CN110473957A - 一种基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件及其制备方法 - Google Patents

一种基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件及其制备方法 Download PDF

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Abstract

基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件及其制备方法，它涉及微电子技术和太赫兹超材料功能器件领域。它要解决现有太赫兹环偶极子超材料存在结构和制备工艺复杂、调控方法复杂、功能单一和应用范围窄的问题。器件：包括带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底，周期性排列的单元结构，以及与周期性排列的单元结构并列且总厚度相同的第一金属栅电极和第二金属栅电极。方法：硅片预处理；制备图形化石墨烯；制备图形化金属；制备电极；制备聚酰亚胺层；制备图形化石墨烯和图形化金属。本发明器件结构及工艺简单，应用条件简便、所需能量低，易于控制，工作模式可自由切换。本发明应用于微电子技术和太赫兹超材料功能器件领域。

Description

一种基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极 子超材料器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子技术和太赫兹超材料功能器件领域。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz的电磁波谱，处于电子学与光子学的交叉领域，是人类最后一个尚未完全开发的电磁波段，但由于其具有独特的性质，如高透射性、宽带性、低能量等，使太赫兹波在大容量通讯、安全检查、生物成像等领域具有重要的研究意义和潜在的应用价值。因此，这些区别于其他波段的特殊性质和价值足以吸引人类对太赫兹波进行更深层次地探索和开发。
在经典电动力学中，为了方便研究空间局部范围的电荷-电流分布体系激发的远场而引入电多极子和磁多极子这两大多极子系统。这两大系统是研究中最普遍的探测系统，但事实上自然界还存在区别于电多极子系统和磁多极子系统的第三类电磁系统-环形多极子系统，其中环偶极子是环形多极子系统中应用最广泛的电磁激励。环偶极子的概念是Zel’dovich于1957年的核物理研究中提出，其电磁响应与传统的偶极子电磁响应特性不同，它不遵守宇称守恒定律而具有非辐射特性；环偶极子是由电场卷积作用产生，在没有电磁场时产生振荡矢量势和传播向量势；另外，环偶极子可产生哈罗诺夫-玻姆效应且违反了空间倒置和时间逆转的对称性，具有光学特性和各向异性也具有很强的模式转化特性和旋光特性等特性。但由于环偶极子对入射波响应很弱，导致在大多数情况下其电磁响应非常微弱，通常被响应较强的电偶极子或磁偶极子掩盖。因此很长一段时间内人类也忽视了对环偶极子的研究。直到超材料的出现，环偶极子的研究才受到人们广泛的关注。超材料是一种人工设计的周期性排列结构单元，通过合理地设计结构单元的几何形状、大小及排列方式，可实现自然材料不具备的超常电磁特性。然而，早期研究已经实现了在太赫兹波段产生环偶极子响应的三维立体超材料结构设计，却因制备工艺流程繁琐和制造成本高昂很能难实现大规模批量制作，严重阻碍了环偶极子的实际应用。
目前，经过研究者们不断探索和研究，通过在超材料中集成活性材料，已经开发出可实现三种偶极子模式互相转换的平面太赫兹超材料。例如，对于超导体活性材料，通过改变活性材料的工作温度，可在不同温度环境下实现偶极子模式相互转换；对于半导体活性材料，利用泵浦光激励半导体产生光生载流子，通过改变半导体材料的电导率可实现偶极子模式之间的相互转换；或利用MEMS系统中的平面或非平面重构方法也可实现偶极子模式的转换。虽然上述方法都能够对太赫兹超材料工作模式进行转换，但这些方法都存在一定的局限性和不可控性：对于活性材料如超导需要在超低温的条件下才能够实现，其苛刻的转换条件限制了实际应用；对于半导体光泵浦外部激励方式，不但无法准确控制激励光的功率和半导体内载流子浓度，而且需在超材料外部加装泵浦光装置，对实际应用和精确调控有一定的限制；MEMS工艺由于工艺复杂流程、制备成本高且可靠性低，对未来大规模生产具有限制性和不适用性。因此寻找一种结构简单，制备工艺流程简便、调控效果好的材料以及调控方式简单灵活正是本发明需要解决的问题。
发明内容
本发明目的是为了解决现有太赫兹环偶极子超材料存在结构和制备工艺复杂、调控方法复杂、功能单一和应用范围窄的问题，而提供一种基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件及其制备方法。
基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件，它包括带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底，周期性排列的单元结构，以及与周期性排列的单元结构并列且总厚度相同的第一金属栅电极和第二金属栅电极；所述周期性排列的单元结构位于带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底上部；所述周期性排列的单元结构自上而下包括三层，分别为第一图形化金属和石墨烯结构、聚酰亚胺层与第二图形化金属和石墨烯结构；所述第一图形化金属和石墨烯结构中图形化金属和石墨烯是由两个呈中心轴对称的双开口金属谐振环以及在双开口处贯穿集成图形化石墨烯带构成；所述第一金属栅电极和第二金属栅电极分别与贯穿双开口金属谐振环的两条石墨烯带相连接；
所述的第二图形化金属和石墨烯结构中图形化金属和石墨烯与第一图形化金属和石墨烯结构中图形化金属和石墨烯相同；
所述金属谐振环的金属为Au、Cu或Al；
所述周期性排列的单元结构的长度为160μm、宽度为80μm；
所述两个呈中心轴对称的双开口金属谐振环的间隙为15μm；
所述每一个双开口金属谐振环的开口位于非中心位置呈水平对称分布，双开口金属谐振环的边长为60μm，金属宽度为6μm，开口宽度为6μm；
所述在双开口处贯穿集成图形化石墨烯带的长度为80μm，宽度为6μm；
所述第一图形化金属和石墨烯结构中金属的厚度为0.2μm，石墨烯的厚度为0.34nm；聚酰亚胺层的厚度为2μm；第二图形化金属和石墨烯结构中金属的厚度为0.2μm，石墨烯的厚度为0.34nm；低掺杂高阻硅衬底的厚度为500μm。
上述基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件的制备方法，按以下步骤实现：
一、将带有300nm厚二氧化硅层的低掺杂高阻硅片，放入丙酮溶液中超声处理15分钟，再放入无水乙醇中超声处理15分钟，最后放在加热板上，110℃下加热10分钟，得到预处理过的硅片；
二、将石墨烯转移到上述预处理过的硅片上，然后利用机械旋涂法在石墨烯表面上旋涂厚度为1.4μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得石墨烯带的光刻胶掩膜，然后进行氧等离子刻蚀，刻蚀掉没有被光刻胶掩膜的石墨烯，再将硅片于丙酮溶液中浸泡24小时去除硅片上光刻胶掩膜，去离子水清洗3次后吹干，获得图形化石墨烯带结构；
三、利用机械旋涂法在上述图形化石墨烯带结构上旋涂厚度为1.4μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得制备双开口金属谐振环的光刻胶掩膜，然后利用材料生长工艺在双开口金属谐振环的光刻胶掩膜上淀积金属，再置于丙酮溶液中浸泡24小时剥离金属和去除光刻胶，去离子水清洗3次后吹干，获得图形化金属结构；
四、利用机械旋涂法在上述图形化金属结构上旋涂厚度为2μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得制备第一金属栅电极和第二金属栅电极的光刻胶掩膜，然后利用材料生长工艺在第一金属栅电极和第二金属栅电极的光刻胶掩膜上淀积金属，再置于丙酮溶液中浸泡24小时剥离金属和去除光刻胶，去离子水清洗3次后吹干，获得2μm厚的第一金属栅电极和第二金属栅电极；
五、利用机械旋涂法在步骤三制备所得图形化金属结构上旋涂聚酰亚胺溶液并凝固成膜，获得聚酰亚胺层；
六、将石墨烯转移到上述聚酰亚胺层上，然后利用步骤二和步骤三中所述方法制作图形化石墨烯结构和图形化金属结构，即完成基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件的制备；
其中步骤二中所得图形化石墨烯结构，其长度为80μm，宽度为6μm；
步骤三中沉积的金属为Au、Cu或Al；
步骤三中图形化金属结构为两个呈中心轴对称的双开口金属谐振环，其间隙为15μm，所述每一个双开口金属谐振环的开口位于非中心位置呈水平对称分布，双开口金属谐振环的边长为60μm，金属宽度为6μm，开口宽度为6μm。
本发明具有如下优点和有益效果：
1.与传统单层环偶极子超材料相比，本发明所采用双层结构的环偶极子超材料可进一步增强入射太赫兹波与超材料结构的相互耦合以及超材料结构层之间电磁场耦合，可更有效地抑制电偶极子和磁偶极子响应，从而能容易实现环偶极子响应；
2.传统的太赫兹环偶极子超材料是基于周期性排列的图形化的金属结构，由于金属电导率固定不变，金属结构单元的结构参数一旦固定，所对应的谐振点与谐振方式也被固定，导致其工作频率与特性被固定，不能进行调谐；本发明一种基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料，将石墨烯带贯穿两双开口金属谐振环结构的双开口处，通过静电掺杂调节石墨烯的费米能，从而调谐石墨烯的电导率，实现对太赫兹环偶极子响应动态调谐；
3.由于传统光泵浦激励和热激励方式只能对整体结构进行全局调控，而不能实现局部调控；本发明一种基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件采用两栅电极结构，通过性选择性地在栅电极和衬底之间加载电压，可对石墨烯选择性掺杂实现局部控制，从而可选择性动态调控太赫兹环偶极子响应；
4.由于本发明一种基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件采用两栅电极结构，通过选择性控制两栅电极与衬底间电压大小可灵活调谐两石墨烯带的费米能，可实现环偶极子与电偶极子或磁偶极子之间自由转换，即当两栅电极加载足够高的电压时，可实现环偶谐振与电偶谐振之间的模式转换，当两电极中一栅电极加载足够高的电压而另一栅电极不加载电压时，可实现环偶谐振与磁偶谐振之间的模式转换，所以可实现各种多功能器件的转换；
5.本发明所采用的石墨烯材料具有零带隙能带特点，通过静电掺杂改变石墨烯带的电导率，可灵活调控环偶极子响应，且偶极子模式转换效果好；与热激励超导材料或液晶材料、光泵浦半导体以及MEMS重构等调控方式相比，本发明所采用的材料和激励方式不涉及复杂的设备，调控方式简单、灵活方便、易于控制、可靠性高、制备工艺简单成熟和成本低，从而增强了器件的实用性。
本发明应用条件简便，所需能量低，易于控制，功能多和应用范围广。
本发明应用于微电子技术和太赫兹超材料功能器件领域。
附图说明
图1为实施例中基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件的整体结构示意图，其中5表示第一金属栅电极，6表示第二金属栅电极；
图2为实施例中基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件中图形化金属和石墨烯结构的示意图；
图3为实施例中基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件中周期性排列的单元结构的侧视图，其中1表示第一图形化金属和石墨烯结构，2表示聚酰亚胺层，3表示第二图形化金属和石墨烯结构，4表示低掺杂的高阻硅衬底，5表示第一金属栅电极，6表示第二金属栅电极；
图4为实施例中石墨烯1和石墨烯2的费米能同时从0eV增加到1eV的传输曲线变化图，其中1表示0-0eV，2表示0.2-0.2eV，3表示0.4-0.4eV，4表示0.6-0.6eV，5表示0.8-0.8eV，6表示1-1eV；
图5为实施例中石墨烯带的费米能为0eV时，在0.395THz处超材料表面的电流分布图；
图6为实施例中石墨烯带的费米能为0eV时，在0.395THz处超材料截面的磁场分布示意图；
图7为实施例中环偶极子模式示意图；
图8为实施例中石墨烯带的费米能为1eV时，在0.395THz超材料表面的电流分布示意图；
图9为实施例中电偶极子模式示意图；
图10为实施例中磁偶极子模式示意图；
图11为实施例中石墨烯1的费米能一直保持为0eV，石墨烯2的费米能从0eV增加到1eV时的传输曲线图，其中1表示0-0.05eV，2表示0-0.1eV，3表示0-0.2eV，4表示0-0.3eV，5表示0-0.5eV，6表示0-0.75eV，7表示0-1eV；
图12为实施例中石墨烯1和石墨烯2的费米能都为0eV时，在0.375THz处超材料的表面电流分布示意图；
图13为实施例中石墨烯1和石墨烯2的费米能都为0eV时,在0.375THz处超材料截面的磁场分布示意图；
图14为实施例中石墨烯1的费米能为0eV和石墨烯2的费米能为1eV时，在0.398THz处超材料的表面电流分布示意图；
图15为实施例中石墨烯1的费米能为0eV和石墨烯2的费米能为1eV时，在0.398THz处超材料截面的磁场分布示意图。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件，它包括带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底4，周期性排列的单元结构，以及与周期性排列的单元结构并列且总厚度相同的第一金属栅电极5和第二金属栅电极6；所述周期性排列的单元结构位于带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底4上部；所述周期性排列的单元结构自上而下包括三层，分别为第一图形化金属和石墨烯结构1、聚酰亚胺层2与第二图形化金属和石墨烯结构3；所述第一图形化金属和石墨烯结构1中图形化金属和石墨烯是由两个呈中心轴对称的双开口金属谐振环以及在双开口处贯穿集成图形化石墨烯带构成；所述第一金属栅电极5和第二金属栅电极6分别与贯穿双开口金属谐振环的两条石墨烯带相连接。
本实施方式中所述的第二图形化金属和石墨烯结构3中图形化金属和石墨烯与第一图形化金属和石墨烯结构1中图形化金属和石墨烯相同。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述金属谐振环的金属为Au、Cu或Al。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述周期性排列的单元结构的长度为160μm、宽度为80μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述两个呈中心轴对称的双开口金属谐振环的间隙为15μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述每一个双开口金属谐振环的开口位于非中心位置呈水平对称分布，双开口金属谐振环的边长为60μm，金属宽度为6μm，开口宽度为6μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述在双开口处贯穿集成图形化石墨烯带的长度为80μm，宽度为6μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述第一图形化金属和石墨烯结构1中金属的厚度为0.2μm，石墨烯的厚度为0.34nm；聚酰亚胺层2的厚度为2μm；第二图形化金属和石墨烯结构3中金属的厚度为0.2μm，石墨烯的厚度为0.34nm；带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底4的厚度为500μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件的制备方法，按以下步骤实现：
一、将带有300nm厚二氧化硅层的低掺杂高阻硅片，放入丙酮溶液中超声处理15分钟，再放入无水乙醇中超声处理15分钟，最后放在加热板上，110℃下加热10分钟，得到预处理过的硅片；
二、将石墨烯转移到上述预处理过的硅片上，然后利用机械旋涂法在石墨烯表面上旋涂厚度为1.4μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得石墨烯带的光刻胶掩膜，然后进行氧等离子刻蚀，刻蚀掉没有被光刻胶掩膜的石墨烯，再将硅片于丙酮溶液中浸泡24小时去除硅片上光刻胶掩膜，去离子水清洗3次后吹干，获得图形化石墨烯带结构；
三、利用机械旋涂法在上述图形化石墨烯带结构上旋涂厚度为1.4μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得制备双开口金属谐振环的光刻胶掩膜，然后利用材料生长工艺在双开口金属谐振环的光刻胶掩膜上淀积金属，再置于丙酮溶液中浸泡24小时剥离金属和去除光刻胶，去离子水清洗3次后吹干，获得图形化金属结构；
四、利用机械旋涂法在上述图形化金属结构上旋涂厚度为2.5μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得制备第一金属栅电极5和第二金属栅电极6的光刻胶掩膜，然后利用材料生长工艺在第一金属栅电极5和第二金属栅电极6的光刻胶掩膜上淀积金属，再置于丙酮溶液中浸泡24小时剥离金属和去除光刻胶，去离子水清洗3次后吹干，获得2.5μm厚的第一金属栅电极和第二金属栅电极；
五、利用机械旋涂法在步骤三制备所得图形化金属结构上旋涂聚酰亚胺溶液并凝固成膜，获得聚酰亚胺层；
六、将石墨烯转移到上述聚酰亚胺层上，然后利用步骤二和步骤三中所述方法制作图形化石墨烯结构和图形化金属结构，即完成基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件的制备。
本实施方式步骤一中带有300nm厚二氧化硅层的低掺杂高阻硅片的厚度为500μm。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是，步骤二中所述将石墨烯转移到上述预处理过的硅片上的过程如下：利用机械旋涂法将PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)溶液旋涂到生长在铜箔上的石墨烯表面，以500r/min的转速预转20秒，然后以3000r/min的转速转100秒，再以500r/min的转速转20秒，然后放置在烘干台上，120℃下烘干15分钟，获得带有聚甲基丙烯酸甲酯膜的铜箔；放入氧等离子刻蚀机中对背面的铜箔上的石墨烯进行刻蚀，其功率为90％，时间为30秒，压强为0.2；再将处理过的铜箔放入氯化铁饱和溶液中浸泡4小时，将铜全部刻蚀掉；当仅剩石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯漂浮在溶液中时用去离子水反复置换4-5次，将氯化铁全部置换；最后预处理过的硅片将带有聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯从溶液中捞出，烘干后放入丙酮溶液中浸泡9小时去除PMMA，去离子水清洗3次，即完成石墨烯转移到预处理过的硅片上。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八不同的是，步骤二和步骤三中曝光、显影和定影的过程如下：利用汞灯曝光18秒，然后静置于空气中，让光刻胶反应5分钟；上述反应完成后再置于显影液中反应13秒，然后洗去多余的光刻胶，再放入去离子水中清洗显影液和定影，最后吹干。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式八不同的是，步骤二、步骤三和步骤四中所述光刻胶均为SU-8光刻胶、PMMA光刻胶或AZ光刻胶。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式八不同的是，步骤二中所得图形化石墨烯结构，其长度为80μm，宽度为6μm。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式八不同的是，步骤三和步骤四中沉积的金属均为Au、Cu或Al。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式八不同的是，步骤三中图形化金属结构为两个呈中心轴对称的双开口金属谐振环，其间隙为15μm，所述每一个双开口金属谐振环的开口位于非中心位置呈水平对称分布，双开口金属谐振环的边长为60μm，金属宽度为6μm，开口宽度为6μm。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式八不同的是，步骤五中所述旋涂聚酰亚胺溶液并凝固成膜过程如下：以500r/min的转速预转20秒，然后以3000r/min的转速转100秒，再以500r/min的转速转20秒，然后放置在烘干台上，120℃下烘干15分钟。其它步骤及参数与具体实施方式八相同。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例：
基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件的制备方法，按以下步骤实现：
一、将带有300nm厚二氧化硅层的低掺杂高阻硅片，放入丙酮溶液中超声处理15分钟，再放入无水乙醇中超声处理15分钟，最后放在加热板上，110℃下加热10分钟，得到预处理过的硅片；
二、将石墨烯转移到上述预处理过的硅片上，然后利用机械旋涂法在石墨烯表面上旋涂厚度为1.4μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得石墨烯带的光刻胶掩膜，然后进行氧等离子刻蚀，刻蚀掉没有被光刻胶掩膜的石墨烯，再将硅片于丙酮溶液中浸泡24小时去除硅片上光刻胶掩膜，去离子水清洗3次后吹干，获得图形化石墨烯带结构；
三、利用机械旋涂法在上述图形化石墨烯带结构上旋涂厚度为1.4μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得制备双开口金属谐振环的光刻胶掩膜，然后利用材料生长工艺在双开口金属谐振环的光刻胶掩膜上淀积金属，再置于丙酮溶液中浸泡24小时剥离金属和去除光刻胶，去离子水清洗3次后吹干，获得图形化金属结构；
四、利用机械旋涂法在上述图形化金属结构上旋涂厚度为2.5μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得制备第一金属栅电极5和第二金属栅电极6的光刻胶掩膜，然后利用材料生长工艺在第一金属栅电极5和第二金属栅电极6的光刻胶掩膜上淀积金属，再置于丙酮溶液中浸泡24小时剥离金属和去除光刻胶，去离子水清洗3次后吹干，获得2.5μm厚的第一金属栅电极和第二金属栅电极；
五、利用机械旋涂法在步骤三制备所得图形化金属结构上旋涂聚酰亚胺溶液并凝固成膜，获得聚酰亚胺层；
六、将石墨烯转移到上述聚酰亚胺层上，然后利用步骤二和步骤三中所述方法制作图形化石墨烯结构和图形化金属结构，即完成基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件的制备。
步骤一中带有300nm厚二氧化硅层的低掺杂高阻硅片的厚度为500μm。
步骤二中所述将石墨烯转移到上述预处理过的硅片上的过程如下：利用机械旋涂法将PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)溶液旋涂到生长在铜箔上的石墨烯表面，以500r/min的转速预转20秒，然后以3000r/min的转速转100秒，再以500r/min的转速转20秒，然后放置在烘干台上，120℃下烘干15分钟，获得带有聚甲基丙烯酸甲酯膜的铜箔；放入氧等离子刻蚀机中对背面的铜箔上的石墨烯进行刻蚀，其功率为90％，时间为30秒，压强为0.2；再将处理过的铜箔放入氯化铁饱和溶液中浸泡4小时，将铜全部刻蚀掉；当仅剩石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯漂浮在溶液中时用去离子水反复置换4-5次，将氯化铁全部置换；最后预处理过的硅片将带有聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯从溶液中捞出，烘干后放入丙酮溶液中浸泡9小时去除PMMA，去离子水清洗3次，即完成石墨烯转移到预处理过的硅片上；
步骤二和步骤三中曝光、显影和定影的过程如下：利用汞灯曝光18秒，然后静置于空气中，让光刻胶反应5分钟；上述反应完成后再置于显影液中反应13秒，然后洗去多余的光刻胶，再放入去离子水中清洗显影液和定影，最后吹干；
步骤二、步骤三和步骤四中所述光刻胶均为SU-8光刻胶；
步骤二中所得图形化石墨烯结构，其长度为80μm，宽度为6μm；
步骤三和步骤四中沉积的金属均为Au；
步骤三中图形化金属结构为两个呈中心轴对称的双开口金属谐振环，其间隙为15μm，所述每一个双开口金属谐振环的开口位于非中心位置呈水平对称分布，双开口金属谐振环的边长为60μm，金属宽度为6μm，开口宽度为6μm；
步骤五中所述旋涂聚酰亚胺溶液并凝固成膜过程如下：以500r/min的转速预转20秒，然后以3000r/min的转速转100秒，再以500r/min的转速转20秒，然后放置在烘干台上，120℃下烘干15分钟。
本实施例中制备所得基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控环偶极子太赫兹超材料器件，由图1、图2和图3中可见，包括带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底4，周期性排列的单元结构，以及与周期性排列的单元结构并列且总厚度相同的第一金属栅电极5和第二金属栅电极6；所述周期性排列的单元结构位于带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底4上部；所述周期性排列的单元结构自上而下包括三层，分别为第一图形化金属和石墨烯结构1、聚酰亚胺层2与第二图形化金属和石墨烯结构3；所述第一图形化金属和石墨烯结构1中图形化金属和石墨烯是由两个呈中心轴对称的双开口金属谐振环以及在双开口处贯穿集成图形化石墨烯带构成；所述第一金属栅电极5和第二金属栅电极6分别与贯穿双开口金属谐振环的两条石墨烯带相连接；所述周期性排列的单元结构的长度为160μm、宽度为80μm；所述第一图形化金属和石墨烯结构1中金属的厚度为0.2μm，石墨烯的厚度为0.34nm；聚酰亚胺层2的厚度为2μm；第二图形化金属和石墨烯结构3中金属的厚度为0.2μm，石墨烯的厚度为0.34nm；带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底4的厚度为500μm。
本实施例中第一金属栅电极5和第二金属栅电极6与衬底之间加载电压(Vg1和Vg2)可静电掺杂调控石墨烯费米能，即通过两个电极的栅压可灵活地改变两个双开口金属谐振环表面电流，从而重构超材料的偶极子激励模式，使环偶极子模式向电偶极子模式和磁偶极子模式自由转换成为可能。
结合图2和图4，当第一金属栅电极5和第二金属栅电极6同时施加电压，使石墨烯1和石墨烯2的费米能同时从0eV增加到1eV，超材料传输曲线由0.395THz和0.922THz的双谐振峰变化到0.922THz的单谐振峰，即由环偶极子谐振模式变化到电偶极子谐振模式。
结合图5、图6和图7，在0.395THz处分别监控超材料表面电流和截面磁场。图5显示，由于太赫兹波的激励形成了两个相反方向的环形电流，根据右手定则谐振环会形成两个指向相反的磁场。结合图2和图6，形成的环形磁场被收敛在一个有限空间，完全具备环形偶极子的形成条件，所以超材料在0.395THz处形成了环偶极子激励模式。当将第一金属栅电极5和第二金属栅电极6都施加相同的栅电压，调节石墨烯1和石墨烯2的费米能，使其上升至1eV，结合图4，在0.395THz处的环偶极子谐振峰会逐渐消失，整体趋向于电偶极子模式。当石墨烯费米能达到1eV时，环偶极子模式完全消失，整体谐振呈现电偶极子激励模式。结合图8，超材料单元结构在0.395THz处的表面电流呈现明显的电偶极子模式。因此，利用石墨烯静电掺杂的方法，使超材料偶极子模式发生转换成为可能。
同理，这种环偶极子动态转换的太赫兹石墨烯超材料也可以从环偶极子模式转换为磁偶极子模式，见图9和图10。结合图11，当只改变第一金属栅电极5(或第二金属栅电极6)的栅电压，超材料传输曲线谐振峰由0.398THz转换到0.375THz，当监控两个谐振频率的表面电流和磁场情况。结合图12和图13，超材料此时谐振呈现明显的的环偶极子模式。当施加电压将单侧石墨烯费米能增加，另一侧保持为0eV，见图14，图15，图14为监控0.375THz处的表面电流，超材料开口金属谐振环的表面电流形成方向一致的环形电流。图15为超材料的截面磁场，在0.375THz处形成了指向相同的磁场，形成典型的磁偶极子模式。因此说明当单侧石墨烯增加，这种环偶极子动态转换的太赫兹石墨烯超材料可由环偶极子激励模式向磁偶极子激励模式转换。
本实施例中采用平面石墨烯结构，利用掺杂的方法代替传统调谐方式实现了偶极子模式之间的转换。通过改变两侧电极的栅压同时调谐石墨烯费米能，实现了环偶极子模式向电偶极子模式的转换。改变单层电极栅压调谐单侧石墨烯费米能，实现了环偶极子模式向磁偶极子模式的转换。

Claims (10)

1.基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件，其特征在于：它包括带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底(4)，周期性排列的单元结构，以及与周期性排列的单元结构并列且总厚度相同的第一金属栅电极(5)和第二金属栅电极(6)；所述周期性排列的单元结构位于带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底(4)上部；所述周期性排列的单元结构自上而下包括三层，分别为第一图形化金属和石墨烯结构(1)、聚酰亚胺层(2)与第二图形化金属和石墨烯结构(3)；所述第一图形化金属和石墨烯结构(1)中图形化金属和石墨烯是由两个呈中心轴对称的双开口金属谐振环以及在双开口处贯穿集成图形化石墨烯带构成；所述第一金属栅电极(5)和第二金属栅电极(6)分别与贯穿双开口金属谐振环的两条石墨烯带相连接。
2.根据权利要求1所述的基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件，其特征在于所述金属谐振环的金属为Au、Cu或Al。
3.根据权利要求1所述的基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件，其特征在于所述周期性排列的单元结构的长度为160μm、宽度为80μm。
4.根据权利要求1所述的基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件，其特征在于所述两个呈中心轴对称的双开口金属谐振环的间隙为15μm。
5.根据权利要求1所述的基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件，其特征在于所述每一个双开口金属谐振环的开口位于非中心位置呈水平对称分布，双开口金属谐振环的边长为60μm，金属宽度为6μm，开口宽度为6μm。
6.根据权利要求1所述的基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件，其特征在于所述在双开口处贯穿集成图形化石墨烯带的长度为80μm，宽度为6μm。
7.根据权利要求1所述的基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件，其特征在于所述第一图形化金属和石墨烯结构(1)中金属的厚度为0.2μm，石墨烯的厚度为0.34nm；聚酰亚胺层(2)的厚度为2μm；第二图形化金属和石墨烯结构(3)中金属的厚度为0.2μm，石墨烯的厚度为0.34nm；带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底(4)的厚度为500μm。
8.制备如权利要求1所述基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件的方法，其特征在于它按以下步骤实现：
一、将带有300nm厚二氧化硅层的低掺杂高阻硅片，放入丙酮溶液中超声处理15分钟，再放入无水乙醇中超声处理15分钟，最后放在加热板上，110℃下加热10分钟，得到预处理过的硅片；
二、将石墨烯转移到上述预处理过的硅片上，然后利用机械旋涂法在石墨烯表面上旋涂厚度为1.4μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得石墨烯带的光刻胶掩膜，然后进行氧等离子刻蚀，刻蚀掉没有被光刻胶掩膜的石墨烯，再将硅片于丙酮溶液中浸泡24小时去除硅片上光刻胶掩膜，去离子水清洗3次后吹干，获得图形化石墨烯带结构；
三、利用机械旋涂法在上述图形化石墨烯带结构上旋涂厚度为1.4μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得制备双开口金属谐振环的光刻胶掩膜，然后利用材料生长工艺在双开口金属谐振环的光刻胶掩膜上淀积金属，再置于丙酮溶液中浸泡24小时剥离金属和去除光刻胶，去离子水清洗3次后吹干，获得图形化金属结构；
四、利用机械旋涂法在上述图形化金属结构上旋涂厚度为2.5μm的光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影，获得制备第一金属栅电极(5)和第二金属栅电极(6)的光刻胶掩膜，然后利用材料生长工艺在第一金属栅电极(5)和第二金属栅电极(6)的光刻胶掩膜上淀积金属，再置于丙酮溶液中浸泡24小时剥离金属和去除光刻胶，去离子水清洗3次后吹干，获得2.5μm厚的第一金属栅电极和第二金属栅电极；
五、利用机械旋涂法在步骤三制备所得图形化金属结构上旋涂聚酰亚胺溶液并凝固成膜，获得聚酰亚胺层；
六、将石墨烯转移到上述聚酰亚胺层上，然后利用步骤二和步骤三中所述方法制作图形化石墨烯结构和图形化金属结构，即完成基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件的制备。
9.根据权利要求8所述的基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件的制备方法，其特征在于步骤三和步骤四中沉积的金属均为Au、Cu或Al。
10.根据权利要求8所述的基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件的制备方法，其特征在于步骤二、步骤三和步骤四中所述光刻胶均为SU-8光刻胶、PMMA光刻胶或AZ光刻胶。
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