一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件.pdf

一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件。本发明涉及一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件。本发明是为解决现有的太赫兹超材料调谐器存在调谐频率单一、调谐深度较小的问题。一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件由衬底、绝缘介质层和开口谐振环结构石墨烯层组成，所述衬底水平设置在最下层，所述绝缘介质层平行设置在衬底的上表面上，所述开口谐振环结构石墨烯层平行设置在绝缘介质层的上表面的中间位置。本发明用于太赫兹通讯领域。

1.  一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件，其特征在于基于石墨烯的太赫兹调谐器件由衬底(1)、绝缘介质层(2)和开口谐振环结构石墨烯层(3)组成，所述衬底(1)水平设置在最下层，所述绝缘介质层(2)平行设置在衬底(1)的上表面上，所述开口谐振环结构石墨烯层(3)平行设置在绝缘介质层(2)的上表面的中间位置；所述开口谐振环结构石墨烯层(3)的上表面和下表面形状相同，所述开口谐振环结构石墨烯层(3)的厚度为0.34μm，所述开口谐振环结构石墨烯层(3)的上表面由上边(4)、中柱(5)、下边(6)、第一开口边(7)、第二开口边(8)、第三开口边(9)、第四开口边(10)、第一凸起(11)、第二凸起(12)、第三凸起(13)和第四凸起(14)组成；所述中柱(5)垂直设置在上边(4)和下边(6)的中间位置；所述第二开口边(8)垂直且向上设置在下边(6)的左端；所述第四开口边(10)垂直且向上设置在下边(6)的右端；所述第一开口边(7)垂直设置在上边(4)的下面，且与第二开口边(8)相对称；所述第三开口边(9)垂直设置在上边(4)的下面，且与第四开口边(10)相对称；所述第一凸起(11)设置在第一开口边(7)的下端部外侧，第二凸起(12)设置在第二开口边(8)的上端部外侧，第三凸起(13)设置在第三开口边(9)的下端部外侧，第四凸起(14)设置在第四开口边(10)的上端部外侧。

2.  根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件，其特征在于所述衬底(1)为厚度为500μm的正方形高阻硅板，其边长为50μm；所述正方形高阻硅板的电阻率大于10000，介电常数为11.9。

3.  根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件，其特征在于所述绝缘介质层(2)是厚度为3μm的正方形二氧化硅板，其边长为50μm；所述正方形二氧化硅板的介电常数为2.88。

4.  根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件，其特征在于所述上边(4)的长度为50μm，宽度为4μm。

5.  根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件，其特征在于所述中柱(5)的长度为36μm，宽度为4μm。

6.  根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件，其特征在于所述下边(6)的长度为36μm，宽度为4μm。

7.  根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件，其特征在于所述第一开口边(7)、第二开口边(8)、第三开口边(9)和第四开口边(10)的长度均为15μm，宽度均为4μm。

8.  根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件，其特征在于所述第一凸 起(11)、第二凸起(12)、第三凸起(13)和第四凸起(14)的长度均为4μm，宽度均为2μm。

9.  根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件，其特征在于所述开口谐振环结构石墨烯层(3)的电导率为4.09×10⁷s/cm。

10.  根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件，其特征在于所述开口谐振环结构石墨烯层(3)的费米能为0.1eV～0.5eV。

一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件
技术领域
本发明涉及一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件。
背景技术
近年来，人工电磁材料(Metamaterials)在太赫兹功能器件方面取得了突破性进展，但是人工电磁材料的器件由于材料的局限性一个器件只能对单一频率的太赫兹波进行调制且调制深度较小。石墨烯作为优良的导体材料其费米能级可以通过外加电场进行调节，费米能的不同导致了介电常数发生变化，这使得人工电磁材料器件对多频段的太赫兹进行调制成为可能。
发明内容
本发明是为了解决现有的太赫兹超材料调谐器存在调谐频率单一、调谐深度较小的问题，而提供一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件。
本发明的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件由衬底、绝缘介质层和开口谐振环结构石墨烯层组成，所述衬底水平设置在最下层，所述绝缘介质层平行设置在衬底的上表面上，所述开口谐振环结构石墨烯层平行设置在绝缘介质层的上表面的中间位置；所述开口谐振环结构石墨烯层的上表面和下表面形状相同，所述开口谐振环结构石墨烯层的厚度为0.34μm，所述开口谐振环结构石墨烯层的上表面由上边、中柱、下边、第一开口边、第二开口边、第三开口边、第四开口边、第一凸起、第二凸起、第三凸起和第四凸起组成；所述中柱垂直设置在上边和下边的中间位置；所述第二开口边垂直且向上设置在下边的左端；所述第四开口边垂直且向上设置在下边的右端；所述第一开口边垂直设置在上边的下面，且与第二开口边相对称；所述第三开口边垂直设置在上边的下面，且与第四开口边相对称；所述第一凸起设置在第一开口边的下端部外侧，第二凸起设置在第二开口边的上端部外侧，第三凸起设置在第三开口边的下端部外侧，第四凸起设置在第四开口边的上端部外侧。
本发明的有益效果：
本发明的谐振环结构是由石墨烯构成的，石墨烯的费米能可以通过外加电压来控制；而传统的谐振环结构是金属构成，选定材料后其费米能就不可变。构成材料的费米能可变就意味着可以有不同的调谐频率。与现有调谐器相比，它能对不同频率的太赫兹波进行调制且调制深度优于现有的调谐器。经仿真实验，本发明能实现多频率调谐，而且每个频率 的调谐效率都接近于100％。
附图说明
图1为一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件的结构示意图；
图2为一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件的立体结构示意图；
图3为所述开口谐振环结构石墨烯层的上表面的结构示意图；
图4为基于石墨烯的太赫兹调谐器件在开口谐振环结构石墨烯层不同的费米能级时其对太赫兹波的调谐频率谱图，其中1为费米能为0.2eV，2为费米能为0.3eV，3为费米能为0.4eV，4为费米能为0.5eV。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1、图2和图3所示，本实施方式的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件由衬底1、绝缘介质层2和开口谐振环结构石墨烯层3组成，所述衬底1水平设置在最下层，所述绝缘介质层2平行设置在衬底1的上表面上，所述开口谐振环结构石墨烯层3平行设置在绝缘介质层2的上表面的中间位置；所述开口谐振环结构石墨烯层3的上表面和下表面形状相同，所述开口谐振环结构石墨烯层3的厚度为0.34μm，所述开口谐振环结构石墨烯层3的上表面由上边4、中柱5、下边6、第一开口边7、第二开口边8、第三开口边9、第四开口边10、第一凸起11、第二凸起12、第三凸起13和第四凸起14组成；所述中柱5垂直设置在上边4和下边6的中间位置；所述第二开口边8垂直且向上设置在下边6的左端；所述第四开口边10垂直且向上设置在下边6的右端；所述第一开口边7垂直设置在上边4的下面，且与第二开口边8相对称；所述第三开口边9垂直设置在上边4的下面，且与第四开口边10相对称；所述第一凸起11设置在第一开口边7的下端部外侧，第二凸起12设置在第二开口边8的上端部外侧，第三凸起13设置在第三开口边9的下端部外侧，第四凸起14设置在第四开口边10的上端部外侧。
本实施方式的一种基于石墨烯的太赫兹调谐器件表面电流为LC环路电流。
本实施方式的谐振环结构是由石墨烯构成的，石墨烯的费米能可以通过外加电压来控制；而传统的谐振环结构是金属构成，选定材料后其费米能就不可变。构成材料的费米能可变就意味着可以有不同的调谐频率。与现有调谐器相比，它能对不同频率的太赫兹波进行调制且调制深度优于现有的调谐器。经仿真实验，本发明能实现多频率调谐，而且每个频率的调谐效率都接近于100％。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述衬底1为厚度为500μm的正方形高阻硅板，其边长为50μm；所述正方形高阻硅板的电阻率大于10000， 介电常数为11.9。其它步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述绝缘介质层2是厚度为3μm的正方形二氧化硅板，其边长为50μm；所述正方形二氧化硅板的介电常数为2.88。其它步骤与参数与具体实施方式一或二相同。
本实施方式中所述正方形二氧化硅板的损耗角正切tan(δ)＝0.05，其中δ为绝缘介质2的损耗角。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述上边4的长度为50μm，宽度为4μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述中柱5的长度为36μm，宽度为4μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述下边6的长度为36μm，宽度为4μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述第一开口边7、第二开口边8、第三开口边9和第四开口边10的长度均为15μm，宽度均为4μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述第一凸起11、第二凸起12、第三凸起13和第四凸起14的长度均为4μm，宽度均为2μm。其它步骤与参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述开口谐振环结构石墨烯层3的电导率为4.09×10⁷s/cm。其它步骤与参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述开口谐振环结构石墨烯层3的费米能为0.1eV～0.5eV。其它步骤与参数与具体实施方式一至九之一相同。
本实施方式所述开口谐振环结构石墨烯层3的费米能是通过施加在开口谐振环结构石墨烯层3上的外加电压来改变的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：在基于石墨烯的太赫兹调谐器件的表面施加外加电压，使得开口谐振环结构石墨烯层3的费米能为0.2eV、0.3eV、0.4eV、0.5eV，然后采用太赫兹波进行照射。
图4为基于石墨烯的太赫兹调谐器件在开口谐振环结构石墨烯层不同的费米能级时 其对太赫兹波的调谐频率谱图，其中1为费米能为0.2eV，2为费米能为0.3eV，3为费米能为0.4eV，4为费米能为0.5eV；通过外加电压改变其费米能，每个费米能相对应的一个电压；测样品的太赫兹透射谱可以看到其不同电压下器件对太赫兹光谱的调谐在不同的频率。