基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜、制备方法及使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于石墨烯材料的电控太赫兹减反射膜、制备方法及使用方法，该减反射膜为多层结构，包括至少两层石墨烯，以及将相邻石墨烯完全分隔的介质层，第一层石墨烯和第二层石墨烯上连接电极并加电压以便进行电场调节，使用时可以加工或者附着于基底或太赫兹元件上。本发明利用多层膜结构制备的减反射膜，可通过石墨烯的不同层数改变实现减反射性能的太赫兹元件或基底折射率范围，理论上实现了任意折射率材料的减反射。通过电压调控，可以使减反射的性能可调，精确度更高。
【专利说明】基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜、制备方法及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于太赫兹波段器件【技术领域】，具体是一种基于石墨烯的太赫兹波减反射膜、制备方法及使用方法。
【背景技术】
[0002]太赫兹(Terahertz,简称THz)是电磁波的频率单位，I太赫兹等于1012赫兹。太赫兹波的是指0.3THz到IOTHz范围的电磁波，对应波长范围从0.03mm到1mm。太赫兹波段有较高的空间分辨率(高频率)和时间分辨率(皮秒脉冲)，能量较小不会破坏物质，而且是生物大分子的振动、转动的共振频段。这些特性使其在例如宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文、无损检测、医学成像、安全检查等领域有潜在的应用前景。80年代之前，受到太赫兹波产生源和探测器的限制，涉及这一波段的研究和应用非常少。随着之后新技术(超快技术)，新材料的发展，使得太赫兹技术得到迅速发展。目前，太赫兹技术的研究以及应用开发正成为光学领域研究的热点。然而，高性能的新型太赫兹器件(例如发射源，探测器，调制器，分束器，色散光学元件，宽带透射窗口等)仍然亟待设计，以提高太赫兹技术的应用效率。由于菲涅尔效应，在这些元器件的接触界面上会产生多次反射，从而引起杂散光，干扰测量中的太赫兹脉冲，导致在频域产生干涉，降低光谱的分辨率，导致有用信息被掩盖。
[0003]减反射膜(antireflection coating)是一种功能性薄膜，目标是减少或者消除光电元件表面或内部的反射光。在可见、红外光波段，减反射膜是一种应用最广，需求最大的光学薄膜，也称为增透膜。主要功能是增加光学元件(例如透镜，棱镜，平面镜等)的透光量，减少或者消除系统的杂散光。典型的光学减反射膜为镀在光学元件表面的一层低折射率材料(折射率设为)，作用原理基于光波的干涉效应。当膜层的光学厚度(折射率与实际厚度的乘积)为透过光波长的四分之一，膜上反射的光与膜内部反射的光的光程差满足干涉相消条件，这时实现减反射效果。膜层折射率的最佳条件为(和分别为空气和光学元件的折射率)，这时内外反射的两束光的振幅可以达到相等，所以可以实现完全消除反射。
[0004]在太赫兹波段，如果使用光学波段的干涉原理制作减反射膜，那么对应0.03到Imm的波长范围，减反射膜的厚度范围应该从0.025到0.25mm。这有两个缺点，首先，因为这个波段的波长相对于可见波段长很多，所以减反射膜的需求厚度太厚，不利于膜的制备以及应用。第二，在太赫兹波段，我们常常需要宽波段的太赫兹信号(例如太赫兹时域光谱系统的脉冲是宽波段的，通常可以从零点几个太赫兹覆盖到几个太赫兹)，然而对应于不同波段需要的减反射膜的厚度相差太大，所以这种膜不能实现宽波段减反射。
[0005]在太赫兹波段,可以使用阻抗匹配(Impedance matching)的原理来实现减反射膜。阻抗匹配是微波电子学中的技术名词，指的是信号源或者传输线与负载之间的一种搭配方式，通过这种方式可以使微波信号全部传播到负载上，避免反射回源点，从而影响器材本身的工作状态。在太赫兹波段使用阻抗匹配原理制作减反射膜，对应的原理为:假设一层电导率为σ film、厚度为d的膜覆盖在折射率为nsub的光学元件表面上，这层膜的厚度很薄，远远小于透射太赫兹波的波长。那么在空气/膜/元件界面上，从元件内部向空气方向传播的太赫兹波在界面上的反射系数为 sub/film/air ^sub ^air ^ filmd) / (^sub~^^air~^^0 ^ filmd)，这里Ztl为真空阻抗。所以，当这层膜的薄层电导(等于电导率与厚度的乘积0filmd)满足OfilmCl= (Hsub-1W)/Ztl时，可以得到反射系数等于0，这时满足阻抗匹配关系，元件内部反射可以完全消除。当膜的薄层电导比阻抗匹配数值小的时候，反射系数是正数，得到与原始波同相位的反射波；而当膜的薄层电导比阻抗匹配数值大的时候，反射系数是负数，意味着反射波的相位发生了 η反转。
[0006]利用上述阻抗匹配原理制作太赫兹减反射膜的材料要求是:首先要在厚度上很薄，否则会因为膜的自身厚度引起干涉效应的干扰；其次要导电，因为要在厚度较薄的情况调控薄层电导，只有材料的导电率本身达到必要数值，并且这个值如果能随其它参数(例如载流子浓度等)可调，将会提高减反射膜在实际应用中的调控性能；第三，必须在宽的太赫兹波段范围内有较一致的电导率，因为电导率的色散性质越小，就越能实现宽波段范围的减反射作用；第四，这个材料必须热学、化学性质稳定，不随温度变化，难以被多种化学物质腐蚀(例如常用擦拭镜子的酒精、丙酮等)是保证防反射膜长期免维护的条件；最后，力学性质良好，如果在保证强度的同时能够有柔韧性，就可以具备应用到柔性器件上的潜力。目前，研究过的材料包括金属(例如金、铬)，氧化物半导体材料(氧化锌、二氧化钒、氧化铟锡)，以及金属超材料(人工结构材料)等，没有一种材料可以完全实现上述的要求。
[0007]石墨烯是一种单层碳原子组成的二维材料，这种材料具有良好的力学强度与柔韧性，高的导热系数，稳定的化学性质，以及优异、独特的光电性能。石墨烯的载流子迁移率很高，并且具有独特的 双极电场效应，这是由于其独特的线性狄拉克锥形色散关系。双极电场效应是指石墨烯中的载流子浓度(与费米能级的平方成正比)可以在栅极电压的作用下发生改变，从而改变石墨烯的薄层电导。在太赫兹波段，石墨烯的电导率服从德鲁德(Drude)模型。研究表明在太赫兹频段，石墨烯的光电导色散性很小，几乎不随频率的变化而变化。所以，就光电特性而言，石墨烯具有宽波段稳定、栅压可调的太赫兹电导率。
[0008]上面介绍了太赫兹波的元件应用现状、光学减反射膜的原理、电磁波阻抗匹配的原理、太赫兹阻抗匹配薄膜以及石墨烯的特性。可以看出，目前有效的太赫兹波段减反射膜还很欠缺，已有的方法和材料不同程度的面临了工作频段窄、稳定性差和不可调谐等缺陷。而石墨烯材料具备良好的力、热、光电特性，特别是具备宽波段与可调谐的潜质。
【发明内容】
[0009]针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的一个目的在于，提供一种基于石墨烯的新型电控减反射膜，采用如下的技术方案:
[0010]一种基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜，包括至少两层石墨烯层，每两层相邻的石墨烯层之间铺有一层介质层，所述介质层将该两层石墨烯层分隔开。
[0011]进一步的，所述石墨烯层为2~6层。
[0012]进一步的，所述减反射膜的反射系数为O时即实现减反射，反射系数的计算式为:
[0013]rfilm = Hn1II3/ {[ (MjM2) n3+ (M1-M2) (η2+Ζ0 σ gra) ] (η1+η3+Ζ0 σ gra) exp (ik3d)
[0014]- [ (M3+M4) n3+ (M3-M4) (n2+Z0 0 gra) ] (Ii3-1i1-Z0 0 gra) exp (_ik3d)}；
【权利要求】
1.一种基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜，其特征在于，包括至少两层石墨烯层，每两层相邻的石墨烯层之间铺有一层介质层，所述介质层将该两层石墨烯层分隔开。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜，其特征在于，所述石墨烯层为2~6层。
3.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜，其特征在于，所述减反射膜的反射系数为O时即实现减反射，反射系数的计算式为:
4.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜，其特征在于，所述减反射膜中的石墨烯层数根据所需要的元件或基底的折射率的可调范围进行确定:2层石墨烯实现减反射的元件或基底的折射率范围为1.2~2.4 ;4层石墨烯实现减反射的元件或基底的折射率范围为1.3~3.8 ;6层石墨烯实现减反射的元件或基底的折射率范围为1.5~5.2。
5.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜，其特征在于，所述石墨烯层的面积大于太赫兹光斑的面积，即不小于1cm2。
6.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜，其特征在于，所述介质层采用二氧化硅、氮化硼或三氧化二铝；所述电极采用金属或者合金电极。
7.权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜的制备方法，其特征在于，将所述减反射膜使用前加工于基底或太赫兹元件上，在太赫兹元件或基底上按照由下至上的次序逐层制备各层结构，包括至少两层石墨烯层、位于每两个相邻的石墨烯层之间的介质层、偶数层石墨烯层上共同相连的一个电极以及奇数层的石墨烯共同相连的一个电极，在两个电极上加载电压；保证每个介质层将相邻的石墨层完全隔开。
8.如权利要求7所述的基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜的制备方法，其特征在于，所述石墨烯层的制备采用化学气相法、机械剥离法、外延生长法或氧化还原法；所述介质层的制备采用真空蒸镀法、旋转涂覆法或化学气相沉积法；所述电极的制备采用真空蒸镀法、真空溅射法、化学气相沉积法或电化学沉积法。
9.权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹减反射膜的制备方法，其特征在于，对于固定层数的减反射膜，将位于偶数层连接的电极和位于奇数层石墨烯层连接的电极上加恒定电压，将电压从IOV向60V变换，随着所加电压的升高，观察反射脉冲的振幅，直至反射脉冲的振幅消失，此时所加的电压值确定为满足减反射膜的减反射系数为零时的电压；根据使用情况不同，所述减反射膜使用时主要有三种情况:(I)对于透射光，减反射膜位于基底或者太赫兹元件的正面；(2)对于透射光,石墨烯减反射膜位于基底或者太赫兹元件的反面；(3)对于反射光,石墨烯减反射膜贴附在基底或者太赫兹元件的反面；定义太赫兹光入射首先通过的面为基底或者太赫兹元件正面，另一面则为反面。
【文档编号】G02B1/10GK103984051SQ201410222152
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月23日 优先权日:2014年5月23日
【发明者】徐新龙, 周译玄, 任兆玉, 白晋涛 申请人:西北大学