[發明專利]一種基于多孔石墨烯透明電極的寬帶可調液晶太赫茲波片

有效

• 申請號: 201410332631.3
• 申請日: 2014-07-11
• 公開（公告）號: CN104049426B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發明（設計）人: 胡偉;王磊;陳鵬;陸延青;徐飛
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G02F1/1343
• 分類號: G02F1/1343;G02F1/1347
• 代理公司: 南京知識律師事務所32207
• 代理人: 李媛媛

技術領域

本發明涉及太赫茲光電子技術領域，具體涉及一種基于多孔石墨烯太赫茲透明電極、亞波長金屬線柵集成電極/起偏器和液晶材料的寬帶可調太赫茲波片的設計和制備。

背景技術

液晶材料兼具液體的流動性及晶體的有序性，由于其優異的外場（電場、磁場、光場、聲場、溫場等）調諧特性，在信息顯示及可調光子器件中發揮著重要的應用。向列相液晶是最常用的一種相態，在所有向列相液晶應用中，取向是首要環節。傳統的取向方式以摩擦取向應用最為廣泛，其存在易對表面造成機械損傷、靜電荷殘留及顆粒污染物，不易實現多疇結構取向等缺陷。而新興的光取向技術則可以完全克服上述不足，被視為最有競爭力的下一代液晶取向技術。

近年來，人們對太赫茲頻段的研究日益增多，但適用于太赫茲頻段的光子學器件，尤其是可調控器件十分稀少。液晶作為常用的可調控電光材料，在可見及紅外波段的光子學器件已得到廣泛開發和應用。但應用于太赫茲頻段時，一方面，通常采用的透明導電薄膜氧化銦錫將不再適用，而單純的金屬層也無法滿足要求，因此需要尋求新的電極設計如石墨烯電極代替傳統的薄膜。另一方面大多數液晶材料的雙折射在太赫茲頻段會比較小，因此可調控量也較小，在一般的設計中很難達到實用的要求。而一些用以增加調制量的特殊手段如疊層結構等則在透明電極缺乏的條件下，損耗會嚴重增加。因此，最可行的方案則是設計和應用在太赫茲頻段仍具有大雙折射的特殊液晶材料，以真正實現高效實用的器件。

發明內容

本發明目的是：提出一種基于多孔石墨烯透明電極的寬帶可調液晶太赫茲波片，利用亞波長金屬線柵和少層多孔石墨烯材料分別作入射、出射面電極，結合THz大雙折射率液晶材料來實現超寬帶可調太赫茲波片。

本發明的技術方案是：

一種基于多孔石墨烯透明電極的寬帶可調液晶太赫茲波片，包括兩片熔融石英基板，其中，入射面的基板內側設置有亞波長金屬線柵，出射面的基板內側設置有多孔石墨烯，兩片熔融石英基板通過框膠結合構成液晶盒；液晶盒中的金屬線柵與多孔石墨烯之間夾設有兩層光控取向層，兩層光控取向層中間夾設有液晶材料，液晶材料為太赫茲電控大雙折射率液晶材料；所述液晶盒通過光控取向的方式實現液晶的平行取向，且取向方向與金屬線柵方向成45°。

所述金屬線柵的周期遠小于入射光的波長，為1-80微米。

進一步地，所述金屬線柵的周期優選為1-30 μm，線柵的線條寬度為0.5-15 μm。

所述多孔石墨烯的層數是2-5層，其表面分布有直徑為微米級的孔洞。

所述液晶材料在0.5-2.5 THz時的雙折射率為0.30。

所述液晶盒還可以采用多個層疊在一起的結構。

液晶盒光控取向層和液晶材料通過光控取向的方式實現液晶的平行取向，且光控取向層取向方向與金屬線柵方向成45°。使該液晶盒在太赫茲頻段均達到可調四分之一或半波片（向下兼容八分之一波片等等）。

本發明一種基于多孔石墨烯透明電極的寬帶可調液晶太赫茲波片的制備方法，由下述步驟實現：

（1）取兩片熔融石英片，分別在石英基板上設置少層多孔石墨烯和亞波長金屬線柵電極，其中，多孔石墨烯通過常規轉移法從銅箔襯底上轉移至石英基板上，金屬線柵電極通過在石英基板上進行光刻及鍍膜工藝實現；

（2）光控取向層為取向在光敏取向劑的薄膜上獲得，在金屬線柵和多孔石墨烯的表面分別涂敷光控取向劑薄膜；

（3）根據所選取液晶材料的折射率參數及目標波片類型計算出所需要的盒厚，對于四分之一波片，盒厚d略大于λ/4Δn，對于二分之一波片，盒厚d略大于λ/2Δn，并選擇膜厚對應盒厚度值的襯墊膜材料；

（4）將其中一片石英基板上放置襯墊膜細條，另一片石英基板與之相對放置，然后使用框膠封裝成液晶盒；再用與金屬線柵成45°夾角的線偏振紫外或藍光，從設置有多孔石墨烯的石英基板這一側垂直入射液晶盒，曝光賦予光控取向劑薄膜分子均勻指向；

（5）將選取的液晶材料注入液晶盒，最終利用液晶的電控雙折射特性，通過電壓調節尋常光與非常光的相位延遲來實現對應不同頻率的波片。

所述步驟（1）中，先對少層石墨烯進行紫外臭氧方法處理，其表面會隨即分布直徑為微米級的孔洞。使太赫茲在0.5-2.5THz透過率保持97%以上且電阻與單層完整石墨烯相當，為百歐姆量級。