本發明涉及一種基于石墨烯材料作為表面等離子體材料的約束強、易于可調的太赫茲波導器件,屬于石墨烯材料在太赫茲波段應用領域。
背景技術:
太赫茲波在電磁波譜中位于微波和紅外光之間,波長通常從30μm到3mm,由于其在各個領域,包括通訊、傳感、生物成像等方面有著較為廣泛的潛在應用,近年來一直受到人們的關注和研究。然而隨著太赫茲技術應用的快速發展,波導在通訊中的應用是必不可少的一個器件。盡管大多數金屬材料的波導在太赫茲波段可以通過挖孔或者是刻槽來得到,但是這些波導都具有很低的約束能力和較短的傳輸距離。因此對于能夠實現較強約束和性質可控的太赫茲波導器件的需求與日俱增,因為這不僅有著重要的學術應用,也有著深遠的現實意義。
到目前為止大多數報道的太赫茲波導器件基本都是基于金屬材料,通過對金屬材料挖孔或者刻槽,我們通常稱之為人工表面等離子體波導。盡管這些波導結構能夠傳輸表面波,但是由于金屬對太赫茲波有相對較大的損耗,人工表面等離子體波導僅僅能夠傳輸較短的距離并且這些波導的約束能力也非常的差,這在波導的分束或者彎曲的時候帶來了很大的損耗。另外一點是,金屬材料的太赫茲波導結構一旦固定,波導的性質就不能再進行調節了。這也在一定程度上限制了太赫茲波導器件的發展。
本發明充分考慮到了實際加工的可操作性,結構難易等要求提出了一種基于石墨烯材料作為表面等離子材料的太赫茲波段的波導器件。其基本原理是:由于石墨烯超薄的性質,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離子體激元,因為石墨烯的相對介電常數實部在太赫茲波段為負數,表現為金屬的性質,從而能夠實現太赫茲波段的表面等離子體模式,同時其虛部比金屬材料的要小很多,表示石墨烯具有較低的損耗。最為重要的是石墨烯的性質可以通過外加電壓的方法去調節,體現了石墨烯太赫茲波導易于可調的良好屬性。作為新型的石墨烯材料,其加工技術也得到了廣大科研工作者的研究變得日趨的成熟,最常用的加工技術是氧化石墨還原法,故本發明器件在太赫茲實際應用中也有著一定的前景。
技術實現要素:
本發明的目的在于克服現有技術的不足,提供一種結構簡單、易于加工、約束能力強、易于可調并且能廣泛應用到實際中的太赫茲波段波導器件。
為實現上述目的,本發明所采取的技術方案為:一種基于石墨烯材料的可調性太赫茲波導器件,其特征在于:由一層二氧化硅材料襯底層、一層石墨烯中間層、一層二氧化硅中間層和一層金屬銅條帶由下往上疊置而成的三層波導結構放置在二氧化硅的襯底上。
襯底層為二氧化硅材料,厚度為20μm。
石墨烯層其理論的厚度僅僅為0.34nm。
中間層為二氧化硅材料,厚度為50~500nm
條帶頂層為金屬銅材料,厚度為1μm,寬度為0.5μm~4μm。其作用是與下方的石墨烯層形成天線結構,支持金屬-介質-金屬型(metal-insulator-metal)表面等離子體模式。其寬度w可根據所需工作頻率調節,具有很強的可調性。
與現有技術相比,本發明具有如下優點:
(1)該天線結構實現對太赫茲信號的較強的約束能力,遠高于金屬材料的太赫茲波導器件。
(2)波導器件類似于光波段的金屬-介質-金屬型結構,結構簡單緊湊,便于大規模集成。
(3)該波導的性質不僅可以通過幾何參數例如頂層銅條寬度去調節還可以通過外加電壓的方法去調節,體現了可調方式的多樣性和易于可調的特點。
附圖說明
圖1是本發明一種基于石墨烯材料的可調太赫茲波導結構示意圖。
圖2是本發明結構在不同寬度的頂層金屬條帶的波導器件的傳輸特性示意圖。
圖3是本發明結構在不同的中間層二氧化硅厚度的波導器件的傳輸特性示意圖。
圖4是本發明結構在不同的工作頻率下的波導器件的傳輸特性示意圖。
圖5是本發明結構在不同的化學勢能下的波導器件的傳輸特性示意圖。
具體實施方式
以下是本發明的具體實施例并結合附圖,對本發明的技術方案作進一步的描述,但本發明并不限于這些實施例。
實施例一:
附圖1為本波導器件結構示意簡圖。二氧化硅襯底層1上疊加一層厚度僅為為0.34nm的的石墨烯層2、上層再疊加一層厚度為t的二氧化硅層3、最上面是一層寬度為w的金屬條帶頂層4從而構成三層波導結構放置在二氧化硅晶體上。太赫茲光束沿著z方向入射到結構上。當條帶頂層4采用金屬銅材料時,這樣一種金屬銅-二氧化硅-石墨烯三層結構類似于光波段的金屬-介質-金屬型結構,但是有所不同的是,我們所提出的結構的等離子體模式在y方向上應該被當做是pec-介質-等離子體模式,并不是真正的我們在光波段的mim模式,因為在中心的介質層和周圍的材料交界處僅僅只有一種等離子體模式,金屬在太赫茲波段是沒有等離子體模式的,它被認為是pec。二氧化硅襯底層1是為二氧化硅材料,厚度為20μm。石墨烯中間層2其厚度僅僅為0.34nm。中間層3為二氧化硅材料,厚度h為50nm~500nm。頂層4為金屬材料銅,厚度為1μm,寬度為0.5μm~4μm。
圖2是通過有限元方法模擬計算得到的該結構在不同寬度的頂層金屬條帶的波導器件的傳輸特性示意圖。傳輸特性包括等效模式系數,可以被定義為re(neff)=β′/k0;傳輸損耗,它與im(neff)=β″/k0相關。上式中β=β′-i*β″是波導模式復傳播常數,k0=2π/λ0是真空中的波矢,因此re(neff)也可以稱為歸一化的傳播常數,im(neff)為歸一化的衰減常數。從圖中可以明顯的看到在cu的寬度w從0.5μm到4μm變化的區間里,該波導的等效模式系數很高(re(neff)從8到18之間變化),這遠遠高于應用在波導中的任何介質材料的折射率系數。如圖2所示,另一個高階模式隨著w增加到某個值也會相應出現。但是我們都想實現波導的單模傳輸,因此為了實現單模的傳輸,cu的寬度w的值應該足夠的小,由圖2中可以看出cu的寬度為1μm及以下時,該波導支持單模傳輸。從圖2中還可以看出,隨著cu的寬度w增加,該波導的一階模和二階模的等效模式系數的虛部都會在高階模式出現之前呈現增大的趨勢。例如,在二階模出現之前,一階模的等效模式系數的虛部是遞增的,隨后又出現減少。這顯示了傳輸損耗先增加然后減少。除此以外,平板波導的模式性質不僅僅會被金屬cu的寬度所影響,還會被芯層材料的厚度所影響。如圖3所示,是該波導的等效模式系數實部和虛部與中間芯層厚度的關系。我們可以清楚的看到,該波導的等效模式系數和實部和虛部值都衰減了,顯示了波導傳輸損耗的減少是以犧牲約束能力為代價,因此很多時候我們要在這兩者之間做出權衡。
我們還要研究該波導的色散特性。如圖4所示,工作頻率從1thz到10thz變化,該波導的等效模式系數實部的值增加了而等效模式系數虛部的值較少,這說明了在較高的太赫茲頻率下,較強的約束能力并且同時還有較低的傳輸損耗。從石墨烯電導率方程中可以看出,電導率是頻率和化學勢能的函數,該波導的模式性質會被石墨烯相對介電常數的實部和虛部的值影響,因此隨著頻率的增大,石墨烯介電常數實部和虛部的模值都將變小,這也在一定程度上暗示了損耗的降低,因為相對介電常數的虛部通常代表的是材料的損耗。正如我們所知,石墨烯中的等離子體與石墨烯材料的化學勢能μc有很大的關系,所以石墨烯的性質可以通過電壓或者化學參雜去調節。這一特點讓基于石墨烯的太赫茲等離子體波導性質優于那些波光段的基于普通金屬材料(例如金、銀、銅等)的等離子體波導。如圖5所示,隨著化學勢能的增加,等效模式系數的實部和虛部都減小了,這顯示了在化學勢能較大的情況下,波導具有較長的傳輸距離就會有著較弱的約束能力。波導工作在7thz時,不像銅條寬度的改變帶來的高階模式的結果,改變化學勢能μc從0.3ev到1ev之間變化也不會產生高階模式,這對波導的單模傳輸也是比較有利的。
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代,但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。