[发明专利]一种基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件及其制备方法

说明书

基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件及其制备方法，它涉及微电子技术和太赫兹超材料功能器件领域。它要解决现有太赫兹环偶极子超材料存在结构和制备工艺复杂、调控方法复杂、功能单一和应用范围窄的问题。器件：包括带有二氧化硅层的低掺杂高阻硅衬底，周期性排列的单元结构，以及与周期性排列的单元结构并列且总厚度相同的第一金属栅电极和第二金属栅电极。方法：硅片预处理；制备图形化石墨烯；制备图形化金属；制备电极；制备聚酰亚胺层；制备图形化石墨烯和图形化金属。本发明器件结构及工艺简单，应用条件简便、所需能量低，易于控制，工作模式可自由切换。本发明应用于微电子技术和太赫兹超材料功能器件领域。

技术领域

本发明涉及微电子技术和太赫兹超材料功能器件领域。

背景技术

太赫兹波是指频率在0.1-10THz的电磁波谱，处于电子学与光子学的交叉领域，是人类最后一个尚未完全开发的电磁波段，但由于其具有独特的性质，如高透射性、宽带性、低能量等，使太赫兹波在大容量通讯、安全检查、生物成像等领域具有重要的研究意义和潜在的应用价值。因此，这些区别于其他波段的特殊性质和价值足以吸引人类对太赫兹波进行更深层次地探索和开发。

在经典电动力学中，为了方便研究空间局部范围的电荷-电流分布体系激发的远场而引入电多极子和磁多极子这两大多极子系统。这两大系统是研究中最普遍的探测系统，但事实上自然界还存在区别于电多极子系统和磁多极子系统的第三类电磁系统-环形多极子系统，其中环偶极子是环形多极子系统中应用最广泛的电磁激励。环偶极子的概念是Zel’dovich于1957年的核物理研究中提出，其电磁响应与传统的偶极子电磁响应特性不同，它不遵守宇称守恒定律而具有非辐射特性；环偶极子是由电场卷积作用产生，在没有电磁场时产生振荡矢量势和传播向量势；另外，环偶极子可产生哈罗诺夫-玻姆效应且违反了空间倒置和时间逆转的对称性，具有光学特性和各向异性也具有很强的模式转化特性和旋光特性等特性。但由于环偶极子对入射波响应很弱，导致在大多数情况下其电磁响应非常微弱，通常被响应较强的电偶极子或磁偶极子掩盖。因此很长一段时间内人类也忽视了对环偶极子的研究。直到超材料的出现，环偶极子的研究才受到人们广泛的关注。超材料是一种人工设计的周期性排列结构单元，通过合理地设计结构单元的几何形状、大小及排列方式，可实现自然材料不具备的超常电磁特性。然而，早期研究已经实现了在太赫兹波段产生环偶极子响应的三维立体超材料结构设计，却因制备工艺流程繁琐和制造成本高昂很能难实现大规模批量制作，严重阻碍了环偶极子的实际应用。

目前，经过研究者们不断探索和研究，通过在超材料中集成活性材料，已经开发出可实现三种偶极子模式互相转换的平面太赫兹超材料。例如，对于超导体活性材料，通过改变活性材料的工作温度，可在不同温度环境下实现偶极子模式相互转换；对于半导体活性材料，利用泵浦光激励半导体产生光生载流子，通过改变半导体材料的电导率可实现偶极子模式之间的相互转换；或利用MEMS系统中的平面或非平面重构方法也可实现偶极子模式的转换。虽然上述方法都能够对太赫兹超材料工作模式进行转换，但这些方法都存在一定的局限性和不可控性：对于活性材料如超导需要在超低温的条件下才能够实现，其苛刻的转换条件限制了实际应用；对于半导体光泵浦外部激励方式，不但无法准确控制激励光的功率和半导体内载流子浓度，而且需在超材料外部加装泵浦光装置，对实际应用和精确调控有一定的限制；MEMS工艺由于工艺复杂流程、制备成本高且可靠性低，对未来大规模生产具有限制性和不适用性。因此寻找一种结构简单，制备工艺流程简便、调控效果好的材料以及调控方式简单灵活正是本发明需要解决的问题。

发明内容

本发明目的是为了解决现有太赫兹环偶极子超材料存在结构和制备工艺复杂、调控方法复杂、功能单一和应用范围窄的问题，而提供一种基于选择性静电掺杂石墨烯的可动态调控太赫兹环偶极子超材料器件及其制备方法。