CN114609806A - 一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，包括：(1)制备动态调控表面等离激元等离子体频率的器件，具体是指：在衬底层由下自上依次生长传输线金属层、周期性石墨烯凹槽层、调控石墨烯电导率的栅介质层；(2)通过给步骤(1)制备的动态调控表面等离激元等离子体频率的器件施加直流偏置改变石墨烯的电导率，动态调控表面等离激元的等离子体频率。本发明通过离子液体辅助形成的电双层电容器给石墨烯施加偏压改变石墨烯的电导率，而表面等离激元的等离子体频率与周期性凹槽的槽深直接相关，石墨烯电导率与石墨烯凹槽的等效槽深正相关，电导率的变化引起等效槽深的改变，因此实现对等离子体频率的动态调控。
Description
技术领域
本发明公开了一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，属于电磁场与微波技术和半导体器件技术等领域。
背景技术
表面等离激元是沿具有相反介电常数的金属和介质的接触面传输的电磁波，具有局域电场增强、突破光学衍射极限等突出特点，在光学、太赫兹以及微波波段已经获得非常广泛的应用，例如，高灵敏传感、超分辨率成像、高功率光伏发电等。在物理学中，表面等离激元是具有色散特性的慢波，随着频率增加，其色散曲线逐渐远离自由空间中光的曲线并接近等离子体频率。在高于等离子频率的频段，表面等离激元不能传输。传统的表面等离激元只存在与可见光和红外频段，在这个频段贵金属表现出等离子体特性，所以表现出负相对介电常数。在太赫兹和微波频段，金属被视作理想导体，不支持传统的表面等离激元，而具有亚波长周期性单元的结构化金属可以模拟光学频段的表面等离激元，实现突破衍射极限和局域电场增强，即人工表面等离激元。表面等离激元具有低传输损耗、弱互耦、易与传统传输线相结合等优点，在6G移动通信、近场增强等新兴领域有广泛应用前景。与传统光学表面等离激元不同的是，人工表面等离激元的色散特性完全由其周期性单元的结构尺寸决定，这意味着人工表面等离激元的传输特性可以被人为设计的。
作为无源器件，金属表面等离激元结构在设计后便具有固定的光学特性。如果与有源激励相结合，那它们原本固定的光学特性就可以被动态调控，因此可以实现更复杂的功能。目前，铁电材料、温控材料、二极管以及二维材料等已经被用来动态调控表面等离激元的幅度和频率。通常，幅度调制通过可调材料衰减实现宽带功能，频率调制采用额外的谐振结构与金属凹槽的激励源相结合的方式来实现。然而，目前还没有可以动态调控表面等离激元等离子体频率的方法。动态调控等离子体频率可以使表面等离激元在Zenneck表面波和慢波之间转换，在非互易性和动态开关等领域有潜在价值。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种使用石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法。将石墨烯与金属表面等离激元结构相结合形成石墨烯-金属混合结构，通过外加电压改变石墨烯的电导率，实现对表面等离激元等离子体频率的动态调控。
本发明通过在衬底表面利用光刻、电子束蒸发蒸镀和剥离技术制备表面等离激元传输线结构，然后利用湿法转移和干法刻蚀将石墨烯转移到衬底并图案化，用石墨烯凹槽代替原本应该是金属的周期性凹槽结构，通过施加偏压调控石墨烯凹槽的有效深度。石墨烯是一种具有广泛应用前途的动态调控激励源，具有高电子迁移率、良好的光学透明以及热电导率等特点，其电导率可以通过外加电场、泵浦光、化学掺杂等办法改变。通过改变石墨烯的化学势可以调控石墨烯的电导率。石墨烯电导率的变化可以改变表面等离激元周期性凹槽的等效槽深，从而改变其等离子体频率频率。该方法填充了对表面等离激元等离子体频率动态调控的空白，在表面等离激元领域具有广泛应用价值。
术语解释：
PSSNa：聚苯乙烯磺酸钠；
本发明的技术方案为：
一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，包括步骤如下：
(1)制备动态调控表面等离激元等离子体频率的器件，具体是指：在衬底层由下自上依次生长传输线金属层、周期性石墨烯凹槽层、调控石墨烯电导率的栅介质层；
(2)通过给步骤(1)制备的动态调控表面等离激元等离子体频率的器件施加直流偏置改变石墨烯的电导率，动态调控表面等离激元的等离子体频率。
根据本发明优选的，传输线金属层包括由共面波导、阻抗匹配及表面等离激元波导。
进一步优选的，所述表面等离激元波导的材质包括Ti/Au。
进一步优选的，所述周期性石墨烯凹槽层为单边周期性凹槽或双边周期性凹槽，凹槽的形状包括矩形、梯形、三角形。
根据本发明优选的，步骤(2)的具体实现过程如下：
A、将共面波导的射频地电极、射频信号电极分别连接至直流电源的正极、负极；
B、施加-1.5V到0.5V的电压，石墨烯的电导率先减小后增加，在-0.5V时到达狄拉克点即石墨烯的电导率最小值的点，对应石墨烯凹槽等效深度先减小后增加，等离子体频率先升高后下降。
根据本发明优选的，调控石墨烯电导率的栅介质层的材质为离子液体PSSNa。
根据本发明优选的，所述衬底层材质为厚度为300微米以下的高阻硅。
根据本发明优选的，所述周期性石墨烯凹槽层的材质为铜基CVD单层石墨烯。
根据本发明优选的，步骤(1)中，制备动态调控表面等离激元等离子体频率的器件，包括步骤如下：
①清洗衬底层；
②利用光刻、电子束蒸发和剥离技术在步骤①清洗后的衬底层上蒸镀传输线金属层；
③利用湿法转移将石墨烯转移到步骤②蒸镀的传输线金属层上，用光刻和干法刻蚀做出与表面等离激元波导相连的周期性石墨烯凹槽层；
④旋涂离子液体PSSNa覆盖整个射频地电极、射频信号电极及与其相连的周期性石墨烯凹槽层。
进一步优选的，步骤①，清洗衬底层，具体是指：首先，依次采用DECON清洗、采用去离子水清洗、采用丙酮清洗、采用乙醇清洗；然后，用去离子水冲洗；最后，用氮气吹干。
进一步优选的，步骤②，具体是指：首先，利用光刻在衬底层做出表面等离激元传输线的金属图案，然后，利用电子束蒸发依次蒸镀5nm的Ti和200nm的Au，最后，用丙酮剥离金属。
进一步优选的，步骤③，具体是指：首先，利用湿法转移将CVD石墨烯转移至步骤②的传输线金属层，然后，利用光刻做出周期性石墨烯凹槽层的图案，用干法刻蚀将不需要的石墨烯打掉，最后，去胶留下需要的周期性石墨烯凹槽层的图案。
本发明的有益效果为：
1、传统的表面等离激元具有固定的等离子体频率，本发明通过光刻、电子束蒸发蒸镀和剥离技术将人工表面等离激元与石墨烯相结合，通过外部激励动态改变石墨烯的电导率来调整表面等离激元周期性石墨烯凹槽的等效槽深，实现对表面等离激元等离子体频率的动态调控。
2、等离子体频率是表面等离激元传输和渐逝衰减的光谱边界，本质是一种高频截止现象，动态控制等离子体频率为微波和太赫兹开关、边带可调滤波器提供了新的思路和方法。
3、本发明将表面等离激元与石墨烯相结合，通过石墨烯电导率可调实现对太赫兹波的调制，为石墨烯动态调控太赫兹波的传输和截止铺平了道路，有望在太赫兹波调控中发挥重要作用。
附图说明
图1为表面等离激元等离子体频率的器件的平面示意图；
图2为表面等离激元等离子体频率的器件的剖面示意图；
图3为周期性石墨烯凹槽的单个周期结构示意图；
图4为覆盖栅介质层的表面等离激元等离子体频率的器件的结构及电压调控示意图；
图5为外加电压动态调控石墨烯电导率的工作原理示意图；
图6为本发明对表面等离激元等离子体频率动态调控的传输参数示意图1；
图7为本发明对表面等离激元等离子体频率动态调控的传输参数示意图2；
图8为本发明对表面等离激元等离子体频率动态调控的反射参数示意图1；
图9为本发明对表面等离激元等离子体频率动态调控的反射参数示意图2；
图10为0.19THz处外加电压与表面等离激元输出端透射率的对应关系的示意图；
图11为双边周期性凹槽的结构示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。
实施例1
一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，包括步骤如下：
(1)制备动态调控表面等离激元等离子体频率的器件，具体是指：在衬底层由下自上依次生长传输线金属层、周期性石墨烯凹槽层(或互补的齿状结构)、调控石墨烯电导率的栅介质层；
(2)通过给步骤(1)制备的动态调控表面等离激元等离子体频率的器件施加直流偏置改变石墨烯的电导率，动态调控表面等离激元的等离子体频率。
实施例2
根据实施例1所述的一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其区别在于：
如图1、图2所示，传输线金属层包括由共面波导、阻抗匹配及表面等离激元波导。图1中，Ⅰ是指共面波导，Ⅱ是指共面波导转表面等离激元波导的阻抗转换部分，Ⅲ是指表面等离激元波导；其他传输线及对应的阻抗匹配转换均可使用，例如带状线、同轴线等。
表面等离激元波导的材质包括Ti/Au。Ti作为粘附层，用于提高金属与衬底的粘结强度。金属Au作为主要的信号传输层，具有极好的导电性，随着Au厚度的增加，传输信号的损耗也随之在全频段降低。其它金属均可使用，如Al等。
周期性石墨烯凹槽层为单边周期性凹槽或双边周期性凹槽，单边周期性凹槽如图1所示，双边周期性凹槽如图11所示，凹槽的形状包括矩形、梯形、三角形。
调控石墨烯电导率的栅介质层的材质为离子液体PSSNa。PSSNa是一种高效的离子电解液，且在微波和太赫兹波段具有光学透明的特点。离子液体PSSNa作为调控石墨烯电导率的栅介质层，覆盖射频地电极、石墨烯、表面等离激元传输线。射频地电极、离子液体、表面等离激元波导与石墨烯，三部分组成电双层电容器。通过给射频地电极和表面等离激元传输线施加直流电压，电场会驱使电荷在离子液体与石墨烯层聚集，从而动态控制石墨烯的电导率。其他动态调控方法均可使用，例如泵浦光等。
衬底层材质为厚度为300微米以下的高阻硅。高阻硅材料具有微波太赫兹波频段插入损耗低和低成本优势，厚度越小，传输损耗越小。其他衬底均可使用，如石英等。
如图3所示，周期性石墨烯凹槽层的材质为铜基CVD单层石墨烯。铜基CVD单层石墨烯易于大面积湿法转移到目标衬底，且可以用干法刻蚀来制作图案。
步骤(2)的具体实现过程如下：
A、将共面波导的射频地电极、射频信号电极分别连接至直流电源的正极、负极；
B、施加-1.5V到0.5V的电压，石墨烯的电导率先减小后增加，在-0.5V时到达狄拉克点即石墨烯的电导率最小值的点，对应石墨烯凹槽等效深度先减小后增加，等离子体频率先升高后下降。
石墨烯凹槽的等效深度可以用衰减长度评估，衰减长度是波沿石墨烯传播时其强度衰减至1/e时的距离，其表达式为：
其中ω为角频率，εd为介质的相对介电常数，σ″g为石墨烯电导率σg的虚部。因此，石墨烯凹槽的等效槽深随石墨烯电导率的增加而增加。
如图3、图4所示，射频地电极、栅介质层、射频信号电极及与其相连的石墨烯，三部分组成电双层电容器结构，通过将共面波导的射频地电极和信号电极分别连接至直流电源的正负极，电容器中的电场会驱使栅介质中的自由电荷往栅介质与石墨烯的交界处聚集，从而改变石墨烯中载流子浓度，从而改变石墨烯的化学势，最终引起石墨烯电导率的变化。
表面等离激元的传输常数β可以用以下公式表示：
其中，k0代表自由空间波矢，a代表周期性凹槽的凹槽长度，p代表周期结构的周期长度，h为凹槽深度。
根据上式可以推出表面等离激元的等离子体频率的表达式为：
ωp＝πc0/2h,
其中，c0为自由空间光速。从上式中可以看出等离子体频率与凹槽深度成反比关系。
石墨烯的化学势可以被外加栅电压动态调控，其表达式为：
其中，a0＝εrε0/de来源于标准平行板电容器模型，εr为栅介质的相对介电常数，ε0为真空介电常数，d为栅介质厚度。VDirac为石墨烯的狄拉克点电压。
石墨烯电导率随化学势的变化关系为：
将传统表面等离激元波导的周期性金属凹槽在此用石墨烯凹槽代替，表面等离激元的等离子体频率与周期性凹槽的槽深直接相关，槽深越深，等离子体频率越低，反之，等离子体频率升高。用石墨烯代替金属凹槽，当石墨烯的电导率升高，凹槽的等效槽深增加，等离子体频率频率下降；当石墨烯电导率降低，凹槽的等效槽深减小，等离子体频率变高。
利用50Ω的高频GSG探针扎在制作好的共面波导阻抗为50欧姆的表面等离激元器件的两端，连接矢量网络分析仪来表征器件的传输参数和反射参数。图5为外加电压动态调控石墨烯电导率的工作原理示意图，将直流电压加在电双层电容器的两端，即共面波导的射频地电极和射频信号电极，改变外加电压，观察等离子体频率的变化。
图6为对表面等离激元等离子体频率动态调控的传输参数示意图1；图6中，使用本发明表面等离激元等离子体频率随外加电压的增加(从-1.5V增加至-0.5V)而升高的传输参数示意图，其中横坐标为频率，纵坐标为S参数；
图7为对表面等离激元等离子体频率动态调控的传输参数示意图2；图7为使用本发明表面等离激元等离子体频率随外加电压的增加(从-0.5V增加至0.5V)而降低的传输参数示意图，其中横坐标为频率，纵坐标为S参数；
图8为对表面等离激元等离子体频率动态调控的反射参数示意图1；图8为使用本发明表面等离激元等离子体频率随外加电压的增加(从-1.5V增加至-0.5V)而升高的反射参数示意图，其中横坐标为频率，纵坐标为S参数；
图9为对表面等离激元等离子体频率动态调控的反射参数示意图2；图9为使用本发明表面等离激元等离子体频率随外加电压的增加(从-0.5V增加至0.5V)而降低的反射参数示意图，其中横坐标为频率，纵坐标为S参数；
图10为0.19THz处外加电压与表面等离激元输出端透射率的对应关系的示意图。图10中，横坐标为外加电压，左纵坐标为表面等离激元器件中石墨烯的方阻，右纵坐标为190GHz处表面等离激元传输线输出端口的透射强度。如图10所示，当外加电压从-1.5V变化到0.5V时，石墨烯的方阻先增加后降低(电导率先减小后增加)，对应等离子体频率在190GHz上下变化，190GHz处透射强度的变化趋势与石墨烯电导率变化趋势相吻合，说明是外加电压通过改变石墨烯的电导率从而改变了等离子体频率。当外加电压从-1.5V变化至-0.5V时，表面等离激元的等离子体频率从181GHz蓝移至195GHz，因为此时石墨烯的电导率降低，凹槽的等效槽深降低；当外加电压从-0.5V变化至0.5V，表面等离激元的等离子体频率从195GHz红移至180GHz，因为此时石墨烯的电导率增加，凹槽的等效槽深变大。石墨烯的狄拉克点电压约为-0.5V，石墨烯对等离子体频率的动态调控在狄拉克点两侧近似对称。
实施例3
根据实施例1所述的一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其区别在于：
步骤(1)中，制备动态调控表面等离激元等离子体频率的器件，包括步骤如下：
①清洗衬底层；具体是指：首先，依次采用DECON清洗、采用去离子水清洗、采用丙酮清洗、采用乙醇清洗；然后，用去离子水冲洗；最后，用氮气吹干。
②利用光刻、电子束蒸发和剥离技术在步骤①清洗后的衬底层上蒸镀传输线金属层；具体是指：首先，利用光刻在衬底层做出表面等离激元传输线的金属图案，然后，利用电子束蒸发依次蒸镀5nm的Ti和200nm的Au，最后，用丙酮剥离金属。
③利用湿法转移将石墨烯转移到步骤②蒸镀的传输线金属层上，用光刻和干法刻蚀做出与表面等离激元波导相连的周期性石墨烯凹槽层；具体是指：首先，利用湿法转移将CVD石墨烯转移至步骤②的传输线金属层，然后，利用光刻做出周期性石墨烯凹槽层的图案，用干法刻蚀将不需要的石墨烯打掉，最后，去胶留下需要的周期性石墨烯凹槽层的图案。
④旋涂离子液体PSSNa覆盖整个射频地电极、射频信号电极及与其相连的周期性石墨烯凹槽层。
Claims (10)
1.一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)制备动态调控表面等离激元等离子体频率的器件，具体是指：在衬底层由下自上依次生长传输线金属层、周期性石墨烯凹槽层、调控石墨烯电导率的栅介质层；
(2)通过给步骤(1)制备的动态调控表面等离激元等离子体频率的器件施加直流偏置改变石墨烯的电导率，动态调控表面等离激元的等离子体频率。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其特征在于，传输线金属层包括由共面波导、阻抗匹配及表面等离激元波导。
3.根据权利要求2所述的一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其特征在于，所述表面等离激元波导的材质包括Ti/Au。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其特征在于，所述周期性石墨烯凹槽层为单边周期性凹槽或双边周期性凹槽，凹槽的形状包括矩形、梯形、三角形。
5.根据权利要求2所述的一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其特征在于，步骤(2)的具体实现过程如下：
A、将共面波导的射频地电极、射频信号电极分别连接至直流电源的正极、负极；
B、施加-1.5V到0.5V的电压，石墨烯的电导率先减小后增加，在-0.5V时到达狄拉克点即石墨烯的电导率最小值的点，对应石墨烯凹槽等效深度先减小后增加，等离子体频率先升高后下降。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其特征在于，调控石墨烯电导率的栅介质层的材质为离子液体PSSNa。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其特征在于，所述衬底层材质为厚度为300微米以下的高阻硅。
8.根据权利要求1-6任一所述的一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其特征在于，所述周期性石墨烯凹槽层的材质为铜基CVD单层石墨烯。
9.根据权利要求1所述的一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其特征在于，步骤(1)中，制备动态调控表面等离激元等离子体频率的器件，包括步骤如下：
①清洗衬底层；
②利用光刻、电子束蒸发和剥离技术在步骤①清洗后的衬底层上蒸镀传输线金属层；
③利用湿法转移将石墨烯转移到步骤②蒸镀的传输线金属层上，用光刻和干法刻蚀做出与表面等离激元波导相连的周期性石墨烯凹槽层；
④旋涂离子液体PSSNa覆盖整个射频地电极、射频信号电极及与其相连的周期性石墨烯凹槽层。
10.根据权利要求8所述的一种石墨烯动态调控表面等离激元等离子体频率的方法，其特征在于，步骤①，清洗衬底层，具体是指：首先，依次采用DECON清洗、采用去离子水清洗、采用丙酮清洗、采用乙醇清洗；然后，用去离子水冲洗；最后，用氮气吹干；
步骤②，具体是指：首先，利用光刻在衬底层做出表面等离激元传输线的金属图案，然后，利用电子束蒸发依次蒸镀5nm的Ti和200nm的Au，最后，用丙酮剥离金属；
步骤③，具体是指：首先，利用湿法转移将CVD石墨烯转移至步骤②的传输线金属层，然后，利用光刻做出周期性石墨烯凹槽层的图案，用干法刻蚀将不需要的石墨烯打掉，最后，去胶留下需要的周期性石墨烯凹槽层的图案。
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2022
- 2022-02-17 CN CN202210144024.9A patent/CN114609806A/zh active Pending
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