基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器的制作方法

本发明涉及太赫兹器件及石墨烯技术领域，具体涉及一种基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器。

背景技术：

THz(太赫兹)波的极化特性在实际应用中起到十分重要的作用，这种特性被用于THz成像、THz传感等领域。基于超表面的新型极化转换器件具有重量轻、结构简单、损耗低等优点而被广泛应用。然而该类器件中的超表面是由金属材料构建，由此设计的极化转换器功能单一，不具备可调谐特性。要实现器件的多功能特性，则必须修改超表面的几何结构和参数，并进行重新设计，这极大限制了器件的应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的是现有极化转换器不具备可调谐特性的问题，提供一种基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器，其具有线极化转换和圆极化转换双重功能，并通过控制石墨烯的偏置电压实现双功能的切换。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器，包括多功能极化转换器本体，该多功能极化转换器本体自上而下由石墨烯-金属混合超表面层、二氧化硅衬底层、硅介质基底层和金属地板层组成；石墨烯-金属混合超表面层由多个石墨烯和金属超表面单元组成，这些石墨烯和金属超表面单元在二氧化硅衬底层的表面呈周期性排列；每个石墨烯和金属超表面单元由金属片和石墨烯片组成；金属片为蝶形，且金属片同时关于表面横向x轴对称和表面纵向y轴对称；石墨烯片为点状，且位于金属片的对称中心处；石墨烯- 金属混合超表面层的所有石墨烯和金属超表面单元与偏置电压的一端相连，该偏置电压的另一端与硅介质基底层相连；通过改变该偏置电压来调节石墨烯片的费米能级E_F，从而实现本多功能极化转换器本体的线极化偏转和圆极化转换功能的切换。

上述方案中，石墨烯和金属超表面单元在二氧化硅衬底层的表面呈规则矩阵式周期性排列。

上述方案中，金属片为2个等腰梯形的金属片所组成的方蝶形，石墨烯片为方点状。

上述方案中，2个梯形金属片的短底边的长度与石墨烯片的宽度相同。

上述方案中，石墨烯片由多层具有相同电性能的单分子石墨烯层堆叠而成。

与现有技术相比，本发明能够通过改变加载在石墨烯-金属混合超表面层和硅介质基底层之间的偏置电压来达到调节石墨烯的费米能级的目的，从而实现本多功能极化转换器本体的线极化偏转和圆极化转换功能的切换。当石墨烯的费米能级E_F＝0.9ev时，器件实现线极化偏转功能，在1.57-4.2THz范围内交叉极化反射系数大于0.9；当石墨烯的费米能级E_F＝0.09ev时，器件实现圆极化转换功能，在1.43-4.0THz范围内轴比小于3dB；此外，器件在两种极化转换功能下均能够工作于宽带。

附图说明

图1为基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器的俯视示意图。

图2为图1中石墨烯和金属超表面单元的放大结构示意图。

图3为基于石墨烯-金属混合超表面的多功能THz极化转换器(带偏置加压加载)的侧视示意图。

图4为石墨烯费米能级E_F＝0.9ev时，本发明的u极化方向电磁波入射后的反射系数振幅曲线图。

图5为当石墨烯片费米能级E_F＝0.9ev时,本发明的u极化方向电磁波入射后的极化转换效率PCR图。

图6为当石墨烯片费米能级E_F＝0.09ev时，本发明的u极化方向电磁波入射后的反射系数振幅曲线图。

图7为当石墨烯片费米能级E_F＝0.09ev时，本发明的u极化方向电磁波入射后的反射系数相位曲线图。

图8为当石墨烯片费米能级E_F＝0.09ev时，得到的圆极化轴比曲线图。

图中标号：1、石墨烯-金属混合超表面层；1-1、金属片；1-2、石墨烯片；2、二氧化硅衬底层；3、硅介质基底层；4、金属地板层。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

一种基于石墨烯-金属混合超表面的多功能极化转化器，如图1所示，包括多功能极化转换器本体，该多功能极化转换器本体自上而下由石墨烯-金属混合超表面层1、二氧化硅衬底层2、硅介质基底层3和金属地板层4组成。

石墨烯-金属混合超表面层1包括多个石墨烯和金属超表面单元，这些石墨烯和金属超表面单元在硅介质基底层3二氧化硅衬底层2的表面呈规则矩阵式周期性排列。在本实施例中，石墨烯-金属混合超表面层1包括25个石墨烯和金属超表面单元，这些石墨烯和金属超表面单元在硅介质基底层3的表面沿着x和y方向等数量重复排列。

参见图2，每个石墨烯和金属超表面单元由金属片1-1和石墨烯片1-2 组成。

所述金属片1-1由金属覆铜材料制成。金属片1-1整体为蝶形，该蝶形的金属片1-1同时关于表面横向x轴对称和表面纵向y轴对称。上述蝶形可以是由2个水滴形的金属片1-1对称设置所形成的圆蝶形，也可以是由2个等腰梯形的金属片1-1对称设置所形成的方蝶形。在本实施例中，每个蝶形结构的长L1为33μm，宽L2为20μm，石墨烯片1-2长a1为3μm，宽a2为2μm。

所述石墨烯片1-2由多层单分子石墨烯层堆叠而成。生产时，通过重复转移单层石墨烯的方法，将多层石墨烯层逐层转移到二氧化硅衬底层2的上表面。在本实施例中，石墨烯片1-2由7层具有相同电性能的单分子石墨烯层堆叠而成。石墨烯片1-2整体为点状，并位于金属片1-1的对称中心处。上述点状可以是圆点状，也可以是方点状。在本实施例中，金属片1-1为2 个梯形金属片1-1所组成的方蝶形，石墨烯片1-2为方点状，其长度为a1，其宽度为a2。此时2个梯形金属片1-1的短底边的长度与石墨烯片1-2的宽度a2相同。

石墨烯-金属混合超表面层1的所有石墨烯和金属超表面单元与外置的偏置电压的一端相连，并将该外置偏置电压的另一端与硅介质基底层3相连。通过施加不同的偏置电压来调节石墨烯片1-2的费米能级E_F，从而实现本多功能THz极化转换器的线极化偏转和圆极化转换功能的切换。

由于多层堆叠的石墨烯具有较高的电导率，因此在高偏置电压情况下可以提高传导电流。单层石墨烯片1-2的电导率可由Kubo公式求得:

σ_s＝σ_intra(ω,μ_c,Γ,T)+σ_inter(ω,μ_c,Γ,T)

其中e,k_B,T,μ_c分别表示电子电荷，普朗克常数，玻尔兹曼常数，温度和石墨烯化学势。Γ＝1/2τ(τ是弛豫时间)表示工作频率。假定弛豫时间和温度分别是τ＝2ps和T＝300K。

对于N层(N>1)石墨烯片1-2的电导率可由下面公式进行推导：

其中t_gra，σ_s,k_s,z₀,ε_s,n₁和n₃分别代表单层石墨烯的厚度、单层石墨烯电导率、电磁波的波矢量、真空波阻抗、单层石墨烯的相对介电常数、空气和硅的折射率。M1,M2,M3,M4系数可以由下面等式表示：

参见图3，在石墨烯-金属混合超表面层1和硅介质基底层3之间施加偏置电压V，并通过施加不同的偏置电压V来改变石墨烯片1-2的费米能级E_F，偏置电压与费米能级之间关系可参考以下公式：

式中为普朗克常量，v_f为费米速度，n为石墨烯载流子浓度，具体可由实验测得。

通过改变石墨烯的费米能级E_F大小，可以改变石墨烯的电导率，实现石墨烯电导率的动态调控，从而在工作频率范围内，实现器件的线极化功能和圆极化功能的动态调控。从场的角度来讲，将45°入射波电场(u极化波) 分解为两个正交的本征模式E_x和E_y，调节石墨烯电导率可以调节本征模E_x和 E_y的反射特性(包括振幅和相位)，这样反射波的合成波的极化态也将受石墨烯偏置电压的调控。从干涉理论来讲，在工作频率范围内石墨烯-金属混合超表面的反射波与来自下层金属地板的反射波之间互相干涉，调节石墨烯的费米能级，能够调节石墨烯的电导率，从而动态调控超表面上反射电磁波的相位和振幅特性，当两列反射波满足线极化偏转的干涉条件时，总反射波为线极化波；当两列反射波满足圆极化波转换的干涉条件时，总反射波为圆极化波，最终实现线极化功能和圆极化功能的动态调控。

对所设计的极化转换器各参数进行优化仿真，得到优选仿真实例，仿真软件选用CST2016。本例一个石墨烯和金属超表面单元结构各参数如下：边长P＝40μm。金属片1-1的蝶形结构双翼的长度L1＝33μm，双翼宽度L2＝20μm，金属片1-1的厚度0.035μm。石墨烯片1-2的长度a1＝3μm,宽度a2＝2μm，单层石墨烯层厚度为0.035nm，7层石墨烯片1-2用单层石墨烯堆叠而成，总厚度为0.245nm。每层石墨烯层的特性参数都相同。硅介质基底层3的厚度为15.7μm。

仿真实验中，入射波为线极化波，电场极化方向与x轴呈45°夹角，即为u极化波。仿真结果如图4所示,当石墨烯的费米能级E_F＝0.9ev时，在 1.57-4.2THz范围内，交叉极化波的反射系数R_uu>0.9,而共极化反射系数 R_vu<0.3，此时器件在宽频带范围内实现了线极化偏转的功能，且如图5所示。

当石墨烯的费米能级E_F＝0.09ev时,模拟的反射系数如图6和图7所示。我们发现，在1.5-3.6THz范围内|R_uu|/|R_vv|≈1且在该频率范围内反射系数的相位差近似等于90°，说明反射波为圆极化波，即器件实现了圆极化的转换功能。为了进一步研究反射波的圆极化特性，我们分析了其轴比特性。圆极化波的轴比表示为：

其中相位差计算结果如图8所示。在1.5-3.6THz范围内,轴比小于1.5dB，证明器件在宽带范围内具有优秀的圆极化转换特性。

本优选仿真实例中，所提出的极化转换器可以在线极化偏转的功能和圆极化转换的功能之间动态切换，解决了纯金属超表面构建的器件功能单一的问题。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。