063上设置有电流输入端、电流输出端、电压输入端和电压输出端。具体地，电流输入端、电流输出端、电压输入端和电压输出端可以以四根电极实现依次标号为1、2、3、4。电极1与电极2间距约为50μm，电极2与电极3 间距约为600μm，电极3与电极4间距约为50μm。

如图2所示，标压材料层1063电阻与压力呈线性关系，图示电压电流关系可以由电压测定回路测定。电压测定回路获取标压材料层1063电压与电流，根据电压、电流之间的关系计算得到标压材料层1063电阻，根据电阻、压力的线性关系与选用的标压材料层1063属性获得核心材料层106的实时压力值。

如图3所示，太赫兹波透射强度与狄拉克半金属层1061接受到的压力呈压致相变关系。由根据电阻与压力的线性关系与选用的标压材料层1063属性获得的狄拉克半金属层1061实时压力值，得到太赫兹波透射强度与压力的变化关系。由太赫兹波透射强度与狄拉克半金属层1061接受到的压力关系图可见在某一测定压力值前后，太赫兹波透射强度呈现明显改变。太赫兹波透射强度改变前后的状态可以定义为“0”和“1”，通过控制“0”、“1”的输出可控制太赫兹开关状态。采用狄拉克半金属层1061与电压测定回路10可以保证所述太赫兹开关装置10能够根据接受到的压力快速响应系统对太赫兹波通断的要求。

如图2所示为标压材料电阻与压力线性关系示意图，横坐标为压力值，纵坐标为电阻值，根据电阻和线性关系可确定相应的压力值。所述示意图根据选择标压材料不同而呈现不同斜率，但整体呈线性关系。

如图3是预期的太赫兹透射强度与压力的变化关系示意图。横坐标为压力值，纵坐标为图1中太赫兹输出端记录的太赫兹透射强度。在某一压力值前后，太赫兹波透射强度呈现明显改变，前后状态定义为“0”和“1”。通过控制“0”、“1”的输出可控制太赫兹开关状态。

具体太赫兹开关校准测定过程如下：

在没有压力的情况下，引入太赫兹波。太赫兹波由太赫兹波接收端输入后经压力装置108，这里压力装置108可以是金刚石，压力装置108的非极性属性对太赫兹波基本无吸收，使太赫兹波无损透射至核心材料层106。太赫兹波经核心材料层106到达压力装置108的另一侧，通过压力装置108及核心材料层106 的太赫兹波经由太赫兹波输出端104输出。由此，可确定零压下太赫兹波的透射强度。

调节压力装置108施加到核心材料层106上的压力，并记为第一压力。同时，对标压材料层1063施加一定的电压，由电压测定回路10测定特定压力下标压材料层1063输入输出端的电压和电流，通过电压和电流关系，确定标压材料的电阻值。根据标压材料层1063电阻与压力的关系，确定核心材料层106接受到的压力，记录核心材料层106接受到特定压力下太赫兹波输出端104的太赫兹透射强度，从而确定第一压力下的太赫兹透射强度。

进一步，通过连续压力装置108施加至核心材料层106上的压力，确定每特定压力下太赫兹开关装置对太赫兹波的透射强度，并绘制如图3所示的太赫兹透射强度与核心材料层106接受到的压力变化关系图，为太赫兹开关装置的精确控制提供性能依据。

狄拉克半金属层1601在压力作用下会发生相变，由金属态转变为半导体态。所述狄拉克半金属层1061具有载流子高、压致相变的特性，当所述狄拉克半金属层1061接受到的压力由小到大时，所述狄拉克半金属层1061载流子浓度随着压力从大变小，对太赫兹波的透射强度会由低变高。根据图3所示的太赫兹波透射强度与核心材料层106接受到的压力，记录狄拉克半金属层1601发生相变的压力点。通过对狄拉克半金属层1601在相变压力点处施加压力，调节狄拉克半金属材料的相变，控制太赫兹波的通断，实现太赫兹波开关的功能。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种太赫兹开关装置，其特征在于，所述装置包括：

太赫兹波接收端(102)，用于接收太赫兹波；

太赫兹波输出端(104)，用于输出太赫兹波；

核心材料层(106)，所述核心材料层(106)设置于所述太赫兹波接收端(102)与所述太赫兹波输出端(104)之间，所述核心材料层(106)包括狄拉克半金属层(1061)，用于控制所述太赫兹波的通断；以及

压力装置(108)，用于向所述核心材料层(106)施加压力，以使所述核心材料层(106)控制所述太赫兹波在所述太赫兹波接收端(102)与太赫兹波输出端(104)之间的通断。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力装置(108)包括：

间隔设置的第一组块结构(1081)以及第二组块结构(1082)，所述核心材料层(106)设置于所述第一组块结构(1081)和所述第二组块结构(1082)之间。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述第一组块结构(1081)以及所述第二组块结构(1082)的材料为非极性材料。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一组块结构(1081)及所述第二组块结构(1082)为强硬度材料。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述压力装置(108)还包括：

压力调节装置，与所述第一组块结构(1081)及第二组块结构(1082)连接，用于调节第一组块结构(1081)与第二组块结构(1082)之间的距离，以调节施加到所述核心材料层(106)的压力。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述压力调节装置包括：

第一压力调节单元(1083)以及第二压力调节单元(1084)，所述第一压力调节单元(1083)用于向所述第一组块结构(1081)施加压力，所述第二压力调节单元(1084)用于向所述第二组块结构(1082)施加压力。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述核心材料层(106)还包括：

缓冲层(1062)，设置于所述狄拉克半金属层(1061)表面，用于缓冲所述压力装置输出的压力，保证狄拉克半金属层(1061)接受到的压力均匀。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述核心材料层(106)还包括：

标压材料层(1063)，所述标压材料层(1063)与所述缓冲层(1062)间隔设置，且所述狄拉克半金属层(1061)夹持于所述标压材料层(1063)与所述缓冲层(1062)之间，用于测定所述核心材料层(106)接受到的压力。

9.一种压力标定装置，其特征在于，所述装置包括：

太赫兹波接收端(102)，用于接收太赫兹波；

太赫兹波输出端(104)，用于输出太赫兹波；

核心材料层(106)，所述核心材料层(106)设置于所述太赫兹波接收端(102)与所述太赫兹波输出端(104)之间，所述核心材料层(106)包括标压材料层(1063)以及狄拉克半金属层(1061)，所述标压材料层(1063)以及狄拉克半金属层(1061)层叠设置，所述标压材料层(1063)用于测定施加于所述核心材料层(106)的压力，所述狄拉克半金属层(1061)用于根据承受的压力控制所述太赫兹波输出大小；以及

压力装置(108)，用于向所述核心材料层(106)施加压力，以使所述核心材料层(106)控制所述太赫兹波在所述太赫兹波输入端(102)太赫兹波输出端(104)之间的传输。

10.根据权利要求9所述的压力标定装置，其特征在于，还包括电压测定回路，与所述标压材料层(1063)电连接，用于测定通过所述标压材料层(1063)的电压和/或电流。

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