CN111796437A - 一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，通过基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波调制器进行实现，太赫兹波调制器包括聚合物柔性衬底、外延层、绝缘层和狄拉克半金属微结构，狄拉克半金属微结构上设置有金薄层和铬薄层，铬薄层设置在金薄层上，外延层设置在聚合物柔性衬底上，绝缘层设置在外延层上，狄拉克半金属微结构为太赫兹波调制器的有源区，设置在绝缘层上，狄拉克半金属微结构和外延层之间施加有外电压，改变对应的费米能级，从而调节共振谱线的波形。与现有技术相比，本发明具有提高幅值调制深度和频率调制深度、制作工艺更加简单、可行性更好等优点。

Description

一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法
技术领域
本发明涉及半导体光电材料与器件技术领域，尤其是涉及一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法。
背景技术
太赫兹(THz)波具有瞬态性、低能性和相干性，近年来在天文观测、无线高速及超宽带通讯和公共安全检测等众多领域展现了独特优势和广阔前景。例如，太赫兹波通讯具有良好的频带宽、保密性和传输速度快等优点，适合用于高速无线通讯，传输速率可以达到1-10Gb/s。实现对THz波特性(如频率、幅值、相位和极化方向)的有效操控对于促进THz技术的进一步发展非常重要和必要，是目前的研究热点和核心内容之一。但是由于波长较长，载流子的吸收也非常严重，很难找到对THz波产生强烈响应的介质材料，因此很难实现对太赫兹波的有效操控。
周期性超材料(MMs)为几种材料构成的人工复合结构材料，其性质和功能取决于结构单元的几何形状及空间分布，根据实际需求设计合适的超结构实现对入射THz波的调控。构成材质的电子结构是决定功能器件性能的关键因素之一，常见的超材料材质主要有金属、半导体(如InSb)、电介质(Si、SiO2、钛酸盐)、超导体(YBCO)、新型二维纳米材料(如石墨烯、黑磷、MoS2等过渡族硫化物)和拓扑材料。金属超材料易于加工设计，但是载流子浓度很高、损耗大及可调谐性能差，对结构参数非常敏感。硅和钛酸盐等全介质超材料的电磁共振强度较弱，器件厚度较高，不适合制作结构紧凑的频率选择表面，也难以兼顾调制速度和品质因子。
作为一种重要的拓扑材料，拓扑半金属(DSM)的导带底部和价带顶部有很小的重叠，对器件结构、介质环境和费米能级等因素很敏感。石墨烯的自旋轨道耦合不是太强，在狄拉克点附近打开的能隙很小，价带和导带近似接触，可以视为理想的二维狄拉克半金属。通过外加电场、磁场或者热激发等方式，石墨烯器件的光电性质可以从THz波到近红外光区域灵活调节。目前在整片石墨烯-金属小孔阵列结构基础上，对THz波段的异常透射效应进行研究，通过改变费米能级，透射谱线的幅值调制深度可以达到50％以上，近场THz波吸收提高7倍以上，调制速度约为几百MHz。在整片石墨烯-金属开口环复合微结构的基础上，采用光控和电控相结合的方法实现了对入射THz波有效操控，仅需1V的偏压，幅值调制深度即可达到60％以上。
但是受限于超薄结构特性，石墨烯等二维材料调制器件存在各向异性明显、易受外界电磁环境干扰和缺乏操控空间等缺点。相比于石墨烯等二维纳米材料，三维狄拉克半金属在三维动量空间中都具有零带隙和线性色散关系的电子结构体系，具备很多优异特性。首先由于受到晶体对称性结构的保护，狄拉克半金属表面没有过剩电子、散射损耗小，物理性质稳定，电子迁移率更高。例如砷化镉载流子迁移率高达9×106cm2 V-1S-1(5K)，优于其它常见半导体，大约是石墨烯的45倍。其次，三维狄拉克半金属突破了几何尺度的方面的束缚，厚度可以达到几百纳米到几个微米，实验工艺制备难度显著降低，与入射波的相互耦合也显著提高，具有很强的模式限制作用。更为重要的是，三维狄拉克半金属中的载流子浓度随费米能级显著改变，导致等效电容和电感的很大变化，有利于提高调制深度，实现对共振谱线频率、带宽和电磁耦合方式的高效动态调控。三维狄拉克半金属支持的表面等离子激元共振频率正好位于THz波段，非常适合用来研制高性能的可调谐器件。目前对THz波的动态调节特性进行了研究，结果表明三维狄拉克半金属微结构可以激发强烈的表面等离子激元共振模式，透射共振谱线的品质因子可以达到3.7左右，室温下载流子散射时间可以达到1皮秒，但是没有考虑费米能级改变对于共振谱线的影响，无法实现对THz波的电控调制。
中国专利201910281219.6和201910281948.1公开了基于狄拉克半金属多层结构中表面等离子激元和透射光栅结构，虽然也属于狄拉克半金属表面等离子激元器件，但侧重于THz辐射源的研制。
另外，品质因子(Q-factor)是共振峰的一个重要参数，表示了谱线的宽窄程度。目前THz波调节器件受到了金属超材料的欧姆损耗和介质超材料的辐射损耗的影响，提高品质因子非常困难。Fano共振效应具有典型的非对称窄带谱线，对周围介质的变化很敏感，非常适合研制高品质因子太赫兹波调制器件。在超材料结构体系中也可产生与Fano效应类似的表面等离子体激元诱导透明(Plasmonic Induced Transparency，PIT)现象，即“明态”和“暗态”两种模式在共振透明窗口内干涉耦合而形成很窄的透射峰，显著降低了辐射损耗，具有结构设计灵活、共振谱线品质因子高和能室温工作等优点。
目前太赫兹调制器远不能满足实际应用的需求，研究开发性能良好(品质因子高、可调性能好和调制深度大)且制备工艺简单的可调谐器件对THz技术的进一步发展非常重要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，激发强度更高的共振谱线，克服了石墨烯等二维调控器件厚度上的限制，制作工艺更加简单、可行性更好。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，通过基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波调制器进行实现，所述太赫兹波调制器包括聚合物柔性衬底、外延层、绝缘层和狄拉克半金属微结构，所述狄拉克半金属微结构上设置有金薄层和铬薄层，所述铬薄层设置在金薄层上，所述外延层设置在聚合物柔性衬底上，所述绝缘层设置在外延层上，所述狄拉克半金属微结构为太赫兹波调制器的有源区，设置在绝缘层上，所述狄拉克半金属微结构和外延层之间施加有外电压，改变对应的费米能级，从而调节共振谱线的波形。
所述狄拉克半金属微结构的材质为3D狄拉克半金属。
所述外延层中设有半导体，作为太赫兹波调制器的背电极。
进一步地于，所述半导体为硅。
所述狄拉克半金属微结构的结构单元为十字形、开口环形或椭圆形。
所述狄拉克半金属微结构的微结构单元的材质为砷化镉。
所述绝缘层的材质为SiO2或者Al2O3。
所述聚合物柔性衬底的材质为聚苯乙烯或聚四氟乙烯，聚苯乙烯或聚四氟乙烯为低折射率聚合物，同时通过降低聚合物柔性衬底的厚度来提高透射率。
所述太赫兹波调制器的厚度为100-1000nm。
所述绝缘层的厚度为10-100nm，所述外延层的厚度为1-10nm，所述聚合物柔性衬底的厚度为1-10nm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明以狄拉克半金属微结构作为调制器的有源区，通过调节外加偏压改变费米能级，实现对共振谱线频率和波形的调节，具有更高比例的幅值调制深度和频率调制深度。
2.本发明使用的3D狄拉克半金属具有更高的载流子迁移率和费米速度，有效突破了石墨烯作为二维调控器件对厚度方面的限制，为器件研制提供了更多的设计空间和自由度，在显著提高调制性能的同时明显降低制作工艺难度。
3.本发明制作工艺更加简单、可行性更好，可对狄拉克半金属微结构参数进行选择优化，从而进一步获得较大的调制深度、较低的损耗和较高的品质因子。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明狄拉克半金属微结构的结构单元的示意图，其中图2(a)为开口环形，图2(b)为十字形，图2(c)为椭圆形，图2(d)为非对称椭圆形；
图3为本发明调制模拟结果的示意图；
图4为本发明不同费米能级下Fano共振效应透射谱线的结果示意图；
图5为本发明Fano共振效应中品质因子和优化因子的模拟结果示意图。
附图标记：
1-聚合物柔性衬底；2-外延层；3-绝缘层；4-狄拉克半金属微结构；5-金薄层；6-铬薄层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，具有更高比例的幅值调制深度和频率调制深度，通过基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波调制器进行实现，太赫兹波调制器包括聚合物柔性衬底1、外延层2、绝缘层3和狄拉克半金属微结构4，狄拉克半金属微结构4上设置有金薄层5和铬薄层6，铬薄层6设置在金薄层1上，外延层2设置在聚合物柔性衬底1上，绝缘层3设置在外延层2上，狄拉克半金属微结构4为太赫兹波调制器的有源区，设置在绝缘层3上，太赫兹入射波信号从太赫兹波调制器垂直输入，狄拉克半金属微结构形成共振谱线，狄拉克半金属微结构4和外延层2之间施加有外电压，改变对应的费米能级，从而调节共振谱线的波形。
狄拉克半金属微结构4的材质为3D狄拉克半金属，3D狄拉克半金属的复电导率根据随机相位近似表示为：
Figure BDA0002593425630000051
Figure BDA0002593425630000052
其中，G(E)＝n(-E)-n(E)，n(E)为费米分布函数，EF为费米能级，g为简并度，kF为费米动量，
Figure BDA0002593425630000053
vF为费米速度，Ec为狄拉克线性色散关系的截止能量，σDSM(Ω)为3D狄拉克半金属的复电导率，
Figure BDA0002593425630000054
为约化普朗克常数，T为温度，根据单带模型，3D狄拉克半金属的复介电常数表示为：
εDSM＝ε∞+iσDSM/ωε0
其中，ε∞为频率趋近无穷时的介电常数，ε0为真空介电常数，ω为角频率频率。
狄拉克半金属微结构4包括多个单元器件，单元器件呈周期性排列。
外延层2中设有半导体，作为太赫兹波调制器的背电极，半导体为硅。
如图2所示，狄拉克半金属微结构4的结构单元为十字形、开口环形、椭圆形或非对称椭圆形。
狄拉克半金属微结构4的微结构单元取为x-y平面，狄拉克半金属微结构4的微结构单元的材质为砷化镉，入射波的极化方向的边界条件取为理想的电导体(PEC)，另外一个方向取为理想的磁导体(PMC)，z方向为入射波波矢的方向，边界条件为开放设置。
绝缘层3的材质为SiO2或者Al2O3。
聚合物柔性衬底1的材质为聚苯乙烯或聚四氟乙烯。
太赫兹波调制器的厚度为100-1000nm。
绝缘层3的厚度为10-100nm，外延层2的厚度为1-10nm，聚合物柔性衬底1的厚度为1-10nm。
实施例一
通过CST模拟软件对太赫兹波调制器进行仿真设计，选取时域求解器进行运算，计算精度-80dB，获得基于狄拉克半金属微结构THz波调制器的S参数，根据S参数得到透射谱线、反射谱线和吸收谱线，具体公式如下：
T(ω)＝|S21(ω)|2
R(ω)＝|S11(ω)|2
A(ω)＝1-T(ω)-R(ω)
其中，S21(ω)和S11(ω)分别为透射系数和反射系数，T(ω)、R(ω)和A(ω)分别为透射谱线、反射谱线和吸收谱线。
如图3所示，狄拉克半金属微结构4的结构单元为椭圆形，长半轴和短半轴分别为40μm和15μm，超材料结构单元周期为108μm，费米能级在0.01-0.10eV之间调节，太赫兹波调制器的透射共振谱线对应在较大范围内调节。当费米能级分别为0.01，0.05和0.10eV时，透射共振谱线的共振谷幅值(频率)分别为0.6591(0.485THz)，0.0377(1.349THz)，0.00604(1.553THz)。相应地，共振透射谱线的幅值调制深度为99.1％，频率调制深度为68.8％。
幅值调制深度为：
(Tmax-Tmin)/Tmax
其中，Tmax为幅值调制的最大值，Tmin为幅值调制的最小值；
频率调制深度为：
(fmax-fmin)/fmax
其中，fmax为频率调制的最大值，fmin为频率调制的最小值。
如图4和图5所示为基于狄拉克半金属非对称微结构中Fano共振效应的太赫兹调制器件的模拟结果，狄拉克半金属微结构4的结构单元为非对称椭圆形，狭缝的宽度分别为8μm，非对称度为25μm，超材料微结构周期为108μm。如图4所示，当费米能级分别为0.03，0.05和0.10eV时，透射共振谱线的共振谷幅值(频率)分别为0.7567(1.619THz)，0.7463(1.71THz)，0.7291(1.731THz)；当狄拉克半金属的费米能级在0.01-0.15eV之间调节时，Fano共振谷的幅值调制深度为3.65％，频率调制深度为6.48％；如图5所示，当费米能级为0.15eV时，品质因子达到25以上，优化因子也可以达到20。
品质因子的计算公式如下所示：
Q＝fres/FWHW
其中，Q为品质因子，FWHW为谱线的半高宽，fres为共振峰频率；
优化因子的计算公式如下：
FOM＝Q×Am
其中，FOM为优化因子，Am为共振峰值的强度。
品质因子越高就表示谐振峰的谐振峰宽度越窄，对能量集中区域的场分布变化会更加敏感，增强调控器件的传感性能，而优化因子是衡量共振谱线强度和损耗的重要指标。
太赫兹波调制器的制作步骤具体为：(S1)以普通硅片作为牺牲层，将含有塑料柔性衬底的溶液通过自旋喷涂的方法喷涂在外延层硅上，经烘干固化处理后得到均匀的聚合物柔性衬底1；(S2)通过外延生长方法形成1-10μm厚度的掺杂硅层作为外延层2，硅层电导率为1-10Ω·cm；(S3)通过原子层沉积技术在外延层2上形成厚度为10-100nmSiO2薄层作为绝缘层3，形成温度为200℃，在绝缘层3上通过气相沉积的方法制作聚对二甲苯塑料过渡层，厚度为200-300nm；(S4)通过分子束外延(MBE)方法生成3D狄拉克半金属(Cd3As2)薄层，厚度为100-10000nm左右，通过氧等离子体刻蚀的方法除去聚合物过渡层，然后通过丙酮除去有机物残余，并通过蒸馏水进行清洗，获得狄拉克半金属微结构4；(S5)在狄拉克半金属微结构4上蒸镀上金薄层5和铬薄层6，其中金薄层5的厚度为100nm、铬薄层6的厚度为10nm，然后通过光刻法形成电极；(S6)将狄拉克半金属微结构4从Si衬底上剥离，通过蒸馏水进行清洗，在保护性气体下进行吹洗烘干，得到在聚合物柔性衬底1上的太赫兹波调制器。
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，其特征在于，通过基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波调制器进行实现，所述太赫兹波调制器包括聚合物柔性衬底(1)、外延层(2)、绝缘层(3)和狄拉克半金属微结构(4)，所述狄拉克半金属微结构(4)上设置有金薄层和(5)铬薄层(6)，所述铬薄层(6)设置在金薄层(1)上，所述外延层(2)设置在聚合物柔性衬底(1)上，所述绝缘层(3)设置在外延层(2)上，所述狄拉克半金属微结构(4)为太赫兹波调制器的有源区，设置在绝缘层(3)上，所述狄拉克半金属微结构(4)和外延层(2)之间施加有外电压，改变对应的费米能级，从而调节共振谱线的波形。
2.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，其特征在于，所述狄拉克半金属微结构(4)的材质为3D狄拉克半金属。
3.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，其特征在于，所述外延层(2)中设有半导体，作为太赫兹波调制器的背电极。
4.根据权利要求3所述的一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，其特征在于，所述半导体为硅。
5.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，其特征在于，所述狄拉克半金属微结构(4)的结构单元为十字形、开口环形或椭圆形。
6.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，其特征在于，所述狄拉克半金属微结构(4)的微结构单元的材质为砷化镉。
7.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，其特征在于，所述绝缘层(3)的材质为SiO2或者Al2O3。
8.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，其特征在于，所述聚合物柔性衬底(1)的材质为聚苯乙烯或聚四氟乙烯。
9.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，其特征在于，所述狄拉克半金属微结构(4)的厚度为100-1000nm。
10.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克半金属微结构的太赫兹波电控调制方法，其特征在于，所述绝缘层(3)的厚度为10-100nm，所述外延层(2)的厚度为1-10nm，所述聚合物柔性衬底(1)的厚度为1-10nm。
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