CN112510377A - 一种柔性太赫兹调制器及其制备和调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性太赫兹调制器及其制备和调节方法，包括铟镓锌氧化物膜层；第一金属氧化物膜层和第二金属氧化物膜层，铟镓锌氧化物膜层位于第一金属氧化物膜层和第二金属氧化物膜层之间以形成层叠结构；第一石墨烯层和第二石墨烯层，第一石墨烯层层叠在第一金属氧化物膜层的表面，第二石墨烯层层叠在第二金属氧化物膜层的表面。与现有技术相比，本发明通过电压调节铟镓锌氧化物膜层在太赫兹波段的电导率，利用第一石墨烯层和第二石墨烯层作为电极制备宽带柔性太赫兹调制器，实现对太赫兹波透过率的调制。使器件整体的插入损耗低，便于集成化设计，制造成本低，有利于实现大面积太赫兹调控。

Description

一种柔性太赫兹调制器及其制备和调节方法

技术领域

本发明涉及太赫兹波调控技术领域，具体而言，涉及一种柔性太赫兹调制器及其制备和调节方法。

背景技术

随着科技的发展，调制器被广泛用于通信、传感与成像等领域。目前，现有技术中基于柔性基底的太赫兹调制器主要分为两类，一种基于超材料的太赫兹动态调制器件，另一种基于二维材料的太赫兹柔性调制器。但鲜有技术存在缺陷，例如：

基于超材料的太赫兹柔性调制器更多关注点在于超材料单元的设计，存在设计复杂、加工难度高等缺点，且调制器的可调范围十分小。此外，由于超材料单元的存在，太赫兹调制往往是窄带调制。

而基于二维材料的太赫兹柔性调制器由于二维材料电导率可调范围有限，直接导致其对太赫兹的调节范围小，且太赫兹作用范围有限，大面积集成和使用受到限制。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种柔性太赫兹调制器及其制备和调节方法，具体技术方案如下所示：

一种柔性太赫兹调制器，包括：

铟镓锌氧化物膜层；

第一金属氧化物膜层和第二金属氧化物膜层，所述铟镓锌氧化物膜层位于所述第一金属氧化物膜层和所述第二金属氧化物膜层之间以形成层叠结构；

第一石墨烯层和第二石墨烯层，所述第一石墨烯层层叠在所述第一金属氧化物膜层的表面作为第一电极，所述第二石墨烯层层叠在所述第二金属氧化物膜层的表面作为第二电极。

在一个具体的实施例中，所述第一金属氧化物膜层和所述第二金属氧化物膜层均为Al2O3膜层。

在一个具体的实施例中，所述第一金属氧化物膜层和所述第二金属氧化物膜层的材料选自氧化钛膜层或氧化锌膜层。

在一个具体的实施例中，所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层上分别设置有第一金属环和第二金属环，所述第一金属环和所述第二金属环分别与外部的电源连接。

在一个具体的实施例中，所述第一石墨烯层包括多条第一石墨烯条带，多条所述第一石墨烯条带呈阵列式分布；

所述第二石墨烯层包括多条第二石墨烯条带，多条所述第二石墨烯条带呈阵列式分布；

每条所述第一石墨烯条带和每条所述第二石墨烯条带相互垂直。

在一个具体的实施例中，多条所述第一石墨烯条带的尺寸相同，多条所述第二石墨烯条带的尺寸相同。

在一个具体的实施例中，还包括柔性基底层,所述柔性基底层层叠在多条所述第一石墨烯条带上。

在一个具体的实施例中，所述柔性基底层为聚酰亚胺膜层。

在一个具体的实施例中，所述柔性基底层为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层、聚乙烯膜层或聚四氟乙烯膜层。

在一个具体的实施例中，一种制备所述柔性太赫兹调制器的方法，包括：

旋涂工艺，在容器内加入预设浓度的聚酰亚胺溶液，滴入预设量的胶体，通过设定旋转速度v和时间t，制备预设厚度的所述聚酰亚胺膜层，并利用干燥箱进行固化；

转移工艺，选择预设大小的铜基石墨烯，转移胶固定所述铜基石墨烯，用FeCl3溶液去除铜基底生成所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层并转移于所述聚酰亚胺膜层上，用丙酮去除胶；

沉积工艺，自清理、预热后将转移的所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层置于原子层沉积设备，设定Al源和H2O源速度v和时间t制备厚度为w的所述Al2O3膜层；

磁控溅射工艺，启辉并预热至预设时长，将镀好所述Al2O3膜层的器件置于反应炉，通入适量氧气并设定溅射功率P和控制溅射时间t；

在所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层增加电极焊点。

在一个具体的实施例中，一种调节所述柔性太赫兹调制器的方法，按照以下方法调节太赫兹透过率：

通过增加所述铟镓锌氧化物膜层厚度或偏压增强对所述太赫兹透过率的作用；

通过降低所述铟镓锌氧化物膜层厚度或偏压衰减对所述太赫兹透过率的作用；

所述太赫兹穿过所述铟镓锌氧化物膜层传输，通过在所述铟镓锌氧化物膜层两端对所述第一石墨烯层上的所述第一金属环和所述第二石墨烯层上的所述第二金属环施加电压，调节所述太赫兹透过率。

本发明至少具有以下有益效果：

根据本发明提供的一种柔性太赫兹调制器，包括铟镓锌氧化物膜层；第一金属氧化物膜层和第二金属氧化物膜层，铟镓锌氧化物膜层位于第一金属氧化物膜层和第二金属氧化物膜层之间以形成层叠结构；第一石墨烯层和第二石墨烯层，第一石墨烯层层叠在第一金属氧化物膜层的表面作为第一电极，第二石墨烯层层叠在第二金属氧化物膜层的表面作为第二电极。

由此，本发明利用太赫兹波对电导率敏感的特点，通过电压调节铟镓锌氧化物膜层在太赫兹波段的电导率，利用第一石墨烯层和第二石墨烯层作为电极制备宽带柔性太赫兹调制器，实现对太赫兹波透过率的调制。使器件整体的插入损耗低，使器件的设计与制备所需的技术在半导体领域均可参考，便于集成化设计和降低器件的制造成本。有利于实现大面积太赫兹调控。

进一步地，铟镓锌氧化物膜层的电导率调谐变化范围大、操作灵活且易于集成，同时通过电压调节铟镓锌氧化物膜层在太赫兹波段具有一致性，使调制器具备太赫兹波段宽带可调的特点，还能有效改变太赫兹的透过率。且增加铟镓锌氧化物膜层的厚度和偏压还能增强对太赫兹透过率作用。

进一步地，多条第一石墨烯条带呈阵列式分布，多条第二石墨烯条带呈阵列式分布，每条第一石墨烯条带和每条第二石墨烯条带相互垂直。进一步实现阵列化太赫兹波段的调制，通过索引电极的空间位置，实现对太赫兹波的空间可控的效果。阵列化的太赫兹调制器能够实现大面积太赫兹调控，更加有利于其在实际应用中的使用。且石墨烯具备低成本、宽宽带和易集成的优点，能强化太赫兹的调制效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是实施例中柔性太赫兹调制器的结构立体图；

图2是实施例中太赫兹时域波形随着铟镓锌氧化物膜层厚度的变化趋势图；

图3是实施例中太赫兹频域波形随着铟镓锌氧化物膜层厚度的变化趋势图；

图4是实施例中太赫兹时域波形随着施加在铟镓锌氧化物膜层偏压的变化趋势图；

图5是实施例中太赫兹频域波形随着施加在铟镓锌氧化物膜层偏压的变化趋势图；

图6是实施例中多条第一石墨烯条带与多条第二石墨烯条带的结构分布图；

图7是实施例中制备柔性太赫兹调制器的流程图。

主要元件符号说明：

1-铟镓锌氧化物膜层；2-第一金属氧化物膜层；3-第二金属氧化物膜层；4-第一石墨烯层；5-第二石墨烯层；6-电源；11-第一金属环；12-第二金属环；7-第一石墨烯条带；8-第二石墨烯条带；9-柔性基底层。

具体实施方式

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种柔性太赫兹调制器，包括：

铟镓锌氧化物膜层1；

第一金属氧化物膜层2和第二金属氧化物膜层3，铟镓锌氧化物膜层1位于第一金属氧化物膜层2和第二金属氧化物膜层3之间以形成层叠结构；

第一石墨烯层4和第二石墨烯层5，第一石墨烯层4层叠在第一金属氧化物膜层2的表面作为第一电极，第二石墨烯层5层叠在第二金属氧化物膜层3的表面作为第二电极。

石墨烯是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学和电学特性，被认为是一种未来革命性的材料。

具体地，利用太赫兹波对电导率敏感的特点，通过磁控溅射生成铟镓锌氧化物膜层1，利用原子沉积技术增加第一金属氧化物膜层2和第二金属氧化物膜层3，并转移第一石墨烯层4和第二石墨烯层5作为器件电极，外部电源6接入第一石墨烯层4和第二石墨烯层5，通过电压调节铟镓锌氧化物膜层1的电导率，从而实现对太赫兹透过率的调制。

太赫兹波覆盖了从微波到红外光谱区域(30–3000um)的宽光谱。它在成像、高带宽通信、雷达等领域显示出巨大的应用潜力。近年来，能够应用于曲面探测的工作，满足可穿戴或柔性应用需求的柔性光电器件也受到了广泛关注。因此，开发具有高效太赫兹调制的新型材料具有十分重要的意义。

具体地，太赫兹波对介质的电导率非常敏感，通过光、电、热等外界条件改变介质的电导率能够直接实现对太赫兹的有效调制。由于外部电源6接入第一石墨烯层4和第二石墨烯层5，通过电压调节铟镓锌氧化物膜层1的电导率在太赫兹波段具有一致性。因此，基于铟镓锌氧化物膜层1的调制器具备太赫兹波段宽带可调的特点。由于使用单层石墨烯作为电极，器件整体的插入损耗低。器件的设计与制备所需技术在半导体领域均可参考，便于集成化设计和降低器件的制造成本。

近年来，铟镓锌氧化物膜层1由于其电导率变化范围大、操作灵活被广泛应用于光通信、液晶显示等领域。铟镓锌氧化物膜层1能够在柔性基底层中生长，且易于集成。

具体地，如图2所示，利用CST对器件进行初步仿真，研究了铟镓锌氧化物膜层1电导率与太赫兹透过率之间的关系。铟镓锌氧化物膜层1的电导率与偏压和薄膜厚度有直接关系。图2给出了不同铟镓锌氧化物膜层1厚度下，太赫兹的时域和频域波形，此时电导率固定设计为2000S/m。从图中可以看出，太赫兹的透过率随着铟镓锌氧化物膜层1的厚度增加逐渐衰减至关断，几乎成正相关关系。此外，研究了不同偏压下300nm铟镓锌氧化物膜层1对太赫兹的透过率的曲线。如图3所示，随着施加在铟镓锌氧化物膜层1的偏压增强，太赫兹的透过率逐渐降低至接近0。从仿真结果可以看出，电控的铟镓锌氧化物膜层1薄膜能够有效改变太赫兹的透过率，增加铟镓锌氧化物膜层1薄膜厚度和偏压都能够增强对太赫兹透过率作用。

本实施例中，第一金属氧化物膜层2和第二金属氧化物膜层3均为Al2O3膜层。

具体地，Al2O3膜层的设置用于提供电容效应。

本实施例中，第一金属氧化物膜层2和第二金属氧化物膜层3的材料选自氧化钛膜层或氧化锌膜层。

如图1所示，本实施例中，第一石墨烯层4和第二石墨烯层5上分别设置有第一金属环11和第二金属环12，第一金属环11和第二金属环12分别与外部的电源6连接。

如图4所示，本实施例中，第一石墨烯层4包括多条第一石墨烯条带7，多条第一石墨烯条带7呈阵列式分布。第二石墨烯层5包括多条第二石墨烯条带8，多条第二石墨烯条带8呈阵列式分布。每条第一石墨烯条带7和每条第二石墨烯条带8相互垂直。

本实施例中，多条第一石墨烯条带7的尺寸相同，多条第二石墨烯条带8的尺寸相同。

本实施例中，还包括柔性基底层9,柔性基底层9层叠在多条第一石墨烯条带7上。

具体地，利用铟镓锌氧化物膜层1电导率调谐范围高的特点，结合第一石墨烯层4电极和第二石墨烯层5电极制备宽带柔性太赫兹调制器，并延伸一种太赫兹阵列调制器，实现大面积太赫兹调制。该器件具备低成本、宽宽带、易集成的优点，能够有效应用于太赫兹通信、传感与成像等领域。

具体地，多条第一石墨烯条带7呈阵列式分布，多条第二石墨烯条带8呈阵列式分布，每条第一石墨烯条带7和每条第二石墨烯条带8相互垂直，从而实现对太赫兹波段的面阵控制，利用多条第一石墨烯条带7和多条第二石墨烯条带8实现阵列化的太赫兹调制器，通过索引电极的空间位置，实现对太赫兹波的空间可控的效果，在太赫兹通信和成像领域具有非常重要的应用价值。

具体地，将第一石墨烯层4和第二石墨烯层5剪成厚度为h的第一石墨烯条带7和第二石墨烯条带8，转移第一石墨烯条带7和第二石墨烯条带8，并在每个第一石墨烯条带7和第二石墨烯条带8上设置电极焊点。将上下两层第一石墨烯条带7和第二石墨烯条带8垂直放置，顶层设计条带数为X(1-n)，底层条带数为Y(1-m)，可以实现分辨率为m×n的大面积太赫兹调制器。

具体地，由于第一石墨烯条带7和第二石墨烯条带8是条状分布，外部电源6接入第一石墨烯条带7和第二石墨烯条带8，给定第一石墨烯条带7和第二石墨烯条带8电压会直接激活整条第一石墨烯条带7和第二石墨烯条带8，但是由于第一石墨烯条带7和第二石墨烯条带8是垂直分布，因此每次给定某一行第一石墨烯条带7和某一列第二石墨烯条带8电压时，会形成对太赫兹空间某一点的调制。

例如给单条第一石墨烯条带7输入低电平，给其余第一石墨烯条带7输入高电平，给单条第二石墨烯条带8输入低电平，给其余第二石墨烯条带8输入高电平，能实现对单条第一石墨烯条带7与单条第二石墨烯条带8交叉重叠区域的太赫兹透过率进行调制。

通过逐行和列扫描能够实现太赫兹场分布成像，进一步如果扫描某个目标的太赫兹场分布，也能通过逐行和列扫描实现。此外，还能结合空间编码技术(如哈达玛编码、伯努利编码、随机编码等)，通过控制多像素的通断实现太赫兹波空间调制的效果，从而能够应用在太赫兹编码孔径成像及压缩感知成像等领域。

本实施例中，柔性基底层9为聚酰亚胺膜层。

具体地，柔性基底层9为聚酰亚胺膜层是本实施例的优选材质，柔性基底层9还有其他优选材质，例如：柔性基底层9为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层、聚乙烯膜层或聚四氟乙烯膜层。

如图5所示，本实施例中，一种制备柔性太赫兹调制器的方法，包括：

旋涂工艺，在容器内加入预设浓度的聚酰亚胺溶液，滴入预设量的胶体，通过设定旋转速度v和时间t，制备预设厚度的聚酰亚胺膜层，并利用干燥箱进行固化；

转移工艺，选择预设大小的铜基石墨烯，转移胶固定铜基石墨烯，用FeCl3溶液去除铜基底生成第一石墨烯层4和第二石墨烯层5并转移于聚酰亚胺膜层上，用丙酮去除胶；

沉积工艺，自清理、预热后将转移的第一石墨烯层4和第二石墨烯层5置于原子层沉积设备，设定Al源和H2O源速度v和时间t制备厚度为w的Al2O3膜层；

磁控溅射工艺，启辉并预热至预设时长，将镀好Al2O3膜层的器件置于反应炉，通入适量氧气并设定溅射功率P和控制溅射时间t；

在第一石墨烯层4和第二石墨烯层5增加电极焊点。

本实施例中，一种调节柔性太赫兹调制器的方法，按照以下方法调节太赫兹透过率：

通过增加铟镓锌氧化物膜层1厚度或偏压增强对太赫兹透过率的作用；

通过降低铟镓锌氧化物膜层1厚度或偏压衰减对太赫兹透过率的作用；

太赫兹穿过铟镓锌氧化物膜层1传输，通过在铟镓锌氧化物膜层1两端对第一石墨烯层4上的第一金属环11和第二石墨烯层5上的第二金属环12施加电压，调节太赫兹透过率。

与现有技术相比，本发明利用太赫兹波对电导率敏感的特点，通过电压调节铟镓锌氧化物膜层在太赫兹波段的电导率，利用第一石墨烯层和第二石墨烯层作为电极，外部电源接入第一石墨烯层和第二石墨烯层制备宽带柔性太赫兹调制器，实现对太赫兹波透过率的调制。使器件整体的插入损耗低，使器件的设计与制备所需的技术在半导体领域均可参考，便于集成化设计和降低器件的制造成本。有利于实现大面积太赫兹调控。

进一步地，铟镓锌氧化物膜层的电导率调谐变化范围大、操作灵活且易于集成，同时通过电压调节铟镓锌氧化物膜层在太赫兹波段具有一致性，使调制器具备太赫兹波段宽带可调的特点，还能有效改变太赫兹的透过率。且增加铟镓锌氧化物膜层的厚度和偏压还能增强对太赫兹透过率作用。

进一步地，多条第一石墨烯条带呈阵列式分布，多条第二石墨烯条带呈阵列式分布，每条第一石墨烯条带和每条第二石墨烯条带相互垂直。进一步实现阵列化太赫兹波段的调制，通过索引电极的空间位置，实现对太赫兹波的空间可控的效果。阵列化的太赫兹调制器能够实现大面积太赫兹调控，更加有利于其在实际应用中的使用。且石墨烯具备低成本、宽宽带和易集成的优点，能强化太赫兹的调制效果。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施场景的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域技术人员可以理解实施场景中的装置中的模块可以按照实施场景描述进行分布于实施场景的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施场景的一个或多个装置中。上述实施场景的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

上述本发明序号仅仅为了描述，不代表实施场景的优劣。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施场景，但是，本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种柔性太赫兹调制器，其特征在于，包括：

铟镓锌氧化物膜层；

第一金属氧化物膜层和第二金属氧化物膜层，所述铟镓锌氧化物膜层位于所述第一金属氧化物膜层和所述第二金属氧化物膜层之间以形成层叠结构；

第一石墨烯层和第二石墨烯层，所述第一石墨烯层层叠在所述第一金属氧化物膜层的表面作为第一电极，所述第二石墨烯层层叠在所述第二金属氧化物膜层的表面作为第二电极。

2.根据权利要求1所述的柔性太赫兹调制器，其特征在于：

所述第一金属氧化物膜层和所述第二金属氧化物膜层均为Al2O3膜层。

3.根据权利要求1所述的柔性太赫兹调制器，其特征在于：

所述第一金属氧化物膜层和所述第二金属氧化物膜层的材料选自氧化钛膜层或氧化锌膜层。

4.根据权利要求1所述的柔性太赫兹调制器，其特征在于：

所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层上分别设置有第一金属环和第二金属环，所述第一金属环和所述第二金属环分别与外部的电源连接。

5.根据权利要求1-3任一项所述的柔性太赫兹调制器，其特征在于：

所述第一石墨烯层包括多条第一石墨烯条带，多条所述第一石墨烯条带呈阵列式分布；

所述第二石墨烯层包括多条第二石墨烯条带，多条所述第二石墨烯条带呈阵列式分布；

每条所述第一石墨烯条带和每条所述第二石墨烯条带相互垂直。

6.根据权利要求5所述的柔性太赫兹调制器，其特征在于：多条所述第一石墨烯条带的尺寸相同，多条所述第二石墨烯条带的尺寸相同。

7.根据权利要求5所述的柔性太赫兹调制器，其特征在于：还包括柔性基底层,所述柔性基底层层叠在多条所述第一石墨烯条带上。

8.根据权利要求7所述的柔性太赫兹调制器，其特征在于：所述柔性基底层为聚酰亚胺膜层。

9.根据权利要求7所述的柔性太赫兹调制器，其特征在于：

所述柔性基底层为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜层、聚乙烯膜层或聚四氟乙烯膜层。

10.一种制备权利要求4所述的柔性太赫兹调制器的方法，其特征在于，包括：

旋涂工艺，在容器内加入预设浓度的聚酰亚胺溶液，滴入预设量的胶体，通过设定旋转速度v和时间t，制备预设厚度的所述聚酰亚胺膜层，并利用干燥箱进行固化；

转移工艺，选择预设大小的铜基石墨烯，转移胶固定所述铜基石墨烯，用FeCl3溶液去除铜基底生成所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层并转移于所述聚酰亚胺膜层上，用丙酮去除胶；

沉积工艺，自清理、预热后将转移的所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层置于原子层沉积设备，设定Al源和H2O源速度v和时间t制备厚度为w的所述Al2O3膜层；

磁控溅射工艺，启辉并预热至预设时长，将镀好所述Al2O3膜层的器件置于反应炉，通入适量氧气并设定溅射功率P和控制溅射时间t；

在所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层增加电极焊点。

11.一种调节权利要求4所述的柔性太赫兹调制器的方法，按照以下方法调节太赫兹透过率：

通过增加所述铟镓锌氧化物膜层厚度或偏压增强对所述太赫兹透过率的作用；

通过降低所述铟镓锌氧化物膜层厚度或偏压衰减对所述太赫兹透过率的作用；

所述太赫兹穿过所述铟镓锌氧化物膜层传输，通过在所述铟镓锌氧化物膜层两端对所述第一石墨烯层上的所述第一金属环和所述第二石墨烯层上的所述第二金属环施加电压，调节所述太赫兹透过率。

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