[发明专利]石墨烯基互补型非对称Π型结构THz调制器及制备方法

说明书

本发明涉及石墨烯基互补型非对称Π型结构THz调制器及制备方法，THz调制器包括：聚合物柔性衬底层；氧化铟锡(Indium tin oxide，ITO)半导体溅射层；Al₂O₃绝缘‑石墨烯有源区结构复合层：生长在ITO层上，由至少一个Al₂O₃绝缘‑有源区子结构叠加组成，所述的Al₂O₃绝缘‑有源区子结构包括位于下方的Al₂O₃绝缘层，以及生长在Al₂O₃绝缘层上的互补型石墨烯微结构层；通过自旋喷涂的方法在最上方的一个有源区子结构上制作导电凝胶‑凝胶层为上电极。与现有技术相比，本发明可以实现对太赫兹波的有效调节，调制器的品质因子高(Q30)、可调性能好和调制深度大等优点。

技术领域

本发明涉及半导体光电材料与器件技术领域，尤其是涉及一种基于石墨烯互补型非对称Π型微结构的高品质因子THz调制器及其制备方法。

背景技术

太赫兹(terahertz,THz)波在电磁波谱中介于微波和红外辐射之间，处于电子学向光子学的过渡区域，在基础研究和实际应用中都具有广阔的前景。调制器作为波导技术的关键元器件，对促进THz技术在物体成像、生物样品分析和短程无线通信等方面的发展具有非常重要的价值和意义。目前的THz波调制器，根据调制方法可分为电致调制、光致调制和机械重构调制等，其中电致调制通过外加电流或电压实现对入射THz波的控制；根据被调制电磁波的特点可分为幅值调制、共振频率调制和相位调制。但是，目前太赫兹调制器还有很多不足之处，例如量子阱调制器需在低温下工作，而液晶调制器对温度敏感、调制速度较慢(KHz)、频率调节范围较小(液晶材料在THz波段的双折射率较低)。

周期性超材料(超结构，Metamaterials,MMs)的性质和功能主要取决于结构单元的几何形状及空间分布，可以根据实际需求人工设计出不同与自然媒质物理性能的功能材料器件；并且如果将液晶或半导体材料引入微结构单元中，通过改变温度或者然后通过外加泵浦光或电场也可以实现对太赫兹波的可调谐操控。根据Babinet原则，超材料互补型微结构也可产生强烈的电磁振荡，与传统结构的超材料相比，互补型微结构超材料的性质正好相反，在调制器、天线和反射器等器件的设计方面更具有优势。因此，从器件结构研究设计上来讲，超材料体系很适合用来制作太赫兹波段的调制器。

目前，超材料常见的构成材质主要有金属(Ag,Au)、超导体(YBCO)和半导体(如InSb，VO₂)，不过它们的电磁和光学性质较难调节。石墨烯(graphene)是典型的二维纳米材料，有众多优点，如迁移率高、光生载流子的产生和弛豫时间快(在ps量级)，其光电性质也可通过外加电场或磁场进行调节。在THz波段石墨烯带内跃迁起主导作用，载流子浓度随费米能级有显著改变，对提高调制深度非常有利。因此，石墨烯是研究超材料和表面等离子激元(surface plasmons,SPs)器件的良好平台，很适合用来制作THz波调制器。

目前已有的太赫兹石墨烯调制器很多是以整片石墨烯作为调制器的有源区，调制深度较小、调制速度较慢。例如，Deglinnocenti等人采用顶栅压(top-gated)技术实现了对THz波的低偏压调制，调制偏压仅为0.5V，幅值调制深度达到18％。Lee等人通过调节施加在石墨烯上的偏压，成功实现了对入射THz波的线性宽带调制，调制宽度达到1THz以上，调制电压在几百伏以上。在金属开口环微结构基础上，Deglinnocenti等人采用顶栅压(top-gated)技术实现了对THz波的低偏压调制，调制偏压仅为0.5V，调制深度不到20％。国内方面，在石墨烯-Si-石墨烯结构上，天津大学张伟力课题组成功制作了有源控制THz波可调二极管，通过控制外加泵浦光的强度，在较小外加偏压(小于8V)作用下实现对THz波的宽带调制。