[发明专利]一种基于石墨烯材料的可调性太赫兹波导器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯材料作为表面等离子体材料的约束强、易于可调的太赫兹波导器件，属于石墨烯材料在太赫兹波段应用领域。

背景技术

太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外光之间，波长通常从30μm到3mm，由于其在各个领域，包括通讯、传感、生物成像等方面有着较为广泛的潜在应用，近年来一直受到人们的关注和研究。然而随着太赫兹技术应用的快速发展，波导在通讯中的应用是必不可少的一个器件。尽管大多数金属材料的波导在太赫兹波段可以通过挖孔或者是刻槽来得到，但是这些波导都具有很低的约束能力和较短的传输距离。因此对于能够实现较强约束和性质可控的太赫兹波导器件的需求与日俱增，因为这不仅有着重要的学术应用，也有着深远的现实意义。

到目前为止大多数报道的太赫兹波导器件基本都是基于金属材料，通过对金属材料挖孔或者刻槽，我们通常称之为人工表面等离子体波导。尽管这些波导结构能够传输表面波，但是由于金属对太赫兹波有相对较大的损耗，人工表面等离子体波导仅仅能够传输较短的距离并且这些波导的约束能力也非常的差，这在波导的分束或者弯曲的时候带来了很大的损耗。另外一点是，金属材料的太赫兹波导结构一旦固定，波导的性质就不能再进行调节了。这也在一定程度上限制了太赫兹波导器件的发展。

本发明充分考虑到了实际加工的可操作性，结构难易等要求提出了一种基于石墨烯材料作为表面等离子材料的太赫兹波段的波导器件。其基本原理是：由于石墨烯超薄的性质，表面波很容易透射入石墨烯中，因此石墨烯材料可以支持表面等离子体激元，因为石墨烯的相对介电常数实部在太赫兹波段为负数，表现为金属的性质，从而能够实现太赫兹波段的表面等离子体模式，同时其虚部比金属材料的要小很多，表示石墨烯具有较低的损耗。最为重要的是石墨烯的性质可以通过外加电压的方法去调节，体现了石墨烯太赫兹波导易于可调的良好属性。作为新型的石墨烯材料，其加工技术也得到了广大科研工作者的研究变得日趋的成 熟，最常用的加工技术是氧化石墨还原法，故本发明器件在太赫兹实际应用中也有着一定的前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、易于加工、约束能力强、易于可调并且能广泛应用到实际中的太赫兹波段波导器件。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种基于石墨烯材料的可调性太赫兹波导器件，其特征在于：由一层二氧化硅材料衬底层、一层石墨烯中间层、一层二氧化硅中间层和一层金属铜条带由下往上叠置而成的三层波导结构放置在二氧化硅的衬底上。

衬底层为二氧化硅材料，厚度为20μm。

石墨烯层其理论的厚度仅仅为0.34nm。

中间层为二氧化硅材料，厚度为50～500nm

条带顶层为金属铜材料，厚度为1μm，宽度为0.5μm～4μm。其作用是与下方的石墨烯层形成天线结构，支持金属-介质-金属型(metal-insulator-metal)表面等离子体模式。其宽度w可根据所需工作频率调节，具有很强的可调性。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)该天线结构实现对太赫兹信号的较强的约束能力，远高于金属材料的太赫兹波导器件。

(2)波导器件类似于光波段的金属-介质-金属型结构，结构简单紧凑，便于大规模集成。

(3)该波导的性质不仅可以通过几何参数例如顶层铜条宽度去调节还可以通过外加电压的方法去调节，体现了可调方式的多样性和易于可调的特点。

附图说明

图1是本发明一种基于石墨烯材料的可调太赫兹波导结构示意图。

图2是本发明结构在不同宽度的顶层金属条带的波导器件的传输特性示意图。

图3是本发明结构在不同的中间层二氧化硅厚度的波导器件的传输特性示意图。

图4是本发明结构在不同的工作频率下的波导器件的传输特性示意图。

图5是本发明结构在不同的化学势能下的波导器件的传输特性示意图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一：