一种基于石墨烯超材料的太赫兹光栅器件的制作方法

本实用新型涉及太赫兹技术领域，特别是一种基于石墨烯超材料的太赫兹光栅器件

背景技术：

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)波，通常定义为频率在0.1-10THz(波长在30-3000μm)范围内的电磁波，其波段位于微波与红外之间，处于电子学与光子学研究的交叉领域。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹源和太赫兹探测技术，人们对太赫兹波的研究较少，以致形成了“太赫兹空白”现象。上世纪80年代以来，随着一系列新材料、新技术的迅速发展，尤其是超快激光技术、超短脉冲技术和微纳加工技术的发展，限制太赫兹科学发展的因素基本被解决，太赫兹技术也从此得以迅速发展，成为当今基础科学与应用科学的热门研究方向。

石墨烯是一种单原子层二维新型碳材料，具有宽波谱响应(从紫外到太赫兹波段)；而且，由于其带隙宽度为零的特征，使电子不仅可进行带间跃迁，也可实现长波长的带内跃迁，是制备太赫兹光电器件的理想材料。此外，光与石墨烯的相互作用比较强，例如，光可与石墨烯中的等离激元、声子、激子等准离子在特定情况下产生共振耦合，可增强对太赫兹波的吸收。另一个重要特点是，石墨烯特殊的电子结构使其费米能级(Fermi energy，简称E_F)电场可调，稍加栅压即可实现导电类型的转换。而且，石墨烯具有已知材料中最高的载流子迁移率，也是制备超高速器件的最重要的备选材料之一。近年来，大量研究表明，可通过对石墨烯费米能级、电导率与等离子体共振频率等参数的调节，实现对太赫兹波的调控。

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表现自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。

但是，传统的超材料一旦制备完成，仅能对特定波长的太赫兹波产生响应。如果希望对不同频率的太赫兹波产生吸收，则需要重新设计和制备，其制备过程较为繁琐。并且现有的太赫兹光栅器件不具备可调谐的功能。因此，本领域亟待开发制作可调谐的太赫兹器件。然而石墨烯的费米能级可以通过外加电压来调控，从而改变石墨烯中的载流子浓度，实现对不同频率太赫兹波的吸收，从而可以通过制备石墨烯超材料器件对太赫兹波进行调控。

技术实现要素：

本实用新型针对上述问题，提出一种基于石墨烯超材料的太赫兹光栅器件，利用不同费米能级的石墨烯超材料对不同频率太赫兹波的吸收，实现对太赫兹波的调控，并将其制作成为电可调的光栅器件，从而应用于太赫兹调制器或太赫兹成像系统中。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：

本实用新型一种基于石墨烯超材料的太赫兹光栅器件，包括衬底层(1)、绝缘介质层(2)、石墨烯超材料光栅层(3)、源电极(4)、漏电极(5)、离子凝胶栅介电层(6)和顶栅门电极(7)；所述衬底层(1)水平设置在最下层，所述绝缘介质层(2)水平设置在衬底的上表面上，所述石墨烯超材料光栅层(3)平行设置在绝缘介质层(2)上表面的中间位置，绝缘介质层(2)的四个边分别为两个相对的a和b边以及另一相对的c和d边，a和b边在光栅长度方向的两侧；所述源电极(4)、漏电极(5)设置在石墨烯超材料光栅层(3)两侧即绝缘介质层(2)a和b的两边的上表面，并且源电极(4)、漏电极(5)覆盖石墨烯超材料光栅层(3)边缘，所述离子凝胶栅介电层(6)旋涂在石墨烯超材料光栅层(3)及源电极(4)和漏电极(5)的上方，所述顶栅门电极(7)设置在离子凝胶栅介电层(6)上方边缘位置，尤其设在绝缘介质层(2)c或d边对应的离子凝胶栅介电层(6)上方边缘位置。

所述的衬底层为正方形，边长为1-5cm，厚度为100-500μm，电阻率大于10000Ω·cm，材质为单晶高阻硅片、金刚石薄膜、TPX(聚4-甲基戊烯)中的一种，优选为单晶高阻硅片。

所述的绝缘介质层为正方形，边长为1-5cm，厚度为0.2-1μm，介电常数为1-10；材质为二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化铪中的一种，优选为二氧化硅。

所述的石墨烯超材料光栅层为石墨烯超材料阵列组成的光栅结构，其材料为石墨烯，厚度为0.34nm，光栅周期为100-1000μm，占空比为1：1。所述的石墨烯超材料为图形化的石墨烯，呈现为条带、方形、圆形、环形中的一种或几种混合形状的周期性结构图形，能够与太赫兹波产生谐振，增强其对太赫兹波的吸收。

所述的源电极、漏电极和顶栅门电极为金、钛、镍、铬中的一种或几种的复合，复合时采用上下层结构；源电极、漏电极和顶栅门电极的长度均为8mm-40mm，宽为0.5mm-5mm，厚度为10-100nm，电导率为2×10⁵-6×10⁷S/m。

所述的离子凝胶栅介电层材料优选为偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物[P(VDF-HFP)]与离子液[EMIM][TFSI]的混合组成，厚度为1-3μm。

综上所述，由于采取了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的电可调太赫兹光栅器件由石墨烯超材料组成，相比于传统的超材料，石墨烯的费米能级可以通过电压进行调控，从而对不同频率的太赫兹波产生吸收，实现其对不同频率太赫兹波的调控作用。基于石墨烯超材料的电可调太赫兹光栅器件与现有的光栅器件相比，通过改变石墨烯的费米能级，可以实现对不同频率太赫兹波的调节，可以应用于太赫兹调制器及太赫兹成像系统中。并且，对于同一频率的太赫兹波而言，可通过调节栅压实现光栅器件的开关。此外该实用新型结构简单，便于制备。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种基于石墨烯超材料的太赫兹光栅器件立体示意图

图2为本实用新型所述的一种基于石墨烯超材料的太赫兹光栅器件俯视图

图3为本实用新型所述的一种基于石墨烯超材料的太赫兹光栅器件正视图

图4为本实用新型所述的条带状石墨烯超材料的太赫兹透过率图谱

图中标记：1-衬底层，2-绝缘介质层，3-石墨烯超材料光栅层，4-源电极，5-漏电极，6-离子凝胶栅介电层，7-顶栅门电极。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本实用新型技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案精神和范围，均应涵盖在本实用新型的保护范围中。

一种基于石墨烯超材料的太赫兹光栅器件，如图1、2、3所示，包括衬底层1、绝缘介质层2、石墨烯超材料光栅层3、源电极4、漏电极5、离子凝胶栅介电层6和顶栅门电极7。所述衬底层1水平设置在最下层，所述绝缘介质层2水平设置在衬底的上表面上，所述石墨烯超材料光栅层3平行设置在绝缘介质层的上表面的中间位置，所述源电极4、漏电极5设置在石墨烯超材料光栅层3两侧，并覆盖石墨烯超材料光栅层3边缘，所述离子凝胶栅介电层6旋涂在石墨烯层及源4漏5电极上方，所述顶栅门电极7设置在离子凝胶栅介电层6上方边缘位置。

本实例采用的衬底层1为正方形单晶高阻硅片，边长为2cm，厚度为100μm，电阻率大于10000Ω·cm。绝缘介质层2为正方形二氧化硅，边长为2cm，厚度为0.3μm。石墨烯超材料光栅层3为石墨烯超材料阵列组成的光栅结构，其材料为石墨烯，厚度为0.34nm，光栅周期为400μm，占空比为1：1。所述的石墨烯超材料为光刻及氧等离子体刻蚀制备的条带状的石墨烯，宽度为5μm，周期为10μm，能够与太赫兹波产生谐振，增强其对太赫兹波的吸收。采用时域有限差分软件对条带状石墨烯超材料的模拟结果如图4所示，通过调节栅压改变其费米能级，可以实现对不同频率太赫兹波的吸收，从图中可以看出，将石墨烯的费米能级分别调节为0.1eV、0.2eV和0.3eV时，石墨烯超材料与太赫兹波的谐振频率发生改变，其透射谷分别为4.2THz、5.9THz和7.2THz，调制深度可达90％。源电极4、漏电极5和顶栅门电极7为钛和金，厚度分别为10nm和80nm，长为16mm，宽为1mm。离子凝胶栅介电层材料6为偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物[P(VDF-HFP)]与离子液[EMIM][TFSI]的混合物，厚度为1μm。

本实用新型一种基于石墨烯超材料的太赫兹光栅器件与现有的光栅器件相比，可以通过栅压改变石墨烯的费米能级，实现对不同频率太赫兹波的调控，可应用于太赫兹调制器及太赫兹成像系统中。并且，对于同一频率的太赫兹波而言，可通过调节栅压实现光栅器件的开关。