一种基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器的制作方法

本实用新型涉及太赫兹调制器技术领域，尤其涉及的是一种基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器。

背景技术：

太赫兹波频率介于微波和可见光之间，太赫兹波由于具有高透性、安全性、无损性和物质指纹谱等特性，在公共安全检查、危险品检测、工业无损检测、癌症诊断、生物医学成像、药物检测和雷达探测等领域展现了巨大的应用潜力。由于太赫兹波的高频特性，自然材料对太赫兹波普遍缺乏调制响应，太赫兹波的功能器件研究难度较大，早期研究成果相对较少。

太赫兹调制器作为太赫兹系统中的重要功能器件之一，其调制深度与调制速率对所应用系统的检测精度与检测时间具有重大影响。因此，这一技术面临的主要难点是如何制备高性能的太赫兹调制器，使其在调制深度、调制速率、工艺兼容度以及制备成本等方面满足太赫兹系统的需求。

一般的太赫兹调制器会采用平面衬底，在平面衬底上依次覆盖石墨烯薄膜和量子点，以实现上述目的。但是，要想进一步提升太赫兹调制器的性能，就需要增大平面衬底的表面积，但限制于整个太赫兹系统的尺寸，平面衬底的表面积无法无限扩大，导致太赫兹调制器的性能无法进一步提高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，旨在解决现有的太赫兹调制器使用的平面衬底的表面积限制于太赫兹系统的尺寸无法进一步扩大，导致太赫兹调制器性能无法进一步提高的问题。

本实用新型的技术方案如下：一种基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，其中，包括具有凹凸表面的基底材料层、置于基底材料层凹凸表面之上的石墨烯薄膜层以及置于石墨烯薄膜层之上的量子点层。

所述的基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，其中，所述基底材料层的表面设置成金字塔式凹凸结构、三角体式凹凸结构、波浪形式凹凸结构、凹槽式凹凸结构。

所述的基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，其中，所述基底材料层为石英基底、pet基底、pdms衬底、硅基底、锗基底、gaas基底。

所述的基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，其中，所述基底材料层的电阻率大于1000ωcm。

所述的基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，其中，所述基底材料层的厚度为200μm～1000μm。

所述的基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，其中，所述石墨烯薄膜层设置至少一层。

所述的基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，其中，所述石墨烯薄膜层的层数为1～5层。

所述的基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，其中，所述石墨烯薄膜层的的载流子迁移率为1000～10000cm/v·s。

所述的基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，其中，所述量子点层为cdse量子点、inp量子点、znse量子点、pbs量子点、碳量子点、硅量子点。

所述的基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，其中，所述量子点层的光致发光光谱峰值在300nm～850nm之间。

本实用新型的有益效果：本实用新型通过提供一种基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，基底材料层的表面可以根据需要设置成不同的凹凸结构，量子点在基底材料层上的承载量将显著提高，进而在泵浦光的照射下该调制器将产生更多的光生载流子，更多的光生载流子迁移到石墨烯薄膜中，实现石墨烯的电导率显著增加，因而对太赫兹的调制深度更高；入射泵浦光将在凹凸结构的基底材料层中产生陷光效应与多次震荡反馈激发效应，有效提高调制器件对泵浦光激励的光电转化效率，在极低的泵浦光功率下实现对太赫兹波的调控。

附图说明

图1是本实用新型中基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器的结构示意图。

图2是本实用新型中cdse量子点的hrtem高分辨透射电子显微镜照片。

图3是本实用新型中cdse量子点的pl谱图。

图4是本实用新型中基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器的的调制深度图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

如图1所示，一种基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，包括具有凹凸表面的基底材料层1、置于基底材料层1凹凸表面之上的石墨烯薄膜层2以及置于石墨烯薄膜层之上的量子点层3。

当泵浦光激励照射在量子点层3的材料上时，电子受激跃迁发生光电效应，产生大量光生载流子对。由于石墨烯薄膜具有较高的载流子迁移率，量子点层3中产生的空穴向石墨烯薄膜层2中扩散，电子在量子点中聚集。由于石墨烯独特的二维平面结构与能带结构，大量的光生载流子注入石墨烯薄膜导致其载流子浓度和电导率快速增加，将导致太赫兹的透射率显著下降，进而在低功率泵浦光下即可实现对太赫兹波透射强度的深度调制。此外，由于量子点在三个维度上受到空间尺寸制约，当停止泵浦光激励时，石墨烯薄膜中的空穴载流子向量子点扩散转移，光生载流子对在量子点内部快速复合，石墨烯薄膜中的载流子浓度和电导率快速下降，导致太赫兹的透射率增强，从而实现对太赫兹波的快速调制。

本技术方案中，在泵浦光激励下，光生载流子对来源于量子点层3内部的电子受激跃迁，利用石墨烯薄膜的高迁移率特性，光生载流子快速向石墨烯薄膜扩散转移，实现光生载流子电子-空穴对分离，使石墨烯薄膜的载流子浓度和电导率快速增加，进而获得较高的太赫兹调制深度与调制速率。

在某些具体实施例中，所述基底材料层1的表面可以根据需要设置成不同的凹凸结构，如金字塔式凹凸结构（即在基底材料层1的表面设置多个四棱柱结构，多个四棱柱结构之间互相间隔设置，使基底材料层1的表面形成凹凸表面），三角体式凹凸结构（即在基底材料层1的表面设置多个三角体结构，多个三角体结构之间互相间隔设置，使基底材料层1的表面形成凹凸表面；三角体是指包括一个三角形底面以及3个三角形侧面围成的立体图形），波浪形式凹凸结构，凹槽式凹凸结构（即在基底材料层1的表面设置多个凹槽结构，多个凹槽结构之间互相间隔设置，使基底材料层1的表面形成凹凸表面；所述凹槽可以根据实际需要采用不同的形状，如球形凹槽，方形凹槽，等等）。

本技术方案中的基底材料层1的表面可以根据需要设置成不同的凹凸结构，相较于传统平面衬底，具有更大的比表面积，可以在凹凸表面附着更多的石墨烯与量子点，显著提升量子点载量，进而将产生更多的载流子，从而获得更高的调制深度。

在某些具体实施例中，所述基底材料层1为石英基底、pet（聚对苯二甲酸乙二醇酯）基底、pdms（聚二甲基硅氧烷）衬底、硅基底、锗基底、gaas（砷化镓）基底的任一种；所述基底材料层1的电阻率大于1000ωcm，所述基底材料层1的厚度为200μm～1000μm。

在某些具体实施例中，所述置于基底材料层1之上的石墨烯薄膜层2的层数为1～5层，其中单层石墨烯薄膜层2的载流子迁移率为1000～10000cm/v·s。

在某些具体实施例中，所述置于石墨烯薄膜层2之上的量子点层3（如图2所示）为cdse（硒化镉）量子点、inp（磷化铟）量子点、znse（硒化锌）量子点、pbs（硫化铅）量子点、碳量子点、硅量子点的任一种。

在某些具体实施例中，所述量子点层3的光致发光光谱（pl谱）峰值在300nm～850nm之间。

本技术方案相对于现有技术，具有以下优点：

（1）由于石墨烯薄膜与量子点直接接触，载流子扩散速率快，即太赫兹调制速率快，石墨烯薄膜迁移率高，使得即使较小的载流子注入也能对石墨烯薄膜的电导率和载流子浓度产生显著影响，因而对太赫兹的调制深度高。

（2）基底材料层1的表面可以根据需要设置成不同的凹凸结构，量子点在基底材料层1上的承载量将显著提高，进而在泵浦光的照射下该调制器将产生更多的光生载流子，更多的光生载流子迁移到石墨烯薄膜中，实现石墨烯的电导率显著增加，因而对太赫兹的调制深度更高。

（3）入射泵浦光将在凹凸结构的基底材料层1中产生陷光效应与多次震荡反馈激发效应，有效提高调制器件对泵浦光激励的光电转化效率，在极低的泵浦光功率下实现对太赫兹波的调控。

（4）由于不采用超材料结构，可以实现对太赫兹的宽频调控，基底材料层1可以采用pet与pdms等柔性衬底材料，具有良好的环境适应性与共形特性。

根据上述所述的基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，娴列举以下实施例加以说明：

一种基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器，包括石英基底1；石墨烯薄膜层2，石墨烯薄膜层2位于石英基底1的表面；量子点层3，量子点层3设置于石墨烯薄膜层2表面（如图1所示）。

其中，石英基底1厚度为300μm，石英基底1的电阻率大于500000ω·cm，表面采用金字塔凹凸结构。

石墨烯薄膜层2，层数为2层，单层石墨烯薄膜层2的载流子迁移率为1483cm/v·s。

量子点层3为cdse量子点，量子点直径约为10nm，量子点的pl谱峰值为625nm（如图3所示）。

上述基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器的制备过程如下：

步骤一：首先将金字塔石英基底1切割为15mm×15mm的基底样品，并用氢氟酸清洗石英基底表面去除表面氧化层，然后依次用丙酮、酒精和去离子水分别超声清洗15分钟，随后用清洁氮气将样品表面吹干待用；

步骤二：将石墨烯薄膜层2分2次转移至清洗后的石英基底1表面；

步骤三：将量子点层3中的量子点均匀分布在石墨烯薄膜层2表面，并在80℃干燥箱中烘干，烘干时间为30分钟。

将上述制备好的基于金字塔结构的量子点太赫兹调制器置于太赫兹时域光谱系统中，以400nm连续波泵浦光作为激励源，随着泵浦光功率的增大，太赫兹空间调制器的调制深度逐渐增大，在1200mw光功率的条件下，该器件调制深度达到49.5%（如图4所示）。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

附图标号

基底材料层1；石墨烯薄膜层2；量子点层3。