基于石墨烯的波導路徑選擇器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種基于石墨烯的波導路徑選擇器，包括選擇器本體，該選擇器整體呈一長方體，且該選擇器主要由石墨烯材料制成的石墨烯層，半導體材料制成的連續涂層和間斷凹槽層，以及非導電材料制成的基片層、正階梯體、填充層和凹階梯體組成。本實用新型利用了石墨烯所具有的電壓可調特性來構建一個波導路徑選擇器，這樣能夠通過不斷改變電壓從而控制SPP波在石墨烯上不同區域的導通與斷開，進而實現波導路徑選擇。此外，本實用新型還利用了石墨烯的電導率的虛部大于零時會表現出金屬性，且電磁波進入后不會產生較大衰減的特性，使得SPP波在波導路徑選擇器中傳播的距離相對較遠。
【專利說明】基于石墨烯的波導路徑選擇器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及石墨烯【技術領域】，具體涉及一種基于石墨烯的波導路徑選擇器。
【背景技術】
[0002]目前大部分波導(如矩形波導、圓波導或介質波導等)均是單路徑地傳輸。若想要獲得多路徑的選擇傳輸，則必須在選時進行物理結構上改變方可實現，這樣就非常的不方便，而且也不容易實現。此外，SPP波(表面等離子波)只能在顯金屬性的材料中傳播，對于導體，其金屬性雖然比較的好，但電磁波一旦進入其中就會由于趨膚效應急劇衰減，致使電磁波在導體中傳播距離十分有限。
[0003]石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料,是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯具有很多優良特性，近年隨著它的成功制取，吸引了眾多的科學家與工程師的研究興趣。由于其具有電壓可調特性，使得在一定的電壓條件下導通或截止SPP波(表面等離子波)。若能夠利用該特點，不斷改變電壓從而實現石墨烯不同區域SPP波的導通與斷開，則能夠實現波導路徑選擇。
實用新型內容
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是現有波導要獲得多路徑的選擇傳輸，必須在選時進行物理結構上改變方可實現的不足，提供一種基于石墨烯的波導路徑選擇器。
[0005]為解決上述問題，本實用新型是通過以下技術方案實現的:
[0006]一種基于石墨烯的波導路徑選擇器，包括選擇器本體，該選擇器整體呈一長方體，且該選擇器主要由石墨烯材料制成的石墨烯層，半導體材料制成的連續涂層和間斷凹槽層，以及非導電材料制成的基片層、正階梯體、填充層和凹階梯體組成。
[0007]基片層為長方體結構。石墨烯層覆在該基片層的上表面。
[0008]正階梯體為正階梯結構。即正階梯體的上表面為水平面，正階梯體的下表面為階梯面，正階梯體的左側面和右側面均為垂直面。上述正階梯體的階梯延伸方向與基片層的長度方向一致，且正階梯體的長度等于基片層的長度。正階梯體的寬度小于基片層的寬度。正階梯體設置在基片層的下方，且正階梯體的上表面與基片層的下表面相貼。
[0009]連續涂層連續式地覆在正階梯體的整個下表面上，即階梯面的每級臺階的表面和連接每兩級臺階的立面上均覆有連續涂層。
[0010]凹階梯體為內陷階梯結構。即凹階梯體的上表面為一個階梯形凹槽面，該階梯形凹槽面由多級凹槽所組成，每級凹槽對應于正階梯體階梯面的一級臺階，且凹槽每級凹槽均呈凹字形或均呈L形，凹階梯體的下表面為水平面，凹階梯體的左側面和右側面均為垂直面。上述凹階梯體的階梯延伸方向與基片層的長度方向一致，且凹階梯體的長度等于基片層的長度。凹階梯體的寬度等于基片層的寬度。凹階梯體置于在正階梯體的下方，且凹階梯體與正階梯體之間存在一定的間隙。
[0011]間斷凹槽層間斷式地覆在凹階梯體的上表面上，即僅在階梯形凹槽的每級凹槽的表面覆有間斷凹槽層。
[0012]填充層填充在間斷凹槽層與正階梯體之間的間隙處，以及填充在間斷凹槽層與基片層之間的間隙處。
[0013]上述方案中，所述正階梯體可以設置在基片層的下方的中部。即正階梯體的左側面與基片層的左側面在水平方向上存在一定的距離，正階梯體的右側面與基片層的右側面在水平方向上也存在一定的距離。此時，凹階梯體的階梯形凹槽的每級凹槽均呈凹字形。
[0014]上述方案中，所述正階梯體設置在基片層的下方的正中部，即正階梯體的寬度中心線與基片層的寬度中心線垂直相對，即這2條寬度中心線處于同一垂直平面上。
[0015]上述方案中，所述正階梯體的寬度最好等于基片層的寬度的1/3。
[0016]上述方案中，所述正階梯體也可以設置在基片層的下方的一側。即正階梯體的左側面與基片層的左側面在水平方向上存在一定的距離，正階梯體的右側面與基片層的右側面水平相對。或者階梯層的左側面與基片層的左側面水平相對，正階梯體的右側面與基片層的右側面在水平方向上存在一定的距離。此時，凹階梯體的階梯形凹槽的每級凹槽均呈L形。
[0017]上述方案中，所述連續涂層和間斷凹槽層最好均為硅。
[0018]上述方案中，所述基片層、正階梯體、填充層和凹階梯體均為氧化鋁。
[0019]上述方案中，所述正階梯體的臺階級數和凹槽的級數最好設為5級。
[0020]與現有技術相比，本實用新型利用了石墨烯所具有的電壓可調特性來構建一個波導路徑選擇器，這樣能夠通過不斷改變電壓從而控制SPP波在石墨烯上不同區域的導通與斷開，進而實現波導路徑選擇。此外，本實用新型還利用了石墨烯的電導率(σ =σ' -j σ ")的虛部σ "大于零時會表現出金屬性，且電磁波進入后不會產生較大衰減的特性，使得SPP波在波導路徑選擇器中傳播的距離相對較遠。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1為基于石墨烯的波導路徑選擇器的主視立體圖。
[0022]圖2為圖1的簡化左側圖(為視圖清晰，本圖僅畫出一個間斷凹槽層)。
[0023]圖3為圖1的俯視立體圖。
[0024]圖4為電導率虛部與電場強度的關系圖。
[0025]圖中標號:1、石墨烯層；2、基片層；3、正階梯體；4、填充層；5、凹階梯體；
6、連續涂層；7、間斷凹槽層。
【具體實施方式】
[0026]一種基于石墨烯的波導路徑選擇器，如圖1所示，包括選擇器本體，該選擇器整體呈一長方體，其主要由石墨烯材料制成的石墨烯層1，半導體材料制成的連續涂層6和間斷凹槽層7，以及非導電材料制成的基片層2、正階梯體3、填充層4和凹階梯體5組成。在本實用新型優選實施例中，所述連續涂層6和間斷凹槽層7均為硅。所述基片層2、正階梯體
3、填充層4和凹階梯體5為氧化鋁。
[0027]基片層2為長方體結構。石墨烯層I覆在該基片層2的上表面。正階梯體3為正階梯結構。即正階梯體3的上表面為水平面，正階梯體3的下表面為階梯面，正階梯體3的左側面和右側面均為垂直面。上述正階梯體3的階梯延伸方向與基片層2的長度方向一致，且正階梯體3的長度等于基片層2的長度。正階梯體3的寬度小于基片層2的寬度。正階梯體3設置在基片層2的下方，且正階梯體3的上表面與基片層2的下表面相貼。連續涂層6連續式地覆在正階梯體3的整個下表面上，即階梯面的每級臺階的表面和連接每兩級臺階的立面上均覆有連續涂層6，此時連續涂層6在階梯延伸方向上始終連續不斷。凹階梯體5為內陷階梯結構。即凹階梯體5的上表面為一個階梯形凹槽面，該階梯形凹槽面由多級凹槽所組成，每級凹槽對應于正階梯體3階梯面的一級臺階，且凹槽每級凹槽均呈凹字形或均呈L形，凹階梯體5的下表面為水平面，凹階梯體5的左側面和右側面均為垂直面。上述凹階梯體5的階梯延伸方向與基片層2的長度方向一致，且凹階梯體5的長度等于基片層2的長度。凹階梯體5的寬度等于基片層2的寬度。凹階梯體5置于在正階梯體3的下方。且凹階梯體5與正階梯體3之間存在一定的間隙。間斷凹槽層7間斷式地覆在凹階梯體5的上表面上，即僅在階梯形凹槽的每級凹槽的表面覆有間斷凹槽層7，而連接每兩級凹槽的立面上則無需覆間斷凹槽層7，此時間斷凹槽層7在階梯延伸方向上呈間斷分布，并互不連接。填充層4填充在間斷凹槽層7與正階梯體3之間的間隙處，以及填充在間斷凹槽層7與基片層2之間的間隙處。
[0028]正階梯體3的臺階級數和凹槽的級數決定了路徑選擇的路數，因此可以根據設計所需的路徑旋轉數來設置正階梯體3的臺階級數和凹槽的級數。在本實用新型有限實施例中，正階梯體3的臺階級數和凹槽的級數設為5級。
[0029]所述正階梯體3在基片層2下方的橫向方向的設置方式可以采用如下兩種:
[0030]第一種設置方式是讓正階梯體3設置在基片層2的下方的一側。即正階梯體3的左側面與基片層2的左側面在水平方向上存在一定的距離，正階梯體3的右側面與基片層2的右側面水平相對。或者階梯層的左側面與基片層2的左側面水平相對，正階梯體3的右側面與基片層2的右側面在水平方向上存在一定的距離。此時，凹階梯體5的階梯形凹槽的每級凹槽均呈L形。
[0031]第二種設置方式是讓正階梯體3設置在基片層2的下方的中部。即正階梯體3的左側面與基片層2的左側面在水平方向上存在一定的距離，正階梯體3的右側面與基片層2的右側面在水平方向上也存在一定的距離。此時，凹階梯體5的階梯形凹槽的每級凹槽均呈凹字形。當然正階梯體3設置在基片層2的下方的近似中部，即正階梯體3的寬度中心線與基片層2的寬度中心線相偏離；但在本實用新型優選實施例中，所述正階梯體3設置在基片層2的下方的正中部，即正階梯體3的寬度中心線與基片層2的寬度中心線垂直相對，即這2條寬度中心線處于同一垂直平面上。
[0032]本實用新型對于正階梯體3的寬度并沒有嚴格的要求，而只需要保證正階梯體3的寬度小于基片層2的寬度即可，其正階梯體3的寬度可以恰好等于基片層2的寬度的1/2、1/3或其他任意比例值。而當正階梯體3采用第一種方式設置在基片層2下方(即讓正階梯體3設置在基片層2的下方的一側)時，則可以讓正階梯體3的寬度恰好等于基片層2的寬度的1/2 ;而當正階梯體3采用第二種方式設置在基片層2下方(即讓正階梯體3設置在基片層2的下方的正中部)時，則可以讓正階梯體3的寬度恰好等于基片層2的寬度的1/3。
[0033]在本實用新型中，每級凹槽所對應的每級階梯平面(即臺階表面)均處于該凹槽的槽溝中，凹槽與階梯面都與上表面間加了電壓，但凹階梯體5與正階梯體3之間的間隙并沒有嚴格的限制。對于凹階梯體5與正階梯體3的距離，即每級凹槽的槽溝與每級臺階的表面之間的垂直距離h可以任意選定。如第一級凹槽的槽溝與第一級臺階的表面之間的垂直距離h與第二級凹槽的槽溝與第二級臺階的表面之間的垂直距離h可以相等也可以不相等。但在本實用新型優選實施例中，所有凹槽的槽溝與其所對應的臺階的表面之間的垂直距離h均相等。此外，對于凹階梯體5與基片之間的距離，即每級凹槽的一側上表面與基片呈底面之間的垂直距離hi和每級凹槽的另一側上表面與基片呈底面之間的垂直距離h2可以相等也可以不相等。當hi = h2時，SPP波可以向該凹槽的兩邊同時傳導。當hi古h2時，SPP波將向該凹槽的hi和h2中較小的一邊傳導。如圖3。但在在本實用新型優選實施例中，為了保證波導的單向傳輸，所述每級凹槽的一側上表面與基片呈底面之間的垂直距離hi和每級凹槽的另一側上表面與基片呈底面之間的垂直距離h2不相等，即hi < h2，如圖2。
[0034]對于正階梯體3的每級臺階的臺階寬度來說，本實用新型并不要求每級臺階的臺階寬度均一致，但在本實用新型優選實施例中，每級臺階的臺階寬度均一致，即每級臺階的面積均相同。對于凹階梯體5的每級凹槽的槽溝寬度來說，本實用新型并不要求每級凹槽的槽溝寬度均一致，但在本實用新型優選實施例中，每級凹槽的槽溝寬度均一致，即每級凹槽的槽溝的面積均相同。參見圖3，將基片上表面劃分多塊虛擬區域即，正階梯體3的每級臺階的a-e面均正對著圖3所劃分的Y1-Y5區域，且各臺階面積與其所對應的區域面積相等，即a的面積等于I的面積，且a正對1，其他的面以此類推。a-e面的正對著凹槽的槽溝Xl至x5，但各凹槽間相互不連接，各凹槽的槽溝面大于與其所對應的階梯下表面區域面積，即Xl的面積大于a的面積，且Xl正對a，其他的面以此類推。
[0035]由于石墨烯的電導率虛部受化學勢μ。影響，而化學勢μ。又受到電場強度控制，兩電容極板之間的電場強度又與兩極板上加的電壓相關，所以石墨烯的電導率虛部就與外加電壓有關，當改變外加電壓使其電導率的虛部(σ ")小于零時，石墨烯就表現為非金屬性，SPP波就不能在其上面傳輸；當調節電壓使其上面的電導率虛部(σ ")大于零，即等效介電常數實部(ε ')小于零的時候，石墨烯就表現為金屬性，SPP波就可以在上面傳輸。此時就可以根據石墨烯這樣的特性，在不同時刻調節石墨烯不同區域的電壓來影響其電導率的正負，進而就可以對其表面傳播的SPP波路徑進行選擇。
[0036]參見圖2，將一偏置電壓U1的負極加在石墨烯層I上，正極加在間斷凹槽層7上；將另一偏置電壓U2的負極加在石墨烯層I上，正極加在正階梯體3的連續涂層6上。改變偏置電壓使SPP波從Π往Υ5區域方向傳輸,但同時也要求可以使波傳輸到I到5的任意一個區域后，其后面的區域就會截止，波不能再繼續傳輸。接下來就是波導路徑的選擇，Υ6至YlO區域是五個不同的波導路徑，所設計的裝置可以使波從Υ6至YlO區域中任意的一個路徑傳輸，而不會同時從其他的路徑傳輸，而傳輸路徑的改變僅僅通過調節其區域的電壓值實現，這就實現了波導路徑的選擇。
[0037]為了實現SPP波從Yl往Υ5方向傳輸,但同時也要求可以使波傳輸到Yl到Υ5的任意一個區域后，其后面的區域就會截止，波不能再往后邊的區域傳輸這一性能，在Yl至Υ5中間的那部分區域，對應的氧化鋁基片層2下面設計一個正階梯體3，正階梯體3的下表面涂覆硅涂層即連續涂層6，從左邊看過去的圖形，如圖3所示。上表面石墨烯的中間YI到Y5區域，下面都一一對應著一個階梯層，且每一個階梯平面與對應的Yl到Y5區域面積相等。由于氧化鋁基底上表面的石墨烯的導電性比較好，氧化鋁不導電，其下面的硅為半導體，可以導電。這里在石墨烯上接負極，階梯硅接上正極，則硅階梯與石墨烯(區域Yl到Y5)之間就會形成靜電場，階梯面從a到e，依次下降，故階梯面與上表面的距離依次增大，由于各階梯面與上表面間所加的電壓是相同的，所以階梯面由a到e與上表面間的電場強度也就依次減小，圖4中的縱坐標表示電導率的虛部，橫坐標E為電場強度，由圖看出石墨烯電導率的虛部與電場強度間的關系近似成正比關系，這樣就可以做到調節在階梯面上所加的電壓使石墨烯平面上第η區域及η之前區域的電導率虛部大于零，而其后面的電導率虛部由于場強減小而小于零，呈非金屬性，不能導通SPP波。
[0038]為了實現從Υ6至YlO的5個不同的傳輸路徑中選擇從所需的傳輸路徑中傳輸，則a至e的每個區域下面都加有一個凹槽，由于凹槽間不相互連接，因此在所想要傳輸路徑處的凹槽與上表面石墨烯間加上電壓，又由于hi <h2，所以同樣也可以調節電壓使圖3中所要傳輸路徑處凹槽一側上方的石墨烯區域電導率虛部恰好大于零，而另一側的電導率還小于零，這樣SPP波就向設計的一側傳輸,而不會向兩側同時傳輸。當需要改變傳輸路徑時，僅需斷開上一個傳輸路徑處的電壓，轉到下一個所要傳輸的路徑上加適當的電壓即可，以此很好地切換波的傳輸路徑，從而實現良好性能的壓控波導路徑選擇器。
【權利要求】
1.基于石墨烯的波導路徑選擇器，包括選擇器本體，其特征在于:該選擇器整體呈一長方體，且該選擇器主要由石墨烯材料制成的石墨烯層(I)，半導體材料制成的連續涂層(6)和間斷凹槽層(7)，以及非導電材料制成的基片層(2)、正階梯體(3)、填充層(4)和凹階梯體(5)組成； 基片層(2)為長方體結構；石墨烯層(I)覆在該基片層(2)的上表面； 正階梯體(3)為正階梯結構；即正階梯體(3)的上表面為水平面，正階梯體(3)的下表面為階梯面，正階梯體(3)的左側面和右側面均為垂直面；上述正階梯體(3)的階梯延伸方向與基片層(2)的長度方向一致，且正階梯體(3)的長度等于基片層(2)的長度；正階梯體(3)的寬度小于基片層(2)的寬度；正階梯體(3)設置在基片層(2)的下方，且正階梯體(3)的上表面與基片層(2)的下表面相貼； 連續涂層(6)連續式地覆在正階梯體(3)的整個下表面上，即階梯面的每級臺階的表面和連接每兩級臺階的立面上均覆有連續涂層(6)； 凹階梯體(5)為內陷階梯結構；即凹階梯體(5)的上表面為一個階梯形凹槽面，該階梯形凹槽面由多級凹槽所組成，每級凹槽對應于正階梯體(3)階梯面的一級臺階，且凹槽每級凹槽均呈凹字形或均呈L形，凹階梯體(5)的下表面為水平面，凹階梯體(5)的左側面和右側面均為垂直面；上述凹階梯體(5)的階梯延伸方向與基片層(2)的長度方向一致，且凹階梯體(5)的長度等于基片層(2)的長度；凹階梯體(5)的寬度等于基片層(2)的寬度；凹階梯體(5)置于在正階梯體(3)的下方，且凹階梯體(5)與正階梯體(3)之間存在一定的間隙； 間斷凹槽層(7)間斷式地覆在凹階梯體(5)的上表面上，即僅在階梯形凹槽的每級凹槽的表面覆有間斷凹槽層(7)； 填充層(4)填充在間斷凹槽層(7)與正階梯體(3)之間的間隙處，以及填充在間斷凹槽層(7)與基片層(2)之間的間隙處。
2.根據權利要求1所述的基于石墨烯的波導路徑選擇器，其特征在于:所述正階梯體(3)設置在基片層(2)的下方的中部；即正階梯體(3)的左側面與基片層(2)的左側面在水平方向上存在一定的距離，正階梯體(3)的右側面與基片層(2)的右側面在水平方向上也存在一定的距離；此時，凹階梯體(5)的階梯形凹槽的每級凹槽均呈凹字形。
3.根據權利要求2所述的基于石墨烯的波導路徑選擇器，其特征在于:所述正階梯體(3)設置在基片層(2)的下方的正中部，即正階梯體(3)的寬度中心線與基片層(2)的寬度中心線垂直相對，即這2條寬度中心線處于同一垂直平面上。
4.根據權利要求3所述的基于石墨烯的波導路徑選擇器，其特征在于:所述正階梯體(3)的寬度等于基片層(2)的寬度的1/3。
5.根據權利要求1所述的基于石墨烯的波導路徑選擇器，其特征在于:所述正階梯體(3)設置在基片層(2)的下方的一側；即正階梯體(3)的左側面與基片層(2)的左側面在水平方向上存在一定的距離，正階梯體(3)的右側面與基片層(2)的右側面水平相對；或者階梯層的左側面與基片層(2)的左側面水平相對，正階梯體(3)的右側面與基片層(2)的右側面在水平方向上存在一定的距離；此時，凹階梯體(5)的階梯形凹槽的每級凹槽均呈L形。
6.根據權利要求1所述的基于石墨烯的波導路徑選擇器，其特征在于:所述連續涂層(6)和間斷凹槽層(7)為硅。
7.根據權利要求1所述的基于石墨烯的波導路徑選擇器，其特征在于:所述基片層(2)、正階梯體(3)、填充層(4)和凹階梯體(5)為氧化鋁。
8.根據權利要求1所述的基于石墨烯的波導路徑選擇器，其特征在于:所述正階梯體(3)的臺階級數和凹槽的級數設為5級。
【文檔編號】H01P3/00GK204011624SQ201420406655
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年7月22日 優先權日:2014年7月22日
【發明者】姜彥南, 王揚, 袁銳, 曹衛平, 王嬌 申請人:桂林電子科技大學