CN115020948B - 基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明属于滤波器件技术领域，特别涉及一种基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，包含：衬底层、石墨烯结构及介质层，所述石墨烯结构包含：铺设在衬底层上的第一层石墨烯，和铺设在介质层上的第二层石墨烯，其中，介质层位于第一层石墨烯和第二层石墨烯之间，且第一层石墨烯和第二层石墨烯均由若干平行且等间隔设置的石墨烯带构成。本发明结构简单，仅采用石墨烯、介质、石墨烯和衬底夹层结构来实现带阻滤波效果，便于实施，通过周期性的石墨烯条带状结构来产生太赫兹带阻滤波效应，器件带宽可调谐、性能稳定，具有良好的应用前景，可为微型集成太赫兹器件的制造和应用提供技术支持。

Description

基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器

技术领域

本发明属于滤波器件技术领域，特别涉及一种基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器。

背景技术

在过去的几十年里，太赫兹技术已经成为科学研究的重要领域。许多研究已表明，太赫兹在不同领域的许多应用中发挥着重要作用，如安全、传感、生物技术、成像和通信等领域。这主要是因为很多材料在太赫兹频率下几乎是透明的。然而，太赫兹技术快速发展的关键在于高效的太赫兹器件的开发，如强太赫兹辐射源、超灵敏的太赫兹探测器，特别是多功能的太赫兹调控装置。现有的高性能光学器件大多适用于可见光和微波频段，但不适用于太赫兹频段。因此，迫切需要能够很好地调控太赫兹波性能的优良太赫兹器件，如开关器件、滤波器、吸收器和波片等。为了有效地控制和利用太赫兹波，研究学者们提出了许多方法并进行了很多实验尝试。例如，采用飞秒激光泵浦硅、锗等半导体材料，利用温控二氧化钒等相变材料，设计人工超材料实现共振等。在这些方法中，基于半导体和超材料的太赫兹调制器被广泛研究。然而，对于这些调制器来说，工作带宽和调制深度往往处于互相博弈的状态。也就是说，当调制带宽较宽时，调制深度往往不高，而高的调制深度往往以牺牲带宽为代价。比如，基于金属-半导体材料的太赫兹器件调制深度通常较低，而调制带宽则较宽。基于超材料的太赫兹器件具有较高的调制深度，但调制带宽却比较窄，这主要归因于器件本身固有的谐振特性。

石墨烯，即单层石墨，是碳原子以sp2杂化轨道组成的六角形结构，呈蜂巢晶格排列的单层二维晶体，厚度仅有0.34nm。自2004年被成功地从实验上证实它可以单独存在以来，关于石墨烯的探索在科学界激起了巨大的波澜，成为科学研究的一个焦点。一系列研究和实验表明，石墨烯具有许多优越的物理性质，包括室温下的高电子迁移率、极高的热导率、异常量子霍尔效应、维持极高电流密度的能力以及可饱和的光吸收。在太赫兹领域，石墨烯被广泛研究和应用，虽然单层石墨烯的厚度仅为0.34nm，但其对太赫兹波的调制效果依然非常显著，因此被认为是一种用来调制太赫兹波的极具潜力的材料。已有理论和实验研究证实，石墨烯的化学势可以随外部激发条件而改变，并且在石墨烯中可以激发表面等离子体激元。因此，不像传统的基于金属的微纳器件需要重新制造新的结构来实现太赫兹波的可调谐，基于石墨烯的器件只需要通过改变石墨烯的化学势即可实现对太赫兹波的主动可调谐。现有太赫兹滤波器中能有效实现带阻的很少，往往借助于金属-石墨烯结构来实现，且结构略显复杂。

发明内容

为此，本发明提供一种基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，结构简单，利用双层石墨烯带实现在太赫兹波段的响应，可应用于高性能的太赫兹滤波器或吸收器。

按照本发明所提供的设计方案，一种基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，包含：衬底层、石墨烯结构及介质层，所述石墨烯结构包含：铺设在衬底层上的第一层石墨烯，和铺设在介质层上的第二层石墨烯，其中，介质层位于第一层石墨烯和第二层石墨烯之间，且第一层石墨烯和第二层石墨烯均由若干平行且等间隔设置的石墨烯带构成。

作为本发明基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，进一步地，第一层石墨烯的石墨烯带和对应的第二层石墨烯的石墨烯带两者的中心线在同一垂直面上；第二层石墨烯的石墨烯带、介质层，对应第一层石墨烯的石墨烯带及衬底层由上至下构成带阻滤波器的微结构单元格。

作为本发明基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，进一步地，第一层石墨烯的石墨烯带宽度小于第二层石墨烯的石墨烯带宽度。

作为本发明基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，进一步地，衬底层采用二氧化硅层，而非金属层。

作为本发明基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，进一步地，介质层采用光刻胶层。

针对上述滤波器，本发明还提供一种滤波器使用方法，包含：根据滤波性能要求来设置第一层石墨烯和第二层石墨烯两者的石墨烯带的宽度、同一层相邻石墨烯带间距和介质层厚度的步骤。和/或根据滤波器应用要求通过改变衬底层和/或介质层的折射率来调节滤波器中心频率和带宽的步骤。和/或根据滤波器应用要求通过改变第一层石墨烯的费米能量和第二层石墨烯的费米能量来调节滤波器中心频率和带宽的步骤。以通过改变滤波器结构参数和石墨烯化学势来调制太赫兹透射光谱的中心频率和带宽，或通过改变介质层和衬底层材料的折射率来调制滤波器的带宽和中心频率，或通过改变石墨烯的费米能量来调节滤波器中心频率和带宽，满足实际中带宽可调谐滤波器或太赫兹吸收器的应用。

本发明的有益效果：

本发明仅采用石墨烯、介质、石墨烯和衬底夹层结构来实现太赫兹波的带阻滤波效果，结构简单，便于实施，通过周期性的石墨烯条带状结构来产生对太赫兹波的滤波效应，器件带宽可调谐、性能稳定，具有良好的应用前景，为微型集成太赫兹器件的制造和应用提供技术支持。

附图说明：

图1为实施例中基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器结构示意；

图2为实施例中滤波器产品三维示意；

图3为实施例中透射光谱和电场示意；

图4为实施例中不同结构参数下滤波器透射谱示意；

图5为实施例中不同间隔尺寸和不同介质折射率下滤波器透射光谱示意；

图6为实施例中不同费米能量下滤波器透射光谱示意；

图7为实施例中不同衬底层折射率下透射光谱示意。

图中标号，标号1表示衬底层，标号2代表介质层，标号31代表第一层石墨烯，标号32代表第二层石墨烯。

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、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例，提供一种基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，参见图1所示，包含如下内容：包含：衬底层1、石墨烯结构及介质层2，所述石墨烯结构包含：铺设在衬底层1上的第一层石墨烯31，和铺设在介质层2上的第二层石墨烯32，其中，介质层2位于第一层石墨烯31和第二层石墨烯32之间，且第一层石墨烯31和第二层石墨烯32均由若干平行且等间隔设置的石墨烯带构成。

本案实施例中，结构简单，便于实现，仅采用石墨烯、介质、石墨烯和衬底夹层结构来实现带阻滤波效果，通过周期性的石墨烯条带状结构来产生太赫兹波的滤波效应，器件带宽可调谐、性能稳定。

本案实施例中，进一步地，第一层石墨烯的石墨烯带和对应的第二层石墨烯的石墨烯带两者的中心线在同一垂直面上；第二层石墨烯的石墨烯带、介质层、对应第一层石墨烯的石墨烯带及衬底层由上至下构成带阻滤波器的微结构单元格。进一步地，第一层石墨烯的石墨烯带宽度小于第二层石墨烯的石墨烯带宽度。进一步地，衬底层采用二氧化硅层，而非金属层。进一步地，介质层采用光刻胶层。

石墨烯中有两种跃迁，分别是带间跃迁和带内跃迁。由于泡利不相容原理，只有当激发光子能量超过石墨烯费米能量的两倍时，带间跃迁才会发生。因此，在可见光和红外频率范围内，石墨烯中的带间跃迁占主导地位。对于垂直入射的单层石墨烯，吸收接近2.3％。同时，在太赫兹频率范围内，带内跃迁占主导地位，产生的光学电导率可由Drude模型描述。实验结果证实，石墨烯的光学电导率可通过改变石墨烯的化学势(费米能量)来调节。

本案实施例中，石墨烯带可被认为一种厚度为d₀的超薄薄膜。可以用库伯公式描述石墨烯的表面电导率，如式(1)所示:

其中σ_g(ω)表示石墨烯的表面电导率，τ表示动量弛豫时间，T表示温度，μ_c表示费米能级，k_B表示玻尔兹曼常数，e表示电子电荷，h表示约化普朗克常数，ω表示入射光的角频率。在这个公式中，第一项表示带内跃迁，第二项表示带间跃迁。当入射光子的能量超过石墨烯费米能量的两倍时，电子的带间跃迁表现明显。而在太赫兹频率范围，石墨烯的费米能量远远超过光子能量的一半，因此带内跃迁占主导地位，此时的带间跃迁几乎可以忽略不计。带内跃迁时电子-光子的散射过程将产生类似Drude色散效应，通过简化库伯公式，表面电导率σ_g(ω)可以用式(2)来描述:

其中，E_F为费米能量，E_F和τ满足如下关系式(3):

式中，n为载流子浓度，v_F为石墨烯中载流子的费米速度，其值为1.0*10⁶m/s，μ为载流子迁移率。

近年来，理论研究表明，石墨烯本身在中红外和远红外波段均能支持表面等离子体共振和局域表面等离子体共振。由于泡利不相容原理，石墨烯在太赫兹频率下无法发生带间跃迁，损耗很小，可以支持表面等离子体传播。石墨烯中表面等离子体的色散可以用式(4)来表示:

式中k_SP表示石墨烯中表面等离子体激元的波矢，ε_sub表示衬底的相对介电常数，ε_med表示两层石墨烯带之间介质的相对介电常数，ε₀表示真空介电常数，k₀表示自由空间波矢，c表示真空中的光速。通过将石墨烯切割成图2所示的周期性带状结构，可以观察到入射电磁场和石墨烯中的表面等离子体激元之间存在耦合效应。等离子体激元共振的波长可通过公式(5)估算，如下所示：

其中λ_L是共振波长，W为石墨烯带的宽度，由式(5)可知，石墨烯带状阵列中的等离子体共振波长与成正比。因此，不仅可以通过制备不同宽度的石墨烯阵列，而且可以通过石墨烯的费米能级E_F来调节等离子体共振的位置。

如图中2所示，(a)滤波器三维结构示意，(b)单元格正视图，结构参数分别设置为w₁＝60μm,w₂＝40μm,d＝40μm,P＝80μm。该滤波器是在石英衬底支撑的中间介质层两侧制作周期性的双层石墨烯带，可选用光刻胶su8作为中间介质层。在y方向上，整个结构是无限长的。在x方向上，顶部和底部石墨烯带的宽度分别为w₁和w₂。同时，上下石墨烯带在x方向上具有相同的对称轴。d是中间介质层的厚度，即两层石墨烯之间的距离。P表示在x方向上的单元格的周期。石英衬底在太赫兹频率范围内的折射率为n_sub＝1.96。本案实施例中，采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统测了中间介质层的折射率，得到n_med＝1.5；图2中的结构截面(x-z平面)如图(b)所示，光沿z方向传播，电场方向沿x方向。

基于上述的滤波器，本发明实施例还提供一种滤波器使用方法，包含：根据滤波性能要求来设置第一层石墨烯和第二层石墨烯两者的石墨烯带的宽度、同一层相邻石墨烯带间距和介质层厚度的步骤。和/或根据滤波器应用要求通过改变衬底层和/或介质层的折射率来调节滤波器中心频率和带宽的步骤。和/或根据滤波器应用要求通过改变第一层石墨烯的费米能量和第二层石墨烯的费米能量来调节滤波器中心频率和带宽的步骤。以通过改变滤波器结构参数和石墨烯化学式势来调制太赫兹透射光谱的中心频率和带宽，或通过改变介质层和衬底层材料的折射率来调制滤波器的带宽和中心频率，或通过改变石墨烯的费米能量来调节滤波器中心频率和带宽。满足实际中带宽可调谐滤波器或太赫兹吸收器的应用。

在太赫兹频率下，石墨烯薄膜的介电常数可以用ε_eq＝ε+iσ_g(ω)/(ωε₀d₀)表示，其中ε为表面法向分量，可设为ε＝2.5。x方向采用周期边界条件，z方向采用完美匹配层(PML)。图3所示，(a)给出滤波器太赫兹透射谱，其中，两层石墨烯带的透射光谱(实线)，只有上层石墨烯带(深灰色虚线)和下层石墨烯带(浅灰色虚线)。结构的参数设置为w₁＝60μm(上层条带的宽度),w₂＝40μm(下层条带的宽度),n_sub＝1.96(滤波器的衬底),n_med＝1.5(中间介质层的折射率),d＝40μm(中间介质层的厚度),P＝80μm(单元格周期)，E_F＝0.6eV(石墨烯的费米能级)。当太赫兹波入射时，滤波器的石墨烯带与太赫兹波发生强烈的相互作用，并沿太赫兹波的方向激发出局域等离子体激元共振。对于只有上层石墨烯带的结构，在约1.25THz时可以观察到透射最小值，如图2(a)中的黑色虚线曲线所示。对于只有下层石墨烯带的结构，也可以得到类似的结果，如图2(a)中红色虚线曲线所示。然而，当两层石墨烯带以间隔尺寸d堆叠时，两个共振陷波相互作用并形成了宽带太赫兹滤波效应，(a)中的实线所示。该带阻滤波器的中心频率约为1.2THz，在3dB处的带宽为0.9THz。(b)分别为0.9THz、1.2THz、1.54THz和1.7THz时X-Z平面的电场分布图。

如图4所示，费米能级E_F设为0.6eV,上层与下层石墨烯带具有相同的周期p，固定上层石墨烯带占空比为3:4，下层石墨烯带占空比为1:2。此处定义占空比为一个周期内石墨烯带所占的比例。其中，(a)在固定占空比下，结构的周期在48μm到120μm之间变化；(b)上层的宽度从45μm到70μm变化，下层和周期分别固在40μm和80μm；(c)下层的宽度从35μm到60μm变化，上层和周期分别固定在60μm和80μm。(a)显示结构周期从48μm增加到120μm时的太赫兹透射谱，此时上层带对应的宽度从36μm增加到90μm，下层带的宽度从24μm增加到60μm。很显然，阻带中心频率随周期的增加而增加，即发生红移；(b)显示上层带的宽度在45～70μm范围内的太赫兹透射谱，此时下层石墨烯带的宽度固定在40μm，单元结构的周期固定在80μm；(c)显示下层石墨烯带的宽度为35～60μm、上层石墨烯带的宽度固定在60μm、单元结构的周期固定在80μm时的太赫兹透射谱。这些结果与公式(5)一致，即石墨烯带的宽度越宽，偶极子工作距离越长，导致共振波长向长波长方向移动。

图5中，结构参数设置为w₁＝60μm,w₂＝40μm,P＝80μm。(a)n_med＝1.5时，间隔尺寸d在30～55μm之间变化；(b)d＝40μm时，中间介质的折射率在1.4～1.9之间变化。(a)是双层石墨烯带在不同间隔距离情况下的透射光谱。结构参数设置为w₁＝60μm,w₂＝40μm,P＝80μm,E_F＝0.6eV。d从30μm到55μm，阻带中心频率呈红移趋势。同时，阻带带宽也随着d的增大而变窄。在设计的结构中，上层与下层石墨烯带之间的近场耦合形成了阻带滤波效应。随着d的增大，耦合效应减弱，共振陷波逐渐减弱，中心频率呈红移趋势。此外，中间介质的折射率也会影响滤波效果，如图(b)所示。费米能级固定在0.6eV，除中间介质折射率外，其他结构参数均与(a)相同。当介质折射率由1.4增加到1.9时，阻带中心频率向低频方向移动。同时，阻带带宽随着n_med的增大而变窄。结果也符合式(5)，其中谐振波长随中间介质折射率的增大而增大。

图6展示本案滤波器在石墨烯不同化学势下的太赫兹透射谱。结构参数设置为w₁＝60μm,w₂＝40μm,P＝80μm,d＝40μm,n_med＝1.5,n_sub＝1.96。随着化学势的增加，滤波器的带宽趋于变宽，中心频率发生蓝移。这是因为表面等离子体极化激元的色散损耗随着费米能级的增加而减小，导致共振的增强。当石墨烯双层膜的费米能量E_F从0.4eV增加到0.8eV时，共振增强，使中心频率向短波长方向移动。因此，通过改变石墨烯的费米能量可以调节滤波器中心频率和带宽，可以满足不同的实际需要。

考虑到石墨烯的厚度以及该器件的实际应用，为该系统提供合适衬底是非常重要的。因此，衬底对滤波器性能也会有影响。结构参数选择w₁＝60μm,w₂＝40μm,P＝80μm,d＝40μm,n_med＝1.5。结果如图6所示，根据衬底的不同折射率，将透射光谱绘制在不同的色线上，底物的折射率从1.0到2.4变化。假设n_sub从1.0增加到2.4。随着折射率的增加，阻带的中心频率趋于红移，阻带的带宽变窄。因此，通过改变衬底介质的折射率，可以调节该滤波器件的中心频率和带宽，可以满足不同的实际需要。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

在这里示出和描述的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制，因此，示例性实施例的其他示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，包含：衬底层、石墨烯结构及介质层，其特征在于，所述石墨烯结构包含：铺设在衬底层上的第一层石墨烯，和铺设在介质层上的第二层石墨烯，第一层石墨烯的带宽度小于第二层石墨烯的带宽度，其中，介质层位于第一层石墨烯和第二层石墨烯之间，第一层石墨烯、介质层及第二层石墨烯三者堆叠设置，且第一层石墨烯和第二层石墨烯均由若干平行且等间隔设置的石墨烯切割条带构成，所述石墨烯切割条带采用厚度为d₀的超薄薄膜。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，其特征在于，第一层石墨烯的石墨烯带和对应的第二层石墨烯的石墨烯带两者的中心线在同一垂直面上；第二层石墨烯的石墨烯带、介质层、对应第一层石墨烯的石墨烯带及衬底层由上至下构成带阻滤波器的微结构单元格。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，其特征在于，衬底层采用二氧化硅层，而非金属层。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器，其特征在于，介质层采用光刻胶层。

5.一种如权利要求1～4任一项所述的基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器的使用方法，其特征在于，包含：根据滤波性能要求来设置第一层石墨烯和第二层石墨烯的带宽度、同一层相邻石墨烯带间距和介质层厚度的步骤。

6.一种如权利要求1～4任一项所述的基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器的使用方法，其特征在于，包含：根据滤波器应用要求通过改变衬底层和/或介质层的折射率来调节滤波器中心频率和带宽的步骤。

7.一种如权利要求1～4任一项所述的基于石墨烯的宽带可调谐太赫兹带阻滤波器的使用方法，其特征在于，包含：根据滤波器应用要求通过改变第一层石墨烯的费米能量或第二层石墨烯的费米能量来调节滤波器中心频率和带宽的步骤。