CN110246956B - 一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超材料结构领域，具体涉及一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件。所述器件由衬底、石墨烯层、金属层和金属电极构成；所述衬底包括硅层和覆盖在硅层上面的二氧化硅层；所述石墨烯层覆盖在二氧化硅层上表面，且所述石墨烯层由周期性排列的石墨烯方框结构组成；所述金属层覆盖在二氧化硅层上表面，且所述金属层由周期性排列的十字型金属单元结构组成；所述金属电极的一个电极设置在石墨烯层的边缘，并与石墨烯层连接，另一个电极设置在硅层边缘，且与硅层连接。本发明能够实现电磁诱导透明特性并产生慢光效应，本发明通过外加偏压能够实现对超材料器件传输特性与慢光效应的调控，有效调节群延时的大小。

Description

一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件
技术领域
本发明属于超材料结构领域，具体涉及一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件。
背景技术
电磁诱导透明现象是原子系统中的一种相干过程，它是指在一个原本不透光的材料中通过外加光束产生能级跃迁的干涉作用，使其在一个很窄的频段内出现透光的窗口。这种现象伴随着强烈的色散和频选作用，能够产生慢光效应和滤波特性。利用超材料模拟原子系统中的电磁诱导透明现象，克服了原子系统中需要的低温、光泵、金属气体环境等苛刻条件。通过结构设计，能够使得电磁波在超材料表面激励起束缚模，从而出现强烈的色散，得到电磁诱导透明窗口。目前，电磁诱导透明太赫兹器件设计已经完成了从理论分析到实验验证，在调制器、传感器、光存储器等方面有潜在应用。
超材料也称为人工电磁结构，它能够通过人为设计实现自然界材料所不具备的电磁特性，比如负折射率、逆向多普勒效应、后向波特性等等。电磁诱导透明太赫兹超材料最早由Zhang等人在2008年提出的，他们利用周期阵列排布的银质金属贴片，通过两侧贴片的耦合作用，激励起暗模特性的四极子谐振，产生电磁诱导透明传输现象。石墨烯由于其良好导电、导热、硬度等特性，在材料、通信、计算机等多个领域应用前景广阔，通过外加偏置电压，能够电调控石墨烯的表面电导率，实现可调的导电特性。因此，若将石墨烯与超材料结合，能够产生可调的电磁诱导透明特性，其电磁调控的速度大于温控、MEMS等控制方式。目前已经有人提出了对极化不敏感的电磁诱导透明超材料(一种基于二氧化钒薄膜相变特性的太赫兹波调制装置及其方法申请号：102081274)，并有人提出了利用石墨烯超材料实现可调电磁诱导透明的设计(具有调制器和慢光功能的太赫兹超材料。申请号：CN201810037414.X)
现有的基于极化不敏感的电磁诱导透明超材料的设计往往都是基于常见的金属周期结构，设计出的超材料器件虽然具有对来波极化不敏感的特点，但在设计完成后却不具备群延时调节功能，在实际应用中容易受到限制。目前已经有一些基于石墨烯金属复合结构的超材料器件，能够通过电磁诱导透明产生群延时作用，且利用电调节的方法可对其传输特性进行调节，现有技术能够通过外加电压实现可调群延时功能，但由于实现电磁诱导透明往往需要单元非对称结构，其单元结构很难实现对称性，无法对不同极化来波都实现同样的效果。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明利用电磁波在超材料中金属结构与石墨烯薄层上感应电流的相消干涉作用，产生了电磁诱导透明现象，并使入射电磁波产生了群延时，实现了慢光效应。由于超材料单元结构具备对称性，能够实现极化不敏感的电磁诱导透明现象和慢光效应，同时，通过外加偏置电压的方法调节石墨烯的费米能级，能够改变石墨烯薄层的导电特性，实现对不同极化的入射电磁波的群延时的调节作用。具体技术方案如下：
一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件，所述太赫兹器件由衬底、石墨烯层、金属层和金属电极构成；所述衬底包括硅层和覆盖在硅层上面的二氧化硅层；
所述石墨烯层覆盖在二氧化硅层上表面，且所述石墨烯层由周期性排列的石墨烯方框结构组成；
所述金属层覆盖在二氧化硅层上表面，且所述金属层由周期性排列的十字型金属单元结构组成；所述十字型金属单元结构与石墨烯方框结构一一对应，且所述十字型金属单元结构位于石墨烯方框结构内部，所述十字型金属单元结构与所述方框各边不连接，所述十字型金属单元结构的中心与石墨烯方框结构的中心重合；
所述金属电极的一个电极设置在石墨烯层的边缘，并与石墨烯层连接，另一个电极设置在硅层边缘，且与硅层连接。
采用本发明获得的有益效果：本发明是基于石墨烯-金属复合结构的超材料太赫兹器件，能够实现电磁诱导透明特性并产生慢光效应，其单元结构具有对称性，传输特性与慢光效应对于不同极化方向的电磁波不敏感。本发明通过外加偏压能够实现对超材料器件传输特性与慢光效应的调控，有效调节群延时的大小。
附图说明
图1为本发明三维结构示意图，xyz表示空间直角坐标系的坐标轴；
图2为本发明周期单元俯视图，图中Φ表示入射电磁波的极化角度；
图3为实施例中本发明器件经过商业微波仿真软件CST仿真模拟得到的仿真结果图；图(a)、(b)、(c)、(d)分别表示入射电磁波极化角度为0°、30°、60°、90°的仿真结果；
图4为外加偏压改变石墨烯费米能级后的透波曲线图；
图5为群延时与入射波极化角度的关系图，Φ表示入射电磁波的极化角度；
图6为群延时与费米能级的关系图，EF表示费米能级。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件，所述器件由衬底、石墨烯层、金属层和金属电极构成；所述衬底包括硅层1和覆盖在硅层1上面的二氧化硅层2；
所述石墨烯层覆盖在二氧化硅层上表面，且所述石墨烯层由周期性排列的石墨烯方框结构4组成；
所述金属层覆盖在二氧化硅层上表面，且所述金属层由周期性排列的十字型金属单元结构3组成；所述十字型金属单元结构3与石墨烯方框结构4一一对应，且所述十字型金属单元结构3位于石墨烯方框结构内部，所述十字型金属单元结构与所述方框各边不连接，所述十字型金属单元结构的中心与石墨烯方框结构的中心重合；
所述金属电极5的一个电极设置在石墨烯层的边缘，并与石墨烯层连接，另一个电极设置在硅层边缘，且与硅层连接。
在实施例中，金属层的厚度不小于50nm。整个阵列方框结构组成的石墨烯层都相互连接，石墨烯层的边缘与金属电极相连接，金属电极位于阵列边缘的石墨烯层上，另一个电极位于硅衬底的下方。金属电极的厚度不小于50nm。如图1、图2所示，该超材料太赫兹器件可以虚拟的划分为周期性的正方形单元，每个正方形单元周期长度即正方形边长为120μm，每个单元内十字型金属单元结构的每条金属长度为56μm、宽度为5μm，且每个单元内十字型金属单元结构的两条金属相互垂直且中心重合。石墨烯方框结构的宽度b(即内外框之间的跨度)为25μm，方框结构的外边长度a为正方形边长，所述太赫兹器件单元的石墨烯方框结构排列在垂直和水平方向都是连续的。二氧化硅层的厚度为100nm，硅层的厚度为1μm。
本发明的工作原理为：该超材料太赫兹器件的工作原理为：周期单元正中心的十字型金属单元结构能够与空间电磁波直接耦合并产生感应电流，而四周的石墨烯方框结构也能够与空间场直接耦合，在某个特定频点，石墨烯方框上的感应电流与十字型金属结构上的感应电流出现反向，两者产生的辐射场出现相消干涉作用，产生电磁诱导透明现象。由于石墨烯方框与十字型金属结构都是对称结构，关于x与y方向同时对称，因此当不同极化方向的电磁波入射时，超材料的传输特性基本不变。同时，由于石墨烯的导电特性与其费米能级有密切关系，而石墨烯的导电特性改变能够影响其与空间电磁波的耦合作用，进而影响感应电流与十字型金属结构的相消干涉，使电磁诱导透明特性出现变化。因此，通过对石墨烯层施加外加偏压的方式，能够调节超材料的传输特性、群延时的大小及频率。此外，在电磁诱导透明窗口内伴随产生了电磁波的群延时，即出现慢光效应。因此，基于本发明所提出的超材料太赫兹器件能够实现极化不敏感的慢光效应，同时，通过调节外加偏置电压的方法，能够改变群延时的大小，实现对慢光效应的调节。
如图3所示，本发明经过商业微波仿真软件CST仿真模拟，本发明器件产生了电磁诱导透明效应，透明峰值在1.83THz，同时，当外界电磁波极化方向改变时，整个传输曲线基本保持不变，即本发明太赫兹器件对入射波极化方向不敏感。
图4显示了超材料的传输特性随费米能级的变化情况。从图中可以看到，当费米能级从0.80eV逐步增加到1.0eV时，在低于1.7THz与高于1.9THz的频率范围，传输曲线几乎重合，说明费米能级的改变对透明窗口外的传输情况并无影响，而电磁诱导透明窗口附近的谐振发生了明显改变：传输峰值逐渐增大，传输峰的位置逐渐向高频移动，电磁诱导透明窗口越来越明显。
进一步考虑本发明太赫兹器件的慢光功能：从图5中可以看出，在电磁诱导透明窗口附近能产生较大的群延时，即出现慢光效应。当Φ增大时，群延时曲线基本保持不变，说明入射波透过超材料的群延时不受极化角度的影响，即慢光效应也具有极化不敏感特性。
如图6所示，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的群延时，达到对慢光效应调节的目的。例如，在1.78THz处，EF＝0.85eV时，群延时的大小为3.2ps；EF＝1.0ps时，群延时的大小为-7.8ps，即从慢光效应变为快光效应。而在1.84THz处，EF＝0.85eV时，群延时的大小为-8.6ps；EF＝1.0ps时，群延时的大小为4.6ps，即从快光效应变为慢光效应。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件，其特征在于：所述器件由衬底、石墨烯层、金属层和金属电极构成；所述衬底包括硅层和覆盖在硅层上面的二氧化硅层；
所述石墨烯层覆盖在二氧化硅层上表面，且所述石墨烯层由周期性排列的石墨烯方框结构组成；
所述金属层覆盖在二氧化硅层上表面，且所述金属层由周期性排列的十字型金属单元结构组成；所述十字型金属单元结构与石墨烯方框结构一一对应，且所述十字型金属单元结构位于石墨烯方框结构内部，所述十字型金属单元结构与所述方框各边不连接，所述十字型金属单元结构的中心与石墨烯方框结构的中心重合；
所述金属电极的一个电极设置在石墨烯层的边缘，并与石墨烯层连接，另一个电极设置在硅层边缘，且与硅层连接。
2.如权利要求1所述的一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件，其特征在于：所述金属层的厚度、金属电极的厚度均不小于50nm。
3.如权利要求1所述的一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件，其特征在于：该太赫兹器件虚拟的划分为周期性的正方形单元，每个正方形单元周期长度即正方形边长为120μm，每个单元内十字型金属单元结构的每条金属长度为56μm、宽度为5μm。
4.如权利要求1所述的一种极化不敏感的可调电磁诱导透明太赫兹器件，其特征在于：所述二氧化硅层的厚度为100nm，所述硅层的厚度为1μm。
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