[发明专利]基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器及制备方法

说明书

一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器及制备方法，属于太赫兹波应用技术领域。所述太赫兹波调制器自下而上依次为柔性基底、铋纳米柱、石墨烯薄膜，位于铋纳米柱之上的石墨烯薄膜因为铋纳米柱的结构作用发生褶皱，从而打开石墨烯能带，通过铋纳米柱与石墨烯两者的共同作用，在红外光激励下实现了对太赫兹波的光学调制。本发明太赫兹波调制器中，采用“PDMS/铋纳米柱/石墨烯薄膜”结构，与现有硅基器件相比，其太赫兹波透射率可达90％(硅基器件太赫兹波透射率约为60％左右)；该结构可打开石墨烯能带，大幅提高光吸收系数；通过铋纳米柱和打开能带的石墨烯共同作用，可在太赫兹波透射率较高的情况下达到20％左右的调制深度。

技术领域

本发明属于太赫兹波应用技术领域，具体涉及一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器及制备方法。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz区间范围内的电磁波，介于毫米波与红外光之间频谱范围的电磁波谱，其波长范围跨越高达10个数量级。如今，面对低频谱资源逐渐枯竭和无线通信对宽带需求激增矛盾的日益加剧，太赫兹波通信技术因可提供宽带频谱而成为研究热点，研究发现太赫兹波是现有无线通信频段资源日趋稀缺后的热门频段，以太赫兹波为通信载体的新一代通信系统正以其传输速率高、带宽大、抗干扰性强等优点而备受国内外相关研究单位关注，在生物医学、安检、物质探测及无线宽带通信等领域都拥有十分重要的研究价值和应用前景。其中，作为太赫兹波通信关键功能器件之一的太赫兹波信号调制器成为研究热点。

基于石墨烯的太赫兹波调制器受到了极大的关注，石墨烯是一种由碳的同素异形体构成的二维单原子层薄膜材料，具有独特的能带结构、良好的电学性能、光学性能、机械性能及热稳定性。研究报道的石墨烯电学输运特性，发现其载流子浓度为2×10¹¹cm^-2，迁移率超过200,000cm^-2/V·s。传统石墨烯一般用作场效应管调制器，多以氧化物作为介质层，由于工艺原因会造成薄膜表面不平整、多缺陷、多针孔，导致晶体管漏电流大，耐击穿电压比较小，调制速度与调制深度一般，并且以硅基作为衬底的石墨烯晶体管插入损耗较大，工作电压高；此外，基于硅衬底的石墨烯场效应管太赫兹波调制器无法弯曲，无法应用于非平面的表面。因此，损耗小、具有良好可弯曲性、工作电压低并且可以使用光调控的太赫兹波调制器有望发展为一个重要的方向，使其可应用在非平面场景，以及实现可穿戴功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种结构简单、损耗较小、具有良好弯曲性、可实现空间光调控和电调控的太赫兹波调制器。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器，其特征在于，所述太赫兹波调制器自下而上依次为柔性基底、铋纳米柱、石墨烯薄膜，位于铋纳米柱之上的石墨烯薄膜因为铋纳米柱的结构作用发生褶皱，从而打开石墨烯能带，通过铋纳米柱与石墨烯两者的共同作用，在红外光激励下实现了对太赫兹波的光学调制。

进一步地，所述基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器中，在石墨烯薄膜上还可形成电极层，电压可精确控制石墨烯薄膜的载流子浓度，进而通过电压变化实现太赫兹波的电学调制。

进一步地，所述基于柔性铋纳米柱/石墨烯的太赫兹波调制器中，在石墨烯薄膜上还可形成电极层，在柔性基底背面形成环形栅电极，构成场效应器件，通过栅压变化来实现太赫兹波的电学调制。

进一步地，所述柔性基底选取对太赫兹波损耗较低的材料，具体为PDMS、PVA、PET、PEN等，所述柔性基底的厚度为0.1～1mm。

进一步地，所述铋纳米柱的高度为50～200nm，铋纳米柱直径为200～500nm。

进一步地，所述铋纳米柱采用常规磁控溅射法制备得到，铋靶纯度为99.999％。