[發(fā)明專利]基于anapole模式的可動態(tài)調(diào)控的石墨烯超材料太赫茲器件及其制備方法與應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2020-03-10
• 公開（公告）號: CN111352175B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 時彥朋;劉笑宇;劉自正;花明;王陸堯
• 申請（專利權(quán)）人: 山東大學(xué)
• 主分類號: G02B1/00
• 分類號: G02B1/00;G02F1/00;G02F1/355
• 代理公司: 濟南圣達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 鄭平

本發(fā)明涉及太赫茲超材料功能器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于anapole模式的可動態(tài)調(diào)控的石墨烯超材料太赫茲器件及其制備方法與應(yīng)用。所述太赫茲器件包括以下部分：周期結(jié)構(gòu)的單層超材料；所述周期結(jié)構(gòu)的單元結(jié)構(gòu)為圓環(huán)結(jié)構(gòu)，其由兩個對稱設(shè)置的金屬材質(zhì)的半圓形分裂環(huán)組成，每個分裂環(huán)均由環(huán)體和延伸臂組成，所述延伸臂從環(huán)體開始向環(huán)體的圓心方向延伸；兩個分裂環(huán)之間設(shè)置有一條開口，所述開口貫穿兩個半圓形分裂環(huán)組成的圓環(huán)結(jié)構(gòu)的直徑，且延伸臂垂直開口；所述環(huán)體和延伸臂處的開口中填充有石墨烯。本發(fā)明通過靜電摻雜調(diào)節(jié)石墨烯的費米能，從而調(diào)諧石墨烯的電導(dǎo)率，實現(xiàn)對太赫茲anapole響應(yīng)動態(tài)調(diào)諧。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及太赫茲超材料功能器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及基于anapole模式的可動態(tài)調(diào)控的石墨烯超材料太赫茲器件及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

公開該背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在增加對本發(fā)明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構(gòu)成已經(jīng)成為本領(lǐng)域一般技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

太赫茲波是指頻率在0.1-10THz的電磁波譜，處于電子學(xué)與光子學(xué)的交叉領(lǐng)域，是人類最后一個尚未完全開發(fā)的電磁波段。依靠其獨特的高透射性、寬帶性、低能量等性質(zhì)，在大容量通訊、生物成像、安全檢查等眾多領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用。

在經(jīng)典電動力學(xué)中，為了方便研究空間局部范圍的電荷-電流分布體系激發(fā)的遠場而引入電多極子和磁多極子這兩大多極子系統(tǒng)。作為第三類輻射源，環(huán)偶極子是由環(huán)形電流誘導(dǎo)產(chǎn)生一對方向相反的磁偶極子，并呈現(xiàn)首尾相接狀態(tài)，但由于其對入射電磁波響應(yīng)很弱，經(jīng)常被更強的傳統(tǒng)電/磁極子所掩蓋，嚴重阻礙了它的檢測和應(yīng)用。超材料的發(fā)展為研究環(huán)偶極子提供了一種全新的方法。超材料是一種人工設(shè)計的周期性排列結(jié)構(gòu)單元，通過合理地設(shè)計結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀、大小及排列方式，可實現(xiàn)自然材料不具備的超常電磁特性。因此，通過合理地設(shè)計超材料的結(jié)構(gòu)單元，可使其環(huán)偶極子的響應(yīng)強度達到可觀測量級，這對深入研究物質(zhì)的電磁特性具有重要里程碑意義。

當電偶極子和環(huán)形偶極矩形成非平凡的破壞性干涉時，會產(chǎn)生具有非輻射性質(zhì)的anapole模式。作為當前研究的重點，利用anapole模式與太赫茲超材料之間的特性，在獲得豐富的生物和材料信息方面展現(xiàn)了出色的性能。近年來，基于anapole模式的超材料已經(jīng)在微波波段、光波段、太赫茲波段實現(xiàn)，由于能夠產(chǎn)生的高Q因子，它可以作為近乎理想的諧振器。然而，現(xiàn)有的基于平面超材料結(jié)構(gòu)的諧振響應(yīng)主要取決于結(jié)構(gòu)單元，其形狀和尺寸一旦確定，所對應(yīng)的諧振工作波長、幅度和帶寬也固定，只能在有限的工作帶寬內(nèi)實現(xiàn)單一功能，很難實現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用。為了克服上述缺陷，研究者們希望通過在平面太赫茲超材料結(jié)構(gòu)單元中集成活性材料，實現(xiàn)對諧振的動態(tài)調(diào)控。例如，2017年，A.A.Basharin等人提出了可調(diào)諧太赫茲超材料的模型，利用與硅結(jié)合的平面金屬的電感耦合，實現(xiàn)共振藍移和相位可調(diào)諧(參見文獻1)。2019年，Z.Song等人提出了用于太赫茲的環(huán)形開關(guān)，其諧振的傳輸深度可以通過VO₂的電導(dǎo)率來調(diào)控，但實現(xiàn)諧振的連續(xù)調(diào)諧仍然存在很大的困難(參見文獻2)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻：

文獻1：Cojocari M V,Schegoleva K I,Basharin A A.Blueshift and phasetunability in planar THz metamaterials:the role of losses and toroidal dipolecontribution[J].Opt.Lett.,2017,42(9):1700-1703.

文獻2：Song Z,Deng Y,Zhou Y,et al.Tunable toroidal dipolar resonancefor terahertz wave enabled by a vanadium dioxide metamaterial[J].IEEEPhotonics Journal,2019,11(2):1-5.

發(fā)明內(nèi)容