本發(fā)明屬于太赫茲波段器件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于石墨烯的太赫茲波偏振片。

背景技術(shù)：

太赫茲波的是指0.3THz到10THz范圍的電磁波，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍從0.03mm到1mm。太赫茲波段有較高的空間分辨率(高頻率)和時(shí)間分辨率(皮秒脈沖)，能量較小不會(huì)破壞物質(zhì)，而且是生物大分子的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的共振頻段。這些特性使其在例如寬帶通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、天文、無(wú)損檢測(cè)、醫(yī)學(xué)成像、安全檢查等領(lǐng)域有潛在的應(yīng)用前景。80年代之前，受到太赫茲波產(chǎn)生源和探測(cè)器的限制，涉及這一波段的研究和應(yīng)用非常少。隨著之后新技術(shù)(超快技術(shù))，新材料的發(fā)展，使得太赫茲技術(shù)得到迅速發(fā)展。目前，太赫茲技術(shù)的研究以及應(yīng)用開發(fā)正成為光學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。然而，高性能的新型太赫茲器件(例如發(fā)射源，探測(cè)器，調(diào)制器，偏振片，分束器，色散光學(xué)元件，寬帶透射窗口等)仍然亟待設(shè)計(jì)，以提高太赫茲技術(shù)的應(yīng)用效率。

偏振片可以使自然光變成偏振光的光學(xué)元件。在太赫茲波段，已有的太赫茲偏振片主要包括金屬線柵偏振器和液晶偏振片等。金屬線柵型偏振片具有較好的偏振效果，但是存在成本比較昂貴、功能單一、不可調(diào)諧、譜寬范圍窄、不便集成化等缺點(diǎn)；液晶偏振片是通過在襯底上添加一層向列型液晶，制作成Feussner型偏振片，消光系數(shù)很高，但缺點(diǎn)是波長(zhǎng)范圍窄，液晶層和襯底很難壓緊封裝。因此，目前具有主動(dòng)調(diào)諧能力的太赫茲偏振片還很欠缺。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于石墨烯的太赫茲波偏振片，解決現(xiàn)有的偏振片不可調(diào)諧、譜寬范圍窄、功能單一和不便集成化的問題。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種基于石墨烯的電控太赫茲偏振片，其特征在于，包括至少兩層石墨烯層，每?jī)蓪酉噜彽氖娱g設(shè)有介質(zhì)層，所述的每層石墨烯層上設(shè)有孔，所述的每一介質(zhì)層上也設(shè)有孔，所述的石墨烯層上的孔與介質(zhì)層上的孔重合，所述的每層石墨烯層上的孔有多個(gè)，所述的每層介質(zhì)層上的孔的個(gè)數(shù)與每層石墨烯層上的孔的個(gè)數(shù)相同，且每層石墨烯層上的孔和每層介質(zhì)層上的孔均呈陣列分布；

偶數(shù)層的石墨烯層共同連接在一個(gè)電極上，奇數(shù)層的石墨烯層共同連接在另一個(gè)電極上，在兩個(gè)電極上加載電壓可實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)控；所述的加工有孔的石墨烯層的橫截面積大于太赫茲光斑的面積。

所述的相鄰孔中心線間的距離為1～6μm，相鄰孔間的石墨烯的寬度為0.5～5μm。

所述介質(zhì)層采用二氧化硅、氮化硼或三氧化二鋁。

所述電極采用金屬或合金電極。

采用微加工的方法對(duì)制備好的石墨烯層和介質(zhì)層刻蝕出孔，所述的微加工的方法包括采用光學(xué)曝光、電子束曝光或聚焦離子束曝光，配合濕法刻蝕或干法刻蝕。

基于石墨烯的電控太赫茲偏振片的使用方法，在每層石墨烯層和介質(zhì)層上加工孔形成柵帶，透過太赫茲波的電場(chǎng)偏振方向與柵帶平行的，通過改變電壓調(diào)控透過率的大??；透過太赫茲波的偏振方向與柵帶垂直的，基本不受電壓的影響，一直保持高透過率；對(duì)于固定層數(shù)的偏振片，將偶數(shù)層石墨烯層連接的一個(gè)電極和奇數(shù)層石墨烯層連接的另一個(gè)電極上加恒定電壓，隨所加電壓的升高，觀察偏振方向平行于柵帶的透射太赫茲脈沖振幅，確定調(diào)控范圍，通過改變電壓，可以調(diào)控透過太赫茲波的偏振度。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1、可調(diào)諧性：本發(fā)明利用多層膜結(jié)構(gòu)制備的偏振片，可以通過柵帶的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如柵帶寬度等，以及石墨烯的層數(shù)而調(diào)控響應(yīng)頻段、偏振度等性能參數(shù)；通過電壓調(diào)控，可以主動(dòng)調(diào)控透過太赫茲波的偏振度。

2、譜寬范圍寬：石墨烯在較寬的太赫茲波段具有均一Drude電導(dǎo)，所以偏振片的工作頻段較寬。

3、功能多樣化：電壓調(diào)控可以主動(dòng)調(diào)控透過太赫茲波偏振方向平行于柵帶方向的透過率，本器件除了偏振的功能以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同偏振方向太赫茲波選擇性調(diào)制的功能。

4、便于集成：由于本器件電壓可調(diào)，因此與大多數(shù)太赫茲光電系統(tǒng)的兼容性良好。

5、本發(fā)明使用的石墨烯材料，成本以及加工方案容易控制，制備偏振片的方法具有簡(jiǎn)單、易于加工的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1是兩個(gè)石墨烯層構(gòu)成的偏振片結(jié)構(gòu)示意圖，(a)俯視圖，(b)正視圖，(c)側(cè)面剖視圖，(d)為圖(a)的局部放大圖。

圖2是4個(gè)石墨烯層構(gòu)成的偏振片的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是對(duì)石墨烯所加電壓和石墨烯費(fèi)米能級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。

圖4是2個(gè)石墨烯層構(gòu)成的電控偏振片(柵帶周期為3μm，石墨烯柵帶寬度為1μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅為間隔層時(shí)，(a)平行于柵帶方向太赫茲波的透過率和(b)垂直于柵帶方向太赫茲波的透過率，隨費(fèi)米能級(jí)的變化。

圖5是2個(gè)石墨烯層構(gòu)成的電控偏振片(柵帶周期為3μm，石墨烯柵帶寬度為2μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅為間隔層時(shí)，(a)平行于柵帶方向太赫茲波的透過率和(b)垂直于柵帶方向太赫茲波的透過率，隨費(fèi)米能級(jí)的變化。

圖6是4個(gè)石墨烯層構(gòu)成的電控偏振片(柵帶周期為3μm，石墨烯柵帶寬度為2μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅為間隔層時(shí)，(a)平行于柵帶方向太赫茲波的透過率和(b)垂直于柵帶方向太赫茲波的透過率，隨費(fèi)米能級(jí)的變化。

圖7是6個(gè)石墨烯層構(gòu)成的電控偏振片(柵帶周期為3μm，石墨烯柵帶寬度為2μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅為間隔層時(shí)，(a)平行于柵帶方向太赫茲波的透過率和(b)垂直于柵帶方向太赫茲波的透過率，隨費(fèi)米能級(jí)的變化。

附圖中各標(biāo)號(hào)的含義：1-石墨烯層，2-介質(zhì)層，3-電極，4-電壓，5-孔。

以下結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的具體內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)解釋說明。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明中的柵帶結(jié)構(gòu)為：在每層石墨烯層和介質(zhì)層上加工出成陣列分布的大小相同的孔，形成柵帶。石墨烯周期性柵帶，結(jié)構(gòu)上具有石墨烯單原子層厚度，并且通過堆疊做成與介質(zhì)層結(jié)合的夾層結(jié)構(gòu)，不同于基于傳統(tǒng)金屬材料的三維金屬線柵。石墨烯柵帶對(duì)太赫茲波的各向異性響應(yīng)利用了石墨烯微結(jié)構(gòu)中的等離子體共振效應(yīng)，并且，這種結(jié)構(gòu)讓石墨烯具有柵壓可調(diào)的太赫茲電導(dǎo)，是金屬無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

太赫茲波垂直入射時(shí)，理想的大面積石墨烯在面上的電導(dǎo)是各項(xiàng)同性的。但是當(dāng)把石墨烯制備成微結(jié)構(gòu)之后，離子體振蕩現(xiàn)象將會(huì)出現(xiàn)。在一定微尺度下，石墨烯的等離子體共振峰可以移動(dòng)到紅外波段，從而使太赫茲波段的衰減大大降低。將石墨烯設(shè)計(jì)成周期性柵帶結(jié)構(gòu)，使偏振方向垂直于柵帶的太赫茲波因?yàn)榈入x子體振蕩頻率的改變而出現(xiàn)高透過率，而平行于柵帶方向的太赫茲波調(diào)控不受影響，從而出現(xiàn)各向異性，實(shí)現(xiàn)偏振功能。具體如下：

單層石墨烯在太赫茲波段的電導(dǎo)可以寫為德魯?shù)?Drude)形式，在太赫茲波段具有較為一致的高電導(dǎo)，并且受到費(fèi)米能級(jí)的影響，可以達(dá)到可見光波段電導(dǎo)的幾十倍，因此具備了調(diào)控太赫茲波的響應(yīng)深度。另外石墨烯具有雙極電場(chǎng)效應(yīng)，在石墨烯加?xùn)艍汉?，其載流子濃度可以與調(diào)制電壓成正比關(guān)系。因?yàn)槭┑馁M(fèi)米能級(jí)和載流子濃度n的1/2次方成正比，因此柵壓和費(fèi)米能級(jí)的平方具有正比例關(guān)系。當(dāng)石墨烯電子摻雜時(shí)費(fèi)米能級(jí)設(shè)為正值，空穴摻雜時(shí)費(fèi)米能級(jí)設(shè)為負(fù)值，則可以計(jì)算出費(fèi)米能級(jí)和柵壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

在入射太赫茲波的偏振方向上，當(dāng)石墨烯的空間尺度為有限值d時(shí)，石墨烯在該方向上的電導(dǎo)將會(huì)受到等離子體振蕩的影響。等離子體頻率是與尺度d倒數(shù)的1/2次方成正比，且與載流子濃度的1/4次方成正比。當(dāng)石墨烯的尺度在一定范圍(例如微米量級(jí))，等離子體峰將轉(zhuǎn)移到紅外波段，使得太赫茲波段的電導(dǎo)率變得很小，透明性大大提高。因此，可以把石墨烯設(shè)計(jì)為一定寬度的柵帶，這樣偏振方向垂直于條帶的太赫茲波透過率高，而平行于條帶的太赫茲波依然受到上一段落所述的電壓調(diào)制改變電導(dǎo)的影響，從而實(shí)現(xiàn)本專利的電控偏振片功能。

上述參數(shù)僅為闡述本發(fā)明的結(jié)果趨勢(shì)，在實(shí)際樣品中，參數(shù)的取值應(yīng)受到制備方法、轉(zhuǎn)移條件、器件加工法、器件構(gòu)成等多方面影響，實(shí)際取值應(yīng)服從樣品的實(shí)際情況。

因此，利用上述石墨烯疊層結(jié)構(gòu)，通過微加工手段制作柵帶，使用電壓調(diào)控改變石墨烯的光電導(dǎo)率，在一定結(jié)構(gòu)參數(shù)、層數(shù)和電壓條件下，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁方向平行與柵帶太赫茲波的抑制，實(shí)現(xiàn)偏振片功能。

以下給出本發(fā)明的具體實(shí)施例，需要說明的是本發(fā)明并不局限于以下具體實(shí)施例，凡在本申請(qǐng)技術(shù)方案基礎(chǔ)上做的等同變換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1

本實(shí)施例給出一種基于石墨烯的電控太赫茲偏振片，包括至少兩層石墨烯層1，每?jī)蓪酉噜彽氖?間設(shè)有介質(zhì)層2，所述的每層石墨烯層1上設(shè)有孔5，所述的每一介質(zhì)層2上也設(shè)有孔5，所述的石墨烯層1上的孔與介質(zhì)層2上的孔重合，所述的每層石墨烯層1上的孔5有多個(gè)，所述的每層介質(zhì)層2上的孔的個(gè)數(shù)與每層石墨烯層1上的孔的個(gè)數(shù)相同，且每層石墨烯層1上的孔和每層介質(zhì)層2上的孔均呈陣列分布；

偶數(shù)層的石墨烯層1共同連接在一個(gè)電極3上，奇數(shù)層的石墨烯層1共同連接在另一個(gè)電極3上，在兩個(gè)電極3上加載電壓4可實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)控；所述的加工有孔5的石墨烯層1的橫截面積大于太赫茲光斑的面積。

實(shí)施例2

一種實(shí)施例1所述的偏振片的制備方法，將偏振片使用前加工于基底或太赫茲元件上，在太赫茲元件或基底上按照由下至上的次序逐層制備各層結(jié)構(gòu)，包括至少兩層石墨烯層、位于每?jī)蓚€(gè)相鄰的石墨烯層之間的介質(zhì)層、偶數(shù)層石墨烯層上共同相連的一個(gè)電極以及奇數(shù)層的石墨烯共同相連的另一個(gè)電極，在兩個(gè)電極上加載電壓，保證每個(gè)介質(zhì)層將相鄰的石墨層完全隔開；

石墨烯層的制備采用化學(xué)氣相法、機(jī)械剝離法、外延生長(zhǎng)法或氧化還原法；介質(zhì)層的制備采用真空蒸鍍法、旋轉(zhuǎn)涂覆法或化學(xué)氣相沉積法；所述電極的制備采用真空蒸鍍法、真空濺射法、化學(xué)氣相沉積法或電化學(xué)沉積法；柵帶結(jié)構(gòu)的制備采用光學(xué)曝光、電子束曝光或聚焦離子束曝光，配合濕法刻蝕或干法刻蝕的微加工技術(shù)。

實(shí)施例3

一種實(shí)施例1所述的偏振片的使用方法，對(duì)于固定層數(shù)的偏振片，將偶數(shù)層石墨烯層連接的一個(gè)電極和奇數(shù)層石墨烯層連接的另一個(gè)電極上加恒定電壓，隨所加電壓的升高，觀察偏振方向平行于柵帶的透射太赫茲脈沖振幅，確定調(diào)控范圍。通過改變電壓，可以調(diào)控透過太赫茲波的偏振度。

實(shí)施例4

如圖1所示，本實(shí)施例給出2個(gè)石墨烯柵帶層構(gòu)成的偏振片，共有3層結(jié)構(gòu)，柵帶的刻蝕孔5的深度包含全部的3層結(jié)構(gòu)；奇數(shù)層和偶數(shù)層石墨烯層各自具有相同的電位，可加電壓進(jìn)行每層石墨烯層電導(dǎo)率的調(diào)節(jié)。

石墨烯柵帶結(jié)構(gòu)層的面積為0.6×0.6cm²；柵帶周期長(zhǎng)度a＝3μm，柵帶周期是指刻蝕孔5的寬度與相鄰刻蝕孔5間石墨烯的寬度之和，圖4中的石墨烯柵帶寬度為b＝1μm，圖5～7中的石墨烯柵帶寬度b＝2μm；費(fèi)米速度v_F＝1×10⁶m/s，測(cè)試溫度：300K，制備方法：CVD；

柵帶的刻蝕孔5采用光學(xué)曝光配合濕法刻蝕制備，介質(zhì)層采用二氧化硅，介質(zhì)層厚度為30nm，該介質(zhì)層采用磁控濺射法制備，介質(zhì)層的介電常數(shù)為3.9；電極采用銅，用磁控濺射法制得；基底采用高阻硅，其介電常數(shù)為11.7，入射太赫茲波：頻率0.1-2.4THz，測(cè)試電壓為0～200V，測(cè)試電壓與圖4～7中標(biāo)注的費(fèi)米能級(jí)的關(guān)系見圖3所示。

實(shí)施例5

如圖2所示，本實(shí)施例給出的偏振與實(shí)施例4相同，區(qū)別在于，由4個(gè)石墨烯柵帶層構(gòu)成的偏振片，共有7層結(jié)構(gòu)，柵帶的刻蝕孔深度包含全部的七層結(jié)構(gòu)；介質(zhì)層采用三氧化二鋁，柵帶的刻蝕孔5采用電子束曝光配合干法刻蝕制備。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，石墨烯層的層數(shù)并不局限于2層和4層，而是根據(jù)偏振片的要求改變，層數(shù)越多，實(shí)現(xiàn)偏振度越高。

從圖4至圖7中可以看出，平行于柵帶方向太赫茲波的透過率隨著石墨烯費(fèi)米能級(jí)(對(duì)應(yīng)電壓)的變化產(chǎn)生了明顯的調(diào)制，并且是0.1-2.4THz范圍內(nèi)的寬波段調(diào)制。垂直于柵帶方向太赫茲波的透過率隨著石墨烯費(fèi)米能級(jí)(對(duì)應(yīng)電壓)的變化很小，透過率保持很高。

對(duì)比圖4和圖5，同樣是兩個(gè)石墨烯層，因?yàn)闁艓挾葏?shù)的差異，可見圖5可以達(dá)到的偏振度更高。對(duì)比圖5、圖6和圖7，在柵帶結(jié)構(gòu)參數(shù)相同時(shí)，隨著石墨烯層數(shù)的增加，最大偏振度產(chǎn)生明顯提高，實(shí)現(xiàn)更好的偏振片功能。