基于石墨烯薄膜结构电控太赫兹波开关的制作方法

本发明涉及太赫兹波开关，尤其涉及一种基于石墨烯薄膜结构电控太赫兹波开关。

背景技术：

近年来，在电磁波谱上介于发展已相当成熟的毫米波和红外光之间的太赫兹波无疑是一个崭新的研究领域。太赫兹波频率0.1～10THz，波长为30μm～3mm。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹波产生和检测方法，与传统的微波技术和光学技术相比较，人们对该波段电磁辐射性质的了解甚少，以至于该波段成为了电磁波谱中的太赫兹空隙。随着太赫兹辐射源和探测技术的突破，太赫兹独特的优越特性被发现并在材料科学、气体探测、生物和医学检测、通信等方面展示出巨大的应用前景。可以说太赫兹技术科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题，又是新一代信息产业以及基础科学发展的重大需求。太赫兹系统主要由辐射源、探测器件和各种功能器件组成。在实际应用中，由于应用环境噪声以及应用需要的限制等，需控制太赫兹波系统中的太赫兹波的通断，因而太赫兹波开关在实际中有重要的应用，已成为国内外研究的热点和难点。

当前国内外研究的太赫兹波开关结构主要基于光子晶体、超材料等结构，这些结构往往很复杂，而且在实际制作过程中困难重重，成本较高，对加工工艺和加工环境要求也高，所以研究结构简单、易于控制、成本低的太赫兹波开关意义重大。

技术实现要素：

本发明提供一种基于石墨烯薄膜结构电控太赫兹波开关，技术方案如下：

基于石墨烯薄膜结构电控太赫兹波开关包括包括基底层、石墨烯层、堆叠棱形金属层；基底层的上层为石墨烯层，石墨烯层的上层为堆叠棱形金属层，堆叠棱形金属层由呈3×3排列的9个堆叠棱形金属周期单元组成，堆叠棱形金属周期单元由四个堆叠三角形金属周期单元首尾相连呈菱形分布，堆叠三角形金属周期单元由一个等边三角形金属薄膜下方依次连接三个等腰梯形金属薄膜构成；太赫兹信号在堆叠棱形金属层上方从几何中心处垂直输入，依次经过堆叠棱形金属层、石墨烯层、基底层后垂直输出。石墨烯层与基底层可分别连接一个偏置直流电压源的正负两极，调节外加偏置直流电压源的电压会改变石墨烯化学势，从而改变石墨烯的介电常数，由此实现不同外加电场时控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。

所述的基底层的材料为二氧化硅，长度和宽度均为68μm～70μm，厚度为4μm～6μm。所述的石墨烯层的长度和宽度均为68μm～70μm，厚度为0.33nm～0.34nm。所述的堆叠棱形金属层的材料均为铜，厚度为8μm～10μm。所述的堆叠棱形金属周期单元的厚度为8μm～10μm，相邻间距为7μm～8μm。所述的堆叠三角形金属周期单元的长度为5μm～6μm，宽度为1.8μm～2.0μm，厚度为8μm～10μm。所述的等边三角形金属薄膜的边长为1.8μm～2.0μm，厚度为8μm～10μm。所述的等腰梯形金属薄膜的上底为0.4μm～0.5μm，下底为1.8μm～2.0μm，高为1.2μm～1.3μm，厚度为8μm～10μm。

本发明具有结构简单紧凑，尺寸小，易于控制，便于加工等优点。

附图说明：

图1是基于石墨烯薄膜结构电控太赫兹波开关的结构示意图；

图2是基于石墨烯薄膜结构电控太赫兹波开关的石墨烯薄膜的结构示意图；

图3是基于石墨烯薄膜结构电控太赫兹波开关的堆叠三角形金属周期单元的结构示意图；

图4为太赫兹波开关的传输曲线。

具体实施方式

如图1～3所示，基于石墨烯薄膜结构电控太赫兹波开关包括基底层1、石墨烯层2、堆叠棱形金属层3；基底层1的上层为石墨烯层2，石墨烯层2的上层为堆叠棱形金属层3，堆叠棱形金属层3由呈3×3排列的9个堆叠棱形金属周期单元4组成，堆叠棱形金属周期单元4由四个堆叠三角形金属周期单元5首尾相连呈菱形分布，堆叠三角形金属周期单元5由一个等边三角形金属薄膜6下方依次连接三个等腰梯形金属薄膜7构成；太赫兹信号在堆叠棱形金属层3上方从几何中心处垂直输入，依次经过堆叠棱形金属层3、石墨烯层2、基底层1后垂直输出，石墨烯层与基底层可分别连接一个偏置直流电压源的正负两极，调节外加偏置直流电压源的电压会改变石墨烯化学势，从而改变石墨烯的介电常数，由此实现不同外加电场时控制输出端太赫兹波传输的通断，进而实现开关的功能。

所述的基底层1的材料为二氧化硅，长度和宽度均为68μm～70μm，厚度为4μm～6μm。所述的石墨烯层2的长度和宽度均为68μm～70μm，厚度为0.33nm～0.34nm。所述的堆叠棱形金属层3的材料均为铜，厚度为8μm～10μm。所述的堆叠棱形金属周期单元4的厚度为8μm～10μm，相邻间距为7μm～8μm。所述的堆叠三角形金属周期单元5的长度为5μm～6μm，宽度为1.8μm～2.0μm，厚度为8μm～10μm。所述的等边三角形金属薄膜6的边长为1.8μm～2.0μm，厚度为8μm～10μm。所述的等腰梯形金属薄膜7的上底为0.4μm～0.5μm，下底为1.8μm～2.0μm，高为1.2μm～1.3μm，厚度为8μm～10μm。

实施例1

本实施例中，电控太赫兹波开关的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：基底层的材料为二氧化硅，长度和宽度均为69μm，厚度为5μm。石墨烯层的长度和宽度均为69μm，厚度为0.33nm。堆叠棱形金属层的材料均为铜，厚度为9μm。堆叠棱形金属周期单元的厚度为9μm，相邻间距为8μm。堆叠三角形金属周期单元的长度为5.6μm，宽度为2.0μm，厚度为9μm。等边三角形金属薄膜的边长为2μm，厚度为9μm。等腰梯形金属薄膜的上底为0.5μm，下底为2μm，高为1.3μm，厚度为9μm。太赫兹信号在堆叠棱形金属层上方从几何中心处垂直输入，依次经过堆叠棱形金属层、石墨烯层、基底层后垂直输出。基于周期性石墨烯薄膜结构太赫兹波开关的各项性能指标采用COMSOL Multiphysics软件进行测试，太赫兹波垂直入射到条带结构，图4为太赫兹波开关的传输曲线，可以看到，在f＝1THz时，无外加电场时，传输功率为3.1％，开关处于“关”状态，调节偏置电压时，传输功率为94.2％，开关处于“开”状态，实现开关功能。