基于石墨烯超材料的可调谐太赫兹偏振不敏感电磁诱导透明器件

1.本发明属于超材料及光电应用技术领域。具体是基于石墨烯超材料的可调谐太赫兹偏振不敏感电磁诱导透明器件。


背景技术：

2.电磁诱导透明效应原本是一种出现在原子中的量子现象。由于外加光场的存在，原子的不同量子态会发生相干效应，其现象为两种频率接近的谐振模式会出现一定程度上的相互作用，此时，在他们谐振频率附近会有一个相干频率，在这个频率位置该系统将不再对该频率的电磁波吸收，转而透过，也就是所谓的透明。目前，在太赫兹波段已经研制出基于超材料的电磁诱导透明器件，可广泛应用到光存储器、慢光器件、传感器等方面。
3.太赫兹波的频率为0.1-10thz，在电磁波谱中处于电子学与光子学的交叉领域，是人类最后一个尚未完全开发的电磁波段。太赫兹波由于具有光子能量低、穿透性强、带宽高等特性，在国防安全、生物医学、无线通信等领域有广泛的应用。但是自然界中常规的材料很难和太赫兹波发生相互作用，特别是电磁响应，因此，发现人工设计的电磁超材料为推动太赫兹波器件的发展做出了极大贡献。
4.电磁超材料一般由制作在电介质或者半导体基底上的亚波长金属结构组成，它能够通过人工设计出自然界所不具备的材料特性，比如具有负介电常数、负折射率、逆向多普勒效应等特性。随着人工超材料的发展，传统的基于金属谐振器被设计用来激发电磁诱导透明由于几何结构固定，相应的就会表现为固定的频率吸收峰，不具备可调谐性。但在实际应用中，不需要改变几何结构尺寸并可动态调控的应用场景越来越多。因此如何通过调节外部参数实现可调的电磁诱导透明现象，具有非常重要的应用前景和实用价值。
5.基于石墨烯超材料的可调谐太赫兹偏振不敏感电磁诱导透明器件，在超材料中引入石墨烯，通过外加偏置电压，能够电调控石墨烯的表面电导率，实现可调的导电特性。并且设计的结构具有对称性，改善了之前只有一种偏振方式的电磁诱导透明现象。因此，若将石墨烯与超材料结合，能够产生可调的电磁诱导透明特性，其电磁调控的速度大于温控、mems等控制方式。
6.根据调研，发现目前所研究的太赫兹超材料电磁诱导透明器件，大部分属于非可调结构，并且电磁诱导透明现象只实现了一种偏振方式。


技术实现要素：

7.本发明针对现有的电磁诱导透明结构器件结构大多非可调，而且一般只在一种偏振方式下存在电磁诱导透明现象，或者不同偏振方向的平面波入射时存在不同的电磁诱导透明现象等问题，提出基于石墨烯超材料的可调谐太赫兹偏振不敏感电磁诱导透明器件，解决器件不可调和偏振敏感问题。
8.本发明所采用的技术方案是：一种基于石墨烯超材料的可调谐太赫兹偏振不敏感
电磁诱导透明器件，由周期结构组成的基本单元：每个基本单元包括两层：上层为图案化石墨烯层，下为电介质层。
9.所述石墨烯层覆盖在二氧化硅上，每个基本单元对应的邻边开口的石墨烯方形环结构相同，其具体结构形状如下：方形环的长为100μm，宽为10μm，每条边的开口间距为20μm，开口在同一方向上。且所述正方形石墨烯单元结构位于方形环石墨烯方框结构内部，大小是70*70μm。每个单元结构的周期是120*120μm。上层为开口方形环-正方形石墨烯层，其厚度为0.34nm，下层电介质层二氧化硅的厚度为5μm。
10.实际加工过程时首先在衬底上形成介质层薄膜，然后在介质层上采用化学方法或物理方法镀一层石墨烯薄膜形成石墨烯层，按照设定的周期和基本单元的个数，通过光刻或电子束曝光对石墨烯进行刻画，去掉多余的石墨烯薄膜形成四个邻边在同一水平位置开口的石墨烯方环，构成周期结构的石墨烯层。
11.最后，当所有石墨烯层一次性刻画完毕后，在石墨烯层上镀一层导电胶，以便对石墨烯层进行电压调节，实现动态可调。
12.当通过电压调节石墨烯的费米能级或化学势变化时，电磁诱导透明窗的工作频率和幅度将随电压发生改变同时，由于设计的石墨烯层具有结构对称性，在x方向和y方向偏振的线偏振光的变化趋势完全相同，这能实现器件的偏振不敏感特性。
13.采用本发明的有益效果：(1)基于石墨烯超材料的可调谐太赫兹偏振不敏感电磁诱导透明器件，利用石墨烯的半金属性质，外加电压，改变其费米能级，进而有效的调控电磁诱导透明窗的频率和幅度，促进了太赫兹波段可调器件的发展。
14.(2)基于石墨烯超材料的可调谐太赫兹偏振不敏感电磁诱导透明器件，由于设计的超材料单元结构具有对称性，不同方向的入射波入射到器件表面都会产生相同的电磁诱导透明窗，不需要更换器件，更有利于实际应用。
15.(3)选用石墨烯超材料，其制备技术成熟，更容易制造。
附图说明
16.图1为本发明三维结构示意图，xyz表示空间直角坐标系的坐标轴；
17.图2为本发明单元结构俯视图；
18.图3为本发明的透射仿真结果；
19.图4为本发明外加偏压改变石墨烯费米能级后的透射率曲线图；
20.图5为本发明结构中x偏振和y偏振光沿轴正向入射得到的透曲线图。
具体实施方式
21.(1)下面结合附图和实施例进一步阐释说明。
22.(2)如图1所示，本发明是一种基于石墨烯超材料的可调谐太赫兹偏振不敏感电磁诱导透明器件，所述的电磁诱导透明器件为周期结构，每个基本单元结构相同且在xy平面上沿着同一方向排列，其中上层为石墨烯层，下层为二氧化硅层。
23.(3)所述上层石墨烯层的方形环单元结构对应序号1，正方型单元结构3位于石墨烯方形环结构内部，下层二氧化硅层对应序号2。
24.(4)在实施本例中，方形环的长为100μm，宽为10μm，每条边的开口间距为20μm，开
口在同一方向上。且所述正方形石墨烯单元结构位于方形环石墨烯方框结构内部，大小是70*70μm。每个单元结构的周期是120*120μm。上层为开口方形环-正方形石墨烯层，其厚度为0.34nm，所述太赫兹器件单元的石墨烯单元结构排列在垂直和水平方向都是连续的。下层电介质层二氧化硅的厚度为5μm。
25.(5)本发明的工作原理如下：将一束平面波垂直入射到设计的超表面上，由于超材料的不同结构，在方形环的开口处激发了表面等离子体激元，形成明模式。同时由于正方形结构是闭合的，入射波照射其表面，形成暗模式。当两者组合到一起，由于超材料的作用，位于电磁诱导透明谐振频率处的表面电流由于明模与暗模的相干相消，表面电流强度明显减弱，明模和暗模均得到抑制，从而在一个宽的吸收带中形成一个窄带的透明窗，形成电磁诱导透明现象。由于结构的对称性，x偏振和y偏振光照射具有相同的现象，器件具有偏振不敏感性。
26.同时，当通过电压调节石墨烯的费米能级或化学势变化时，电磁诱导透明窗的工作频率和幅度将随电压发生改变同时，石墨烯介电常数的计算公式如下：
[0027][0028]
其中
[0029][0030]
th为石墨烯的厚度，ω是角频率，ε0是真空中的介电常数，是电子电量历为约化普朗克常数，kb为玻尔兹曼常数，t是温度，ef为费米能级，γ为载流子散射率。
[0031]
(6)如图3所示，本发明器件产生了电磁诱导透明效应，透明峰值在0.78thz，同时，入射波的偏振方向改变时，整个传输曲线基本保持不变，即本发明太赫兹器件对入射波偏振方向不敏感。
[0032]
(7)图4显示了器件的传输特性随费米能级的变化情况。从图中可以看到，当费米能级从0.9ev逐步增加到1.2ev时，透射峰的位置向高频移动，说明随着费米能级的改变，载流子运动剧烈，石墨烯的表面电导率发生改变，使得电磁诱导透明窗口附近的谐振发生了明显改变：透射峰值逐渐增大，透射峰的位置逐渐向高频移动，实现了可调谐性。
[0033]
(8)进一步考虑发明的实用性，改变入射波的偏振方向，发现透射峰的位置重合，如图5所示。这说明该器件具有偏振不敏感，在实际应用中不需要重新制造。
[0034]
(9)以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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。对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的基础上所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。