CN112563863B

CN112563863B - 基于双曲超材料的片上太赫兹源及其制备方法

Info

Publication number: CN112563863B
Application number: CN202011411950.5A
Authority: CN
Inventors: 刘仿; 李天畅; 李津宇; 黄翊东; 崔开宇; 冯雪; 张巍
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2020-12-03
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2040-12-03
Also published as: CN112563863A

Abstract

本发明提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源及其制备方法，通过由等离子体频率覆盖太赫兹波段的材料与由在太赫兹波段呈现介质性的材料形成双曲超材料结构层，并在双曲超材料结构层的第一面设置狭缝光栅，在双曲超材料结构层的第二面设置电子束，使得双曲超材料结构层可以产生太赫兹辐射，并通过狭缝光栅提取为自由空间中的太赫兹辐射。使用双曲超材料结构层产生太赫兹辐射，可以实现较宽的太赫兹辐射频谱以及太赫兹源的小型化与片上集成化；太赫兹辐射由双曲超材料结构层与电子束中的电子形成的电磁场之间的作用产生，在电子束中电子的动能稳定的情况下可以实现太赫兹辐射的持续稳定输出。

Description

基于双曲超材料的片上太赫兹源及其制备方法

技术领域

本发明涉及真空电子学太赫兹技术领域，尤其涉及一种基于双曲超材料的片上太赫兹源及其制备方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz，1THz＝10¹²Hz)波，是指频率在0.1THz-10THz频段的电磁波。太赫兹波具有强穿透性，可用于安全检测领域。除此之外太赫兹波光子能量低，相干性好，在无损质量检测，生物活体成像以及空间光通讯等领域也有着巨大的应用价值，太赫兹技术也被认为是未来最重要的技术之一。

目前产生THz辐射的方式，主要可以分成光电子学和电子学两类方法。基于光电子学产生太赫兹辐射的频率集中在1～10THz，主流方法包括半导体激光器和光学差频；其中p-Ge半导体激光器实现THz受激辐射，需要同时处于液氦制冷和强电磁场环境中；连续工作的量子级联激光器则需要在液氮环境中运行。光学差频是利用泵浦源在非线性晶体中产生THz差频信号，但泵浦源的体积过大且相位匹配的操作复杂。基于电子学的太赫兹器件辐射频率基本在0.1～1THz等较窄的频谱范围内，相比于光电子学器件，电子学太赫兹源可以在常温环境下稳定工作，但随着频率的增大，太赫兹辐射功率急剧下降，无法输出大功率的太赫兹辐射。

因此，目前产生THz辐射的太赫兹源仍然存在着太赫兹源结构尺寸大、产生的太赫兹辐射频谱范围窄且难以持续稳定输出的问题。

发明内容

本发明提供一种基于双曲超材料的片上太赫兹源及其制备方法，用以解决现有技术中的太赫兹源仍然存在着太赫兹源结构尺寸大、产生的太赫兹辐射频谱范围窄且难以持续稳定输出的问题，从而实现太赫兹源器件的小型化与片上集成化，并可以持续稳定输出频谱覆盖范围宽的太赫兹辐射。

本发明提供一种基于双曲超材料的片上太赫兹源，包括双曲超材料结构层，以及在所述双曲超材料结构层的第一面上设置的狭缝光栅；

所述双曲超材料结构层由第一材料层和第二材料层交替堆叠生成；所述第一材料层由等离子体频率覆盖太赫兹波段的材料形成；所述第二材料层由在太赫兹波段呈现介质性的材料形成；

其中，通过在所述双曲超材料结构层的第二面上方设置的电子束，使得所述双曲超材料结构层内产生太赫兹辐射，并通过所述狭缝光栅，将所述双曲超材料结构层内的太赫兹辐射提取为自由空间内的太赫兹辐射。

进一步地，所述电子束所在的直线与所述狭缝光栅中的狭缝所在直线垂直。

进一步地，所述电子束所在的直线与所述第二面所在的平面平行。

进一步地，所述基于双曲超材料的片上太赫兹源，还包括用于生成所述电子束的片上电子源；所述片上电子源包括电子发射源和电子接收器；

其中，所述电子发射源设置在所述第二面的第一侧，且不与所述第二面接触；

所述电子接收器设置在与所述第一侧相对的第二侧，且不与所述第二面接触。

进一步地，所述基于双曲超材料的片上太赫兹源，还包括磁场；

其中，所述磁场的磁场方向与所述电子束中的电子飞行方向相同。

进一步地，所述基于双曲超材料的片上太赫兹源，还包括：

通过所述狭缝光栅的光栅周期和/或所述电子束中的电子的动能，调节所述片上太赫兹源输出的太赫兹频点。

进一步地，所述第一材料层为石墨烯层，所述第二材料层为六方氮化硼层、聚甲基丙烯酸甲酯层或者石英晶体层。

另一方面，本发明提供了一种基于双曲超材料的片上太赫兹源的制备方法，包括：

交替堆叠第一材料层和第二材料层，形成双曲超材料结构层；其中，所述第一材料层由等离子体频率覆盖太赫兹波段的材料形成；所述第二材料层由在太赫兹波段呈现介质性的材料形成；

在所述双曲超材料结构层的第一面设置狭缝光栅；

在所述双曲超材料结构层的第二面上方设置电子束；其中，所述电子束所在的直线与所述狭缝光栅的狭缝所在直线垂直。

进一步地，所述在所述双曲超材料结构层的第二面上方设置电子束，包括：

设置片上电子源中的电子发射源；所述电子发射源设置在所述第二面的第一侧，且不与所述第二面接触；

设置所述片上电子源中的电子接收器；所述电子接收器设置在与所述第一侧相对的第二侧，且不与所述第二面接触；

其中，通过所述电子发射源和所述电子接收器在所述第二面上方形成电子束。

进一步地，所述基于双曲超材料的片上太赫兹源制备方法，还包括：

设置磁场，以使得所述磁场的磁场方向与所述电子束中的电子飞行方向相同。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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的附图。

图1是本发明提供的多层膜双曲超材料示意图及其等频率波矢图特性示意图；

图2是本发明提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源的原理平面示意图；

图3是本发明提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源的原理三维示意图；

图4是本发明提供的针尖电子源集成的片上太赫兹源的平面示意图；

图5是本发明提供的针尖电子源集成的片上太赫兹源的三维示意图；

图6是本发明提供的金属电极片上电子源集成的片上太赫兹源的平面示意图；

图7是本发明提供的金属电极片上电子源集成的片上太赫兹源的三维示意图；

图8是本发明提供的石墨烯电极电子源示意图；

图9是本发明提供的石墨烯电子源集成的片上太赫兹源的平面示意图；

图10是本发明提供的石墨烯电子源集成的片上太赫兹源的三维示意图；

图11是本发明提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源的制备方法的流程示意图；

图12是本发明提供的石墨烯-hBN多层膜材料构成的双曲超材料原理示意图；

图13是本发明提供的采用金属狭缝光栅进行电磁模式提取的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

首先，针对与本申请相关的内容进行简单介绍：

切伦科夫辐射(Cherenkov Radiation,CR)是指当匀速飞行的自由电子速度大于周围介质中光的相速度时产生的电磁辐射。当自由电子速度小于周围介质的光速时，其周围电磁场在垂直于飞行方向表现为消逝场，无辐射产生，而当电子速度大于介质中光速时，垂直方向电磁场为传播场，产生电磁辐射即为CR。CR应用广泛，可应用于高能宇宙射线及粒子的探测分析，以及生物医学的电磁学成像等领域。

双曲超材料(Hyperbolic Meta materials,HMM)是指由金属和介质层状堆叠形成的多层膜结构人工超材料，在选定波段，金属的介电常数ε_m<0，而介质介电常数ε_d>0，由Maxwell-Garnett公式可得多层膜材料整体的介电常数为：

图1为本发明实施例提供的多层膜双曲超材料示意图及其等频率波矢图特性。参见图1，在特定的频率区间，双曲超材料的x、z向介电常数为一正一负。以ε_z<0，ε_x>0为例，此时，材料的等频率波矢图表现为双曲线形。对于传统介质材料，等频率波矢图为圆形或椭圆形(各向同性材料为圆形，否则为椭圆形)，一个电磁波矢k如存在于该材料中，需满足波矢k处于圆内部，因此k存在上限，对应电子速度存在下限。对于HMM，等频率波矢图为双曲形，k存在于双曲线内部时存在相应的辐射电磁模式，因此此时k存在下限，也即对应电子速度存在上限。综上，在HMM中支持大波矢电磁模式的耦合传输，即可以实现无阈值低电子能量CR。

石墨烯(Graphene)是一种常见的二维材料，具有高电子迁移率、高载流子密度以及高热导等诸多优点，研究证明石墨烯可以支持中红外到太赫兹波段的等离子体模式，可以在太赫兹辐射器件中产生应用。借助石墨烯及另一种在太赫兹波段显示优秀低损特性的介质材料堆叠形成多层膜，理论上就可以构建出HMM使其在太赫兹波段显示出双曲特性。通过构建的HMM与自由电子作用产生太赫兹CR，可以实现高度集成、高效率的太赫兹辐射器件。六方氮化硼(hBN)是一种常见的二维材料，其在THz波段吸收损耗很低且呈现稳定的介质特性，常用于在研究中制备THz波导等器件，可用于作为本器件中的介质层。本发明中以石墨烯作为第一材料层，以hBN作为第二材料层形成双曲超材料为基础，说明此发明提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源。

图2为本发明另一实施例提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源的原理平面示意图，图3为本发明另一实施例提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源的原理三维示意图。参见图2、图3，该基于双曲超材料的片上太赫兹源包括：双曲超材料结构层1，以及在所述双曲超材料结构层1的第一面上设置的狭缝光栅2；

所述双曲超材料结构层1由第一材料层和第二材料层交替堆叠生成；所述第一材料层由等离子体频率覆盖太赫兹波段的材料形成；所述第二材料层由在太赫兹波段呈现介质性的材料形成；

其中，通过在所述双曲超材料结构层1的第二面上方设置的电子束5，使得所述双曲超材料结构层1内产生太赫兹辐射，并通过所述狭缝光栅2，将所述双曲超材料结构层1内的太赫兹辐射提取为自由空间内的太赫兹辐射6。

所述电子束5可以由电子发射源3和电子接收器4生成。

其中，片上太赫兹源器件工作的核心是双曲超材料结构层(即HMM)部分，HMM的特征是在三维方向上介电常数正负不同，在实际器件中通常使用金属和介质层状堆叠的方式构建。其中，第一材料层由等离子体频率覆盖太赫兹波段的材料形成，第二材料层由在太赫兹波段呈现介质性的材料形成，因此形成的多层膜HMM结构层在太赫兹波段期间呈现双曲特性，可以在低电子能量下产生太赫兹CR。

需要说明的是，对于HMM，凡是采用“金属+介质多层结构”的方案都属于本发明实施例的保护范围，并且本发明实施例对HMM中的金属材料种类和介质材料种类不作具体限制。

由于HMM内部等效折射率极大，因此自由电子在HMM中激励生成的太赫兹CR的等效波矢k_eff极大，太赫兹CR被限制在HMM内部而无法辐射至自由空间，本发明实施例采用狭缝光栅对太赫兹CR进行电磁模式提取。其中，狭缝光栅的材料为在太赫兹波段显示金属特性的金属或类金属材料，例如Au、Ag、石墨烯等。狭缝光栅主要用于匹配膜内电磁场的波矢，将其散射至自由空间中实现辐射场的提取。

在第二面上方设置电子束的作用为，利用电子束产生的电磁场，使得HMM内产生太赫兹CR。其中，产生电子束的电子源，可以为电子显微镜中的电子源，也可以使用针尖电子源，还可以使用片上电子源，本实施例对此不作具体限制。

在HMM的第一面设置狭缝光栅，在第二面上方设置电子束，通过电子束产生的消逝场耦合至HMM中，使得HMM内产生太赫兹CR，经过狭缝光栅提取后即可实现太赫兹辐射，并对太赫兹辐射进行利用。

本发明提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源，通过由等离子体频率覆盖太赫兹波段的材料与由在太赫兹波段呈现介质性的材料形成双曲超材料结构层，并在双曲超材料结构层的第一面设置狭缝光栅，在双曲超材料结构层的第二面设置电子束，使得双曲超材料结构层可以产生太赫兹辐射，并通过狭缝光栅提取为自由空间中的太赫兹辐射。使用双曲超材料结构层产生太赫兹辐射，可以实现较宽的太赫兹辐射频谱以及太赫兹源的小型化与片上集成化；太赫兹辐射由双曲超材料结构层与电子束中的电子形成的电磁场之间的作用产生，在电子束中电子的动能稳定的情况下可以实现太赫兹辐射的持续稳定输出。

在上述实施例的基础上，所述电子束所在的直线与所述狭缝光栅中的狭缝所在直线垂直。

电子束中的电子在飞行时，会产生电磁场，HMM结构层根据电子束产生的电磁场，耦合生成太赫兹CR，并通过狭缝光栅提取HMM内的太赫兹CR。其中，对于在HMM与真空自由环境交界处，使用一定周期的金属光栅可以有效补偿膜内外电磁场的横向波矢(平行于石墨烯层方向)，从而将膜内大波矢太赫兹CR散射为真空传输模式。当电子束所在的直线与狭缝光栅中的狭缝所在直线垂直时，狭缝光栅可以最大化的将HMM中产生的太赫兹CR进行提取，提高太赫兹辐射的利用率。

本实施例中，通过设置电子束所在的直线与狭缝光栅中的狭缝所在直线垂直，可以将HMM内的太赫兹CR更有效的提取到自由空间中，从而实现对太赫兹辐射利用率的提高。

在上述实施例的基础上，所述电子束所在的直线与所述第二面所在的平面平行。

HMM结构层根据电子束产生的电磁场，耦合生成太赫兹CR，当电子束产生的电磁场强度不同时，HMM内产生的太赫兹CR的强度也会不同。因此，当电子束所在的直线与HMM的第二面所在的平面不平行时，电子束在HMM中各个位置中产生的电磁场强度不同，导致HMM整体上产生的太赫兹CR强度不易控制，最终使得片上太赫兹源器件无法产生强度均一的太赫兹辐射；此外，因为电子束与HMM作用距离较长(数十至数百μm)，如果电子束所在的直线与HMM的第二面所在的平面不平行，电子束会轰击HMM，使得HMM产生结构损坏，同时会出现强度较高的噪声信号，干扰目标CR信号。因此，在片上太赫兹源中需要保证电子束所在的直线与HMM第二面所在的平面平行。

本实施例中，通过设置电子束所在的直线与HMM第二面所在的平面平行，可以获得稳定均一的太赫兹辐射。

在上述实施例的基础上，所述基于双曲超材料的片上太赫兹源，还包括用于生成所述电子束的片上电子源；所述片上电子源包括电子发射源和电子接收器；

使用片上电子源作为电子束的来源时，可以使用Spindt针尖电子源、片上钼电极电子源、石墨烯电极片上电子源等，即HMM可以与任何μm量级尺寸的片上电子源集成，并根据不同电子源的特点应用于不同的实用场景。其中，对于片上电子源，可以采用阵列化集成的方案，同时并列集成多个电子源，从而实现更大功率的太赫兹CR辐射输出。

图4为本发明另一实施例提供的针尖电子源集成的片上太赫兹源的平面示意图，图5为本发明另一实施例提供的针尖电子源集成的片上太赫兹源的三维示意图。参见图4、图5，采用的电子源为Spindt针尖电子源时，该电子源通过在衬底表面制备镍阴极尖端和钼栅极结构，可以实现电子的尖端场发射，尺寸约1-5μm，发射电子束电流为nA至μA量级，束斑尺寸3-5μm。该电子源可阵列制备，成倍增加辐射辐射强度，且电子束与HMM之间的距离容易控制，但电子束扩散严重，需同时配套0.3T-1T强磁场约束装置聚焦电子束，防止电子束扩束。

图6为本发明另一实施例提供的金属电极片上电子源集成的片上太赫兹源的平面示意图，图7为本发明另一实施例提供的金属电极片上电子源集成的片上太赫兹源的三维示意图。参见图6、图7，采用的电子源为片上钼电极电子源时，通过使用光刻溅射等步骤，在HMM两端制备约数十纳米厚的尖状钼电极，同时保证阴极尖端曲率半径极小，通过在阴阳极之间施加偏压，可实现自由电子发射。该结构同样可实现μA量级电流，优势在于电子束与HMM距离严格可控(主要由电极厚度决定)，且集成方便，完全兼容CMOS工艺，不会对HMM材料带来机械性损坏，但工作寿命较短，且同样需要较强的磁场约束束斑。

图8为本发明另一实施例提供的石墨烯电极电子源示意图，图9为本发明实施例提供的石墨烯电子源集成的片上太赫兹源的平面示意图，图10为本发明另一实施例提供的石墨烯电子源集成的片上太赫兹源的三维示意图。参见图8、图9、图10，采用的电子源为石墨烯电极片上电子源时，该方案通过在具有一定高度的衬底上转移单层或少层石墨烯制得，石墨烯导电性优秀、电子迁移率极高且耐热性很好，因此可以实现稳定的电子场发射，同时由于石墨烯在x维度上很薄，因此发射的电子束斑在x方向上较窄，更有利于精确控制电子束与HMM之间的距离。根据已有实验，石墨烯电子源可以实现真空中数nA至数十nA的直流电子束稳定发射。目前石墨烯器件的制备工艺日渐成熟，用于本发明的石墨烯电子源制备容易且性能稳定，是一种优秀的片上集成器件电子源方案。

其中，采用了针尖电子源时，针尖电子源发射直流电子，在其消逝场与HMM结构层作用后被阴极吸收；采用金属电极片上电子源时，电子源阴极发射电子，阳极吸收电子；采用石墨烯电子源时，放置在一定高度的衬底上的石墨烯具有优良的导电性与电子发射能力，外场下场致发射电子，与HMM结构层作用后被阳极收集。

进一步地，片上电子源包括电子发射源和电子接收器，由于HMM结构层材料不能与电子源金属接触，因此电子发射源和电子接收器都不与HMM结构层接触；其中，电子发射源安装在HMM第二面的第一侧，电子接收器安装在HMM第二面上与第一侧相对的另一侧，通过将电子发射源和电子接收器安装在HMM同一面上的两侧，可以最大化利用HMM的面积。

本实施例中，通过应用片上电子源作为电子束的来源，并将片上电子源的电子发射源和电子接收器安装在HMM同一面上的两侧，可以在最大化利用HMM的面积的同时，还可以通过阵列化集成片上电子源，使得片上太赫兹源实现更大功率的辐射输出。

在上述实施例的基础上，所述基于双曲超材料的片上太赫兹源，还包括磁场；

电子束中的电子与HMM结构层发生碰撞时，会损坏HMM结构层，因此需要约束电子束中的电子，使得电子按照电子束的方向飞行。本实施例中，在电子束中的电子的飞行方向上添加磁场，通过磁场约束电子束中电子的飞行方向。提供磁场的装置可以为外加电磁线圈或其他类似的磁约束装置，本实施例中对此不作具体限制。

本实施例中，通过添加磁场，在对电子束进行约束，防止电子损坏HMM结构层的同时，还可以聚焦电子束，使得到的太赫兹辐射强度更高，从而提高太赫兹源的辐射功率。

在上述实施例的基础上，所述基于双曲超材料的片上太赫兹源，还包括：

本发明实施例提供的片上太赫兹源采用狭缝光栅进行HMM内CR的电磁模式提取，即输出的太赫兹频率由电子束中电子的动能和狭缝光栅的光栅周期决定。当狭缝光栅的光栅周期或电子的动能不同时，片上太赫兹源输出的太赫兹频点也不同。为了保证更高的太赫兹CR辐射的提取效率，需要使得狭缝光栅的狭缝很窄，即光栅占空比很大时，可以借由狭缝光栅的等离子体增强效应增大CR散射场强度。另外，可以通过适当提高电子束中电子的动能，或适当增大电子束的电流来增大辐射强度，从而增加HMM内产生的CR强度，使得片上太赫兹源可以提供更高的太赫兹辐射。

本实施例中，通过更换狭缝光栅的光栅周期和/或动态调整电子束中电子的动能，可以实现对片上太赫兹源输出的太赫兹辐射频点的动态调节，以满足更多片上太赫兹源的应用场景。

在上述实施例的基础上，所述双曲超材料中的所述第一材料层为石墨烯层，所述第二材料层为六方氮化硼层、聚甲基丙烯酸甲酯层或者石英晶体层。

第一材料层由等离子体频率覆盖太赫兹波段的材料形成；其中，石墨烯材料在THz波段呈现较好的金属性，等离子体振荡频率覆盖0.1-10THz区间，且机械强度高，导热性导电性好，在本发明实施例中是优秀的金属层备选材料。第二材料层由在太赫兹波段呈现介质性的材料形成；其中，六方氮化硼(hBN)是一种常见的二维材料，其在THz波段吸收损耗很低且呈现稳定的介质特性，常用于在研究中制备THz波导等器件，可用于作为本发明实施例提供的片上太赫兹源中的介质层；同样的，聚甲基丙烯酸甲酯和石英晶体也可以作为介质层。

需要说明的是，介质层可以有多种备选材料，如六方氮化硼、聚甲基丙烯酸甲酯、石英晶体等，还可以为其他一些有机物等，本实施例对此不作具体限制。

本实施中，通过使用石墨烯层和六方氮化硼层生成HMM，使得HMM在太赫兹波段显示出双曲特性，从而可以与自由电子作用产生太赫兹CR，并使得太赫兹源的输出频率实现了1-10THz的输出场频谱覆盖，具有优秀的宽频谱覆盖的特点。

另一方面，本发明实施例提供了一种基于双曲超材料的片上太赫兹源的制备方法，图11为本发明提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源的制备方法的流程示意图，其中包括：

步骤1101：交替堆叠第一材料层和第二材料层，形成双曲超材料结构层；其中，所述第一材料层由等离子体频率覆盖太赫兹波段的材料形成；所述第二材料层由在太赫兹波段呈现介质性的材料形成；

步骤1102：在所述双曲超材料结构层的第一面设置狭缝光栅；

步骤1103：在所述双曲超材料结构层的第二面上方设置电子束；其中，所述电子束所在的直线与所述狭缝光栅的狭缝所在直线垂直。

需要说明的是，在实际的制备工艺中，可以根据如下顺序制备片上太赫兹源：

形成狭缝光栅；

在所述狭缝光栅上形成双曲超材料结构层；

在所述双曲超材料结构层上方设置所述电子束。

具体的，HMM由单层石墨烯与单层六方氮化硼(hBN)交替层状堆叠而成，两种材料厚度均为约1nm，共堆叠8-10层，总膜厚约8-10nm。其中石墨烯作为金属层，hBN作为低损介质层，多层膜双曲超材料整体在1-10THz区间呈现双曲特性，用于在低电子能量下产生太赫兹CR。

狭缝光栅材料为Au，周期为3-12μm，狭缝宽度100-800nm，主要用于匹配膜内电磁场的波矢，将其散射至自由空间中实现辐射场的提取。极小的狭缝宽度(即大占空比)可以实现电磁场在狭缝处的局域放大，提高提取效率。

电子束中的电子能量在100eV-1keV范围内，电流50nA-50μA，且电子束的束斑直径20nm-3μm。

本发明提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源的制备方法，通过由等离子体频率覆盖太赫兹波段的材料与由在太赫兹波段呈现介质性的材料形成双曲超材料结构层，并在双曲超材料结构层的第一面设置狭缝光栅，在双曲超材料结构层的第二面设置电子束，使得双曲超材料结构层可以产生太赫兹辐射，并通过狭缝光栅提取为自由空间中的太赫兹辐射。使用双曲超材料结构层产生太赫兹辐射，可以实现较宽的太赫兹辐射频谱以及太赫兹源的小型化与片上集成化；太赫兹辐射由双曲超材料结构层与电子束中的电子形成的电磁场之间的作用产生，在电子束中电子的动能稳定的情况下可以实现太赫兹辐射的持续稳定输出。

在上述实施例的基础上，基于双曲超材料的片上太赫兹源制备方法中，所述在所述双曲超材料结构层的第二面上方设置电子束，包括：

不同的片上太赫兹源可以采用不同的电子源，主要有电镜电子束、针尖电子源、片上金属电极以及石墨烯电极电子源等，用于产生0.1-1keV电子能量、50nA-50μA电流的直流电子束，其中，电镜电子束束斑直径20-100nm，片上电子源电子束束斑直径100nm-3μm，不同类型的片上电子源性能有所差异。

电子接收器用于收集飞过HMM表面的电子，在使用电镜电子束的片上太赫兹源器件中采用电镜标准的电子收集器，在使用片上电子源的太赫兹源器件中使用对应的电子源阳极作为电子接收器。

在上述实施例的基础上，基于双曲超材料的片上太赫兹源制备方法，还包括：

其中，磁聚焦装置用于提供沿电子飞行方向的磁场，主要用于聚焦电子束防止其束斑扩散接触HMM表面损坏材料，磁场强度约为0.3-1T。

根据本发明实施例提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源及其制备方法，以下对片上太赫兹源器件的工作原理和具体工作流程进行说明。

本发明利用全新的CR原理制备全集成超小型化的片上THz源，器件可以在数十μm尺寸的芯片上实现约百nW-μW的连续波宽谱THz波输出，以解决现有THz源尺寸较大，频谱范围窄，难以连续波输出的问题，同时也可以将片上CR器件的应用频段扩展到THz波段。本发明实施例提供的片上太赫兹源主要分为三部分内容：使用石墨烯、六方氮化硼构建THz波段的HMM，并利用匀速飞行电子周围的消逝场在HMM内部产生THz无阈值CR；利用狭缝金属光栅对HMM内部大波矢CR模式的提取作用，将膜内场提取至自由空间实现THz辐射；将产生自由电子的Spindt针尖电子源或金属电极片上电子源或石墨烯电子源集成至HMM两端，从而实现全集成片上THz源。具体如下：

图12为本发明另一实施例提供的石墨烯-hBN多层膜材料构成的HMM原理示意图。器件工作的核心是HMM部分，HMM的特征是三维方向上介电常数正负不同，在实际器件中通常使用金属和介质层状堆叠的方式构建。石墨烯材料在THz波段呈现较好的金属性，等离子体振荡频率覆盖0.1-10THz区间，且机械强度高，导热性导电性好，是优秀的金属层备选材料。六方氮化硼(hBN)是一种常见的二维材料，其在THz波段吸收损耗很低且呈现稳定的介质特性，常用于在研究中制备THz波导等器件，可用于作为本发明中的介质层。石墨烯及hBN在THz波段的介电常数如图12A、图12B所示，通过计算得到的多层膜双曲超材料在x、z方向上的等效介电常数参见图12C。可见在1-10THz波段多层膜双曲超材料ε_x>0,ε_z<0，呈现双曲特性。根据计算得到的介电常数，可以利用得到HMM的等效折射率n_eff：

其中v₀为电子飞行速度，带入多层膜介电常数，电子动能1keV，可得等效折射率如图12D所示，在THz波段，等效折射率可达70-350。因此，使用石墨烯-氮化硼构建THz波段多层膜双曲超材料。

在上述HMM中，存在色散关系如下：

其中，ω为自由电子周围消逝场的频率，k_x、k_z为膜内电磁模式的波矢，为产生CR，需保证k_x、k_z均为实数，通过与自由电子消逝场色散关系联立，可以得到HMM中产生CR的条件为：

由此可得，在HMM中，产生CR的阈值条件反号，可以实现极低电子能量下的CR产生。

经过以上分析，石墨烯-hBN多层膜双曲超材料可以构成THz波段的HMM，并且可以产生极低电子能量下的CR，从而实现低能量阈值的THz辐射产生。

进一步地，由于HMM内部等效折射率极大，因此自由电子在HMM中激励的CR模式的等效波矢k_eff极大，CR模式被限制在HMM内部而无法辐射至自由空间。

图13为本发明另一实施例提供的采用金属狭缝光栅进行电磁模式提取的原理示意图，其中，k_eff为膜内CR的等效波矢，k_eff＝n_eff×k₀，k₀为真空波矢。根据公式可以计算膜内波矢与电子飞行方向之间的夹角为：

对于在HMM与真空自由环境交界处，使用一定周期的金属光栅可以有效补偿膜内外电磁场的横向波矢(平行于石墨烯层方向，z向波矢)，从而将膜内大波矢CR散射为真空传输模式，波矢补偿关系下：

其中n为提取阶次，取整数，p为金属光栅周期，k_0∥为真空波矢的切向分量。根据(2)(5)(6)三式即可确定所需光栅周期p的范围为3-12μm。同时，为了保证更高的提取效率，需要使得光栅狭缝很窄，以借由等离子体增强效应增大散射场强度，因此，选取的光栅周期约100-800nm，光栅占空比很大，故称之为狭缝光栅。该片上太赫兹源器件中具体可以使用Au、Ag、石墨烯等在太赫兹波段显示金属特性的金属或类金属材料。通过提取，可以实现约0.01％-6％不等的功率提取效率，随着电子能量下降，等效折射率增大，提取效率变低，在50μm×50μm的HMM中，1keV电子能量下，预计可以使用Au光栅提取出300nW-数μW太赫兹场辐射功率。

本发明提出的片上THz源的可以与片上电子源结合，利用片上电子源发射的自由电子产生CR实现辐射。采用的电子源有如下三种形式：针尖电子源、金属电极片上电子源、石墨烯电极片上电子源。需要指出的是，本发明实施例中不限于以上三种电子源集成方案，HMM辐射芯片可以与任何μm量级尺寸的片上电子发射源集成，并根据不同电子源的特点应用于不同的实用场景。本发明提供的片上太赫兹源，一是集成电子源可以采用阵列化集成的方案，同时并列集成多个电子源，最大化利用HMM的面积以实现更大功率的辐射输出；二是片上太赫兹源要求电子在HMM上方飞行数十μm而不能碰撞HMM损坏结构，因此需要沿电子飞行方向的强磁场约束束斑，为此可外加电磁线圈或其他类似的磁约束装置，该装置聚焦性能越好，得到的THz辐射信号越强，器件效率越高。

本发明提供的基于双曲超材料的片上太赫兹源具有以下优点：

该片上太赫兹源将CR辐射器件的应用频段扩展到THz。在2017年无阈值CR发现之前，受限于超高的电子速度，CR器件的应用多集中在高能物理与天文学中，HMM中的无阈值CR报道以来，相关研究均集中于紫外-可见光波段，还没有相关太赫兹微波波段应用的报道；另一方面，相比于已有太赫兹源，本发明利用太赫兹波段的CR器件，利用自由电子辐射的方法制备片上光源，相比于常见的量子级联激光器、真空电子管等太赫兹源有原理上的突破。

小型化、集成化、阵列化，工艺成熟且可连续波稳定输出。基于二维材料组成的HMM，且结合了CMOS工艺兼容的片上电子源，整体器件尺寸只有数十μm至百μm量级，相比于厘米量级的量子级联激光器和尺寸更大的电真空器件尺寸小了几个数量级，更容易应用于未来的小型化太赫兹器件中，如：手持太赫兹安检仪、移动设备太赫兹收发芯片等。另一方面虽然该片上太赫兹源输出功率相对较低，但更易实现阵列化集成，因此也可制备大功率太赫兹源阵列。此外CR辐射由飞行自由电子产生，因此在自由电子束流稳定的情况下，可以长时间稳定连续波输出太赫兹辐射，性能优于大部分只支持瞬时输出的光学太赫兹系统。

宽频谱覆盖，输出频点可调。由于石墨烯-hBN双曲超材料的双曲区间覆盖整个1-10THz频段，以此为基础的片上太赫兹源可以实现1-10THz的输出场频谱覆盖，常见的电子学器件频率集中在1THz以下，量子级联激光器多用于5-10THz以上，因此该片上太赫兹源具有优秀的宽频谱覆盖的特点；另外，由于输出频率由自由电子动能和提取光栅周期决定，因此，换用不同周期提取光栅，或动态调整自由电子动能均可实现器件输出频点在THz范围内的动态调节，有很好的应用前景。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种基于双曲超材料的片上太赫兹源，其特征在于，包括双曲超材料结构层，以及在所述双曲超材料结构层的第一面上设置的狭缝光栅；

其中，通过在所述双曲超材料结构层的第二面上方设置的电子束，使得所述双曲超材料结构层内产生太赫兹辐射，并通过所述狭缝光栅，将所述双曲超材料结构层内的太赫兹辐射提取为自由空间内的太赫兹辐射；

通过所述狭缝光栅的光栅周期和/或所述电子束中的电子的动能，调节所述片上太赫兹源输出的太赫兹频点；

采用加大所述光栅占空比、提高所述电子束中电子的动能和增大所述电子束的电流的方式增加辐射强度；

还包括用于生成所述电子束的片上电子源；所述片上电子源包括电子发射源和电子接收器；

所述电子接收器设置在与所述第一侧相对的第二侧，且不与所述第二面接触；

还包括磁场；

2.根据权利要求1所述的基于双曲超材料的片上太赫兹源，其特征在于，所述电子束所在的直线与所述狭缝光栅中的狭缝所在直线垂直。

3.根据权利要求1所述的基于双曲超材料的片上太赫兹源，其特征在于，所述电子束所在的直线与所述第二面所在的平面平行。

4.根据权利要求1所述的基于双曲超材料的片上太赫兹源，其特征在于，所述第一材料层为石墨烯层，所述第二材料层为六方氮化硼层、聚甲基丙烯酸甲酯层或者石英晶体层。