[发明专利]基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料

说明书

技术领域

本发明涉及基于拓扑材料和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料，在许多领域中具有广阔的应用前景。

背景技术

人工电磁超材料是一种人造介质，在自然界并不存在，它利用亚波长的微结构当作类似材料组成单元的原子分子，使其所具有的奇异的电磁特性，例如，负折射率、负磁导率、强圆二向色性等。其中圆二向色性是一种对左手圆偏振光和右手圆偏振光具有不同光学特性的现象。具有圆二向色性的人工电磁超材料就是利用缺乏镜像对称的结构来分辨左右手旋光差异，实现圆二向色性。近年来已有许多具有圆二向色性效应显著的人工电磁超材料的研究，但还有许多关键性技术问题厄待解决，如人工电磁超材料的单元结构为谐振型，因此其工作频带较窄，且其谐振工作频率相对固定，不具有可调谐的功能。为了解决这些问题，人们做了很多尝试，由此形成了电磁学领域的一个新的热点：具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料。

2010年，Singh等提出通过改变超材料与入射光的夹角实现圆二向色性的符号和大小的可调谐性。2012年， Zhou 等人通过改变注入光的强度，实现圆二向色性强度可调谐的人工电磁超材料。2012年，Shi等人提出可以通过调节入射光和具有不对称开环谐振环单元的人工电磁超材料之间的夹角实现圆二向色性的强度可调谐。然而，上述可调谐圆二向色性人工电磁超材料，仅是对圆二向色性的大小和符号进行调谐，如果可以调谐圆二向色性的工作频段，将会大大推进其实用化进程。因此，本发明提供一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料。通过在人工电磁超材料中引入拓扑材料或者石墨烯材料，使其产生的圆二向色性的谐振频率具有可调谐性，从而解决由人工电磁超材料产生的圆二向色性工作频段过窄和不可调谐的问题。本发明利用拓扑材料材料或者石墨烯材料的介电系数及表面电阻率随外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度改变而变化的特性，实现具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料。

发明内容

本发明针对上述可调谐圆二向色性的人工电磁超材料的问题，提供了一种基于拓扑或者石墨烯材料的可调谐圆二向色性的人工电磁超材料，该器件具有结构简单、操作容易、 工作频率调谐范围大等特点。

本发明解决问题采用的技术方案如下：

基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料是基于多层结构的器件。其上具有缺乏镜像对称的周期性谐振单元阵列，使其产生圆二向色性，通过改变拓扑材料和石墨烯材料的介电常数及表面电阻率，使圆二向色性的工作频率发生位移，从而实现圆二向色性谐振频率可调谐的人工电磁超材料。

一种具有可调谐圆二向色性的人工电磁超材料，该人工电磁超材料是多层结构，第一种结构是通过在衬底材料上生长金属层、拓扑材料或者石墨烯材料层、金属层和氧化层，然后制作周期性谐振单元阵列而成；

第二种结构，是通过在衬底材料上生长金属层、介质层、金属层，然后制作周期性谐振单元阵列，最后在谐振单元阵列表面镀上拓扑材料或者石墨烯材料层而成。

所述的周期性阵列是不对称开环、螺旋结构或共轭卍字形等；

所述的介质层可以是Al₂O₃层、Si₃N₄层、MgF₂层或SiO₂层等。

所述的拓扑材料层可以是Bi_xSb_1-x层、HgTe 层、Bi₂Te₃ 层、Bi₂Se₃ 层或Sb₂Te₃ 层等。

所述的石墨烯层是单层碳原子层，由石墨烯层和M层碳原子层构成，其中1<M<100。

所述的氧化层可以是In₂O₃层、SnO₂ 层或ITO层等。

所述的衬底层可以是BK7光学玻璃层、SiO₂层、Si₃N₄层或Al₂O₃层等。

所述的多层结构可以通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，范德华外延法，取向附生法-晶膜生长，和分子束外延技术

所述的周期性谐振单元阵列是通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，包括电子束曝光、聚焦离子束曝光和反应离子束刻蚀。