CN110752421B - 一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关 - Google Patents

一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关。它包括硅基底、金属阵列结构、无机钙钛矿层；硅基底位于底层，金属阵列结构在硅基底上层，金属阵列结构的每个单元由U型金属条带和对称L型金属条带组成，其在二维中是周期性的，每个单元结构中的U型金属条带和对称L型金属条带形成的3个缺口处填充一定尺寸的无机钙钛矿，太赫兹波在金属阵列结构上方从几何中心处垂直输入，在金属阵列层左右两侧设有一个偏置直流电压源，调节外加偏置直流电压源的电压会改变无机钙钛矿电导率，实现不同外加电场时控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。本发明具有结构简单紧凑，控制带宽较宽，响应速度快，尺寸小，便于加工等优点。

Description

一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关
技术领域
本发明涉及太赫兹波开关，尤其涉及一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关。
背景技术
太赫兹一般指的是频率为0.1～10THz的电磁波，其频率范围位于电子学和光子学的交叉区域，它的低频段有一部分与毫米波重叠，它的高频段有一部分与红外波段重叠。在电磁波谱中，太赫兹波处于一个特殊的频段位置，有着许多毫米波和红外波段所不具备的性质，从而使得太赫兹技术在多方面具有十分重要的研究价值，也因此有着广阔的应用前景，受到了世界各国政府和科研机构的关注。然而，受限于高灵敏度的探测器和高效的太赫兹源，长久以来人们对于这一频段的研究数据和成果都较为稀少，使得太赫兹波段的发展一直落后于其它波段。随着技术的进步特别是半导体技术和光电子技术的发展，太赫兹技术在近些年来得到了较大的发展。
太赫兹波开关是太赫兹系统中一个重要的功能器件，太赫兹开关其性能对所应用系统的最终性能具有重大影响。可以说，太赫兹开关性能的好坏对整个太赫兹系统正常的运行起到决定性作用，因此太赫兹开关一直是当前国内外科研人员的研究热点和难题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关。本发明的技术方案如下：
一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关，其包括硅基底、金属阵结构、无机钙钛矿层；硅基底位于底层，金属阵结构平铺于硅基底上表面，金属阵结构在二维平面上以行阵列的形式周期性排列，其中每个行阵列包含若干个线性排布的结构单元；每个结构单元由一条U型金属条带和两条L型金属条带组成，呈镜像对称，其中两条L型金属条带以背对背的形式布置，两条L型金属条带的垂直段平行且保持间隔，形成第一缺口，两条L型金属条带的水平段向相反方向延伸，U型金属条带的开口朝向两条L型金属条带，且U型金属条带两侧的垂直段与两条L 型金属条带的水平段之间分别保持间隔，形成第二缺口和第三缺口；所述第一缺口、第二缺口和第三缺口处分别由无机钙钛矿进行填充衔接；同一行阵列中相邻两个结构单元的L型金属条带串联；在金属阵结构左右两侧设有一个偏置直流电压源，每个行阵列中位于两侧的L型金属条带分别连接偏置直流电压源的两极；太赫兹波在金属阵结构上方从几何中心处垂直输入，调节外加偏置直流电压源的电压会改变无机钙钛矿电导率，实现不同外加电场时控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。
上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式：
所述的硅基底的电阻率大于10000Ωcm，厚度为500μm。所述的金属阵结构单元结构中，U型金属条带的水平段外边长为72～80μm，两侧垂直段外边长均为 72～80μm，条带宽度为4～5μm，厚度为200nm。所述的金属阵结构中，L型金属条带的水平段外边长为65～70μm，垂直段外边长为30～35μm，条带宽度为4～5μm，厚度为200nm。所述的三个缺口处的无机钙钛矿厚度均为150nm～200nm，长度均为4～5μm，宽度均为4～5μm。
本发明的基于无机钙钛矿太赫兹波开关具有结构简单紧凑，控制带宽较宽，响应速度快，尺寸小，便于加工等优点，可用于太赫兹波开关控制。
附图说明
图1是一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关整体结构俯视图；
图2是一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关的结构单元三维示意图；
图3是一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关电控测试曲线图；
图4是一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关电控能量测试对比图；
具体实施方式
如图1所示，一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关，其包括硅基底1、金属阵结构2、无机钙钛矿3。硅基底1位于底层，金属阵结构2平铺于硅基底1上表面，金属阵结构2在二维平面上以行阵列的形式周期性排列，其中每个行阵列包含若干个线性排布且相连的结构单元。相邻的行阵列之间上下保持一定的间距，不直接接触，因此所有行阵列在平面上形成矩阵形式。矩阵中行列的具体数目可根据整个开关的大小进行调整。如图2所示，每个结构单元由一条U型金属条带4和两条L型金属条带5组成，呈镜像对称，其中每条L型金属条带5 由相互垂直的水平段和垂直段连接而成(需要注意的是，本发明中为了方便描述，水平、垂直、上、下、左、右均以图1为准，下同)。两条L型金属条带5以背对背的形式布置，两条L型金属条带5的垂直段平行且保持间隔，间隔处形成第一缺口，两条L型金属条带5的水平段向相反方向延伸，U型金属条带4 的开口朝下，即朝向两条L型金属条带5，将其垂直段包裹在内，且U型金属条带4两侧的垂直段与两条L型金属条带5的水平段之间分别保持间隔，间隔位置形成第二缺口和第三缺口。整个结构单元以两条L型金属条带5的垂直段之间的间隙中线为中心，左右镜像对称。每个结构单元中，第一缺口、第二缺口和第三缺口处分别由无机钙钛矿3进行填充，衔接缺口两侧的金属条带。同一行阵列中，相邻两个结构单元的L型金属条带5串联，即左侧的结构单元中右侧的L 型金属条带与右侧的结构单元中左侧的L型金属条带相连。在金属阵结构2左右两侧设有一个偏置直流电压源，每个行阵列中位于最两侧的L型金属条带5 分别连接偏置直流电压源的两极。太赫兹波在金属阵结构2上方从金属阵结构2的几何中心处垂直输入，调节外加偏置直流电压源的电压会改变各缺口处无机钙钛矿电导率，实现不同外加电场时控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。
各部件的具体材料和参数如下：所述的硅基底1的电阻率大于10000Ωcm，厚度为500μm。所述金属阵结构2的结构单元中，U型金属条带4的水平段外边长(也就是上边长)为72～80μm，两侧垂直段外边长(也就是左边长和右边长) 均为72～80μm，条带宽度为4～5μm，厚度为200nm。所述金属阵结构2的结构单元中，L型金属条带5的水平段外边长(也就是底边长)为65～70μm，垂直段外边长(也就是两垂直段朝向间隔一侧的边长)为30～35μm，条带宽度为4～5μm，厚度为200nm。所述的三个缺口处的无机钙钛矿3厚度均为150nm～200nm，长度均为4～5μm，宽度均为4～5μm。
实施例1
本实施例中，基于无机钙钛矿太赫兹波开关的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：
所述的硅基底的电阻率大于10000Ωcm，厚度为500μm。所述金属阵结构的结构单元中，U型金属条带的水平段外边长(也就是上边长)为80μm，两侧垂直段外边长(也就是左边长和右边长)均为80μm，条带宽度为5μm，厚度为 200nm。所述金属阵结构的结构单元中，L型金属条带的水平段外边长(也就是底边长)为70μm，垂直段外边长(也就是两垂直段面向缺口一侧的边长)为35μm，条带宽度为5μm，厚度为200nm。所述的三个缺口处间隔均为5μm，各缺口处的无机钙钛矿厚度均为200nm，长度均为5μm，宽度均为5μm。太赫兹波在金属阵列结构上方从几何中心处垂直输入，在金属阵列层左右两侧设有一个偏置直流电压源，调节外加偏置直流电压源的电压会改变无机钙钛矿电导率，实现不同外加电场时控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。
图3为基于无机钙钛矿太赫兹波开关的传输曲线，可以看到，在频率为 0.6THz处，偏置电压为0V时，透射率为80％左右，开关处于“开”状态，调节偏置电压至15V时，透射率降低至10％左右，开关处于“关”状态。图4为基于无机钙钛矿太赫兹波开关在外加偏置电压下能量测试对比图。从图中可以看到在电压为0V时，太赫兹波能量80％传输，此时为“开”状态，随着电压增加至 15V，太赫兹波能量几乎无法透过开关传输，这时太赫兹波传输能量接近于零，为“关”状态。该结构很好实现了太赫兹波开关功能。

Claims (5)

1.一种基于无机钙钛矿太赫兹波开关，其特征在于，包括硅基底(1)、金属阵结构(2)、无机钙钛矿(3)；硅基底(1)位于底层，金属阵结构(2)平铺于硅基底(1)上表面，金属阵结构(2)在二维平面上以行阵列的形式周期性排列，其中每个行阵列包含若干个线性排布的结构单元；每个结构单元由一条U型金属条带(4)和两条L型金属条带(5)组成，呈镜像对称，其中两条L型金属条带(5)以背对背的形式布置，两条L型金属条带(5)的垂直段平行且保持间隔，形成第一缺口，两条L型金属条带(5)的水平段向相反方向延伸，U型金属条带(4)的开口朝向两条L型金属条带(5)，且U型金属条带(4)两侧的垂直段与两条L型金属条带(5)的水平段之间分别保持间隔，形成第二缺口和第三缺口；所述第一缺口、第二缺口和第三缺口处分别由无机钙钛矿(3)进行填充衔接；同一行阵列中相邻两个结构单元的L型金属条带(5)串联；在金属阵结构(2)左右两侧设有一个偏置直流电压源，每个行阵列中位于两侧的L型金属条带(5)分别连接偏置直流电压源的两极；太赫兹波在金属阵结构(2)上方从几何中心处垂直输入，调节外加偏置直流电压源的电压会改变无机钙钛矿电导率，实现不同外加电场时控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。
2.如权利要求1所述的基于无机钙钛矿太赫兹波开关，其特征在于，所述的硅基底(1)的电阻率大于10000Ωcm，厚度为500μm。
3.如权利要求1所述的基于无机钙钛矿太赫兹波开关，其特征在于，所述的金属阵结构(2)中，U型金属条带(4)的水平段外边长为72～80μm，两侧垂直段外边长均为72～80μm，条带宽度为4～5μm，厚度为200nm。
4.如权利要求1所述的基于无机钙钛矿太赫兹波开关，其特征在于，所述的金属阵结构(2)中，L型金属条带(5)的水平段外边长为65～70μm，垂直段外边长为30～35μm，条带宽度为4～5μm，厚度为200nm。
5.如权利要求1所述的基于无机钙钛矿太赫兹波开关，其特征在于，所述的三个缺口处的无机钙钛矿(3)厚度均为150nm～200nm，长度均为4～5μm，宽度均为4～5μm。
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