[發(fā)明專利]一種基于石墨烯的太赫茲增強電磁誘導(dǎo)透明器件

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• 申請日: 2021-08-26
• 公開（公告）號: CN113917709A
• 公開（公告）日: 2022-01-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王蘭;張雅鑫;龔森;盛譞;楊自強
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學長三角研究院（湖州）
• 主分類號: G02F1/00
• 分類號: G02F1/00;G02F1/01;H01Q15/08
• 代理公司: 成都科奧專利事務(wù)所(普通合伙) 51101
• 代理人: 王蔚

一種基于石墨烯的太赫茲增強電磁誘導(dǎo)透明器件，屬于電磁功能器件技術(shù)領(lǐng)域。所述器件包括半導(dǎo)體材料襯底，位于襯底上的M×N個雙環(huán)金屬結(jié)構(gòu)，以及形成于襯底上、金屬雙環(huán)之間的石墨烯環(huán)；其中，所述石墨烯為n層石墨烯(n1)，通過外加飛秒激光控制石墨烯的電導(dǎo)率，實現(xiàn)器件的幅度變化。本發(fā)明基于石墨烯的太赫茲增強電磁誘導(dǎo)透明器件，利用金屬雙環(huán)之間的相消干涉作用產(chǎn)生電磁誘導(dǎo)透明現(xiàn)象，通過石墨烯電導(dǎo)率在激光下的退化使其透射率增強至81％；同時由于石墨烯超快的載流子弛豫特性，實現(xiàn)了14ps的超快開關(guān)時間。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于石墨烯的太赫茲增強電磁誘導(dǎo)透明器件，屬于電磁功能器件技術(shù)領(lǐng) 域。

背景技術(shù)

太赫茲波指頻率介于0.1THz～10THz范圍內(nèi)的電磁波，位于毫米波和紅外之間。而其在 通信、成像、生命科學、空間技術(shù)、雷達技術(shù)等領(lǐng)域表現(xiàn)出了潛在的利用價值，具備極其重 要的發(fā)展地位。

由于獨特的能帶結(jié)構(gòu)，石墨烯具有許多優(yōu)異的光電性能，這些出色的特性及其在光電器 件上技術(shù)突破的潛力為研究這種二維材料提供了最初的動力。無質(zhì)量狄拉克費米子的線性色 散表明，石墨烯可以在寬波長范圍內(nèi)以同樣的效率吸收光子。尤其在太赫茲領(lǐng)域，這些特性， 與高載流子遷移率以及機械和熱特性一起，使石墨烯成為光電應(yīng)用的理想候選材料。同時由 于石墨烯在外加光或電激發(fā)下產(chǎn)生受激輻射以及太赫茲電導(dǎo)率退化的特點，其在太赫茲頻段 內(nèi)通過光電調(diào)控手段實現(xiàn)調(diào)控器件性能的提升得到了廣泛的報道。但是，由于石墨烯自身的 單原子層厚度的限制，有限的石墨烯-光的相互作用成為限制器件性能提升的阻礙，因此，增 強石墨烯-光的相互作用成為一個重要的問題。

超表面對于電磁波具有良好的操縱特性，已經(jīng)被廣泛用在許多功能性應(yīng)用的設(shè)計中，包 括超級聚焦，波束復(fù)型，調(diào)制，極化控制和非線性光學等等。其中基于超表面的電磁誘導(dǎo)透 明(EIT)避免了量子光學實現(xiàn)的苛刻實驗要求，同時其帶來的慢光現(xiàn)象和增強的非線性效應(yīng)， 在光子器件、集成芯片緩沖器、高靈敏度傳感器和吸收器等方面都顯示出了巨大的應(yīng)用潛力， 因此引起了研究者們濃厚的興趣。EIT諧振主要是通過人工微結(jié)構(gòu)相消干涉來實現(xiàn)，通常是 通過明模(可以直接被外部電場誘發(fā))和暗模(通過明模來誘發(fā))的耦合，或者明模與明模 的耦合來激發(fā)。通過調(diào)節(jié)不同模式之間的耦合強度，可以實現(xiàn)EIT的動態(tài)調(diào)控，而與二維材 料相結(jié)合的復(fù)合超表面是其中最有效的手段之一。除此之外，EIT諧振超表面的亞波長電容 間隙中存在著強烈的局域場，這些被嚴格束縛的場對于外界激勵非常敏感，對于增強光-物質(zhì) 相互作用具有重要意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對背景技術(shù)存在的缺陷提出一種結(jié)構(gòu)簡單、能增強EIT透射幅度的 太赫茲動態(tài)調(diào)控器件。該調(diào)控器件將石墨烯與人工超表面進行結(jié)合，利用石墨烯的電導(dǎo)率變 化特性對幅度進行調(diào)制，同時該器件具有皮秒量級的超快調(diào)制能力。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種基于石墨烯的太赫茲增強電磁誘導(dǎo)透明器件，包括半導(dǎo)體材料襯底、位于襯底上的 多個由金屬內(nèi)環(huán)和金屬外環(huán)構(gòu)成的雙環(huán)金屬結(jié)構(gòu)，以及形成于襯底上且介于金屬內(nèi)環(huán)與金屬 外環(huán)之間的石墨烯環(huán)，所述金屬內(nèi)環(huán)不開口，金屬外環(huán)沿直徑方向開有兩個相對于金屬外環(huán) 中心對稱的開口，且金屬外環(huán)的線寬為金屬內(nèi)環(huán)線寬的1/3，所述石墨烯環(huán)采用n層石墨烯 (n1)，通過外加飛秒激光控制石墨烯的電導(dǎo)率，實現(xiàn)器件的幅度變化。

進一步地，所述金屬外環(huán)、石墨烯環(huán)、金屬內(nèi)環(huán)同心，且每個金屬外環(huán)分別與相鄰的金 屬外環(huán)相切。

進一步地，所述雙環(huán)金屬結(jié)構(gòu)共有M×N個，其中M代表每排雙環(huán)金屬結(jié)構(gòu)的個數(shù)，N代表每列雙環(huán)金屬結(jié)構(gòu)的個數(shù)，M和N至少等于4。

進一步地，所述半導(dǎo)體材料襯底采用的半導(dǎo)體材料為碳化硅、藍寶石、高阻硅或GaAs。

進一步地，所述金屬外環(huán)和金屬內(nèi)環(huán)采用Au、Ag、Cu、Al或其他電導(dǎo)率相近的金屬材 料制成。