[发明专利]一种频率电可调的弹性波拓扑绝缘体及功能组件

说明书

本发明提供一种频率电可调的弹性波拓扑绝缘体及功能组件，该弹性波拓扑绝缘体包括基板以及二维材料层，二维材料层平铺在所述基板上，所述基板的表面设置有蜂窝晶格图案，所述二维材料层包括与所述基板接触的第一区域以及悬浮的第二区域，所述第二区域与所述基板间声阻抗失配，所述二维材料层构建为一个声子晶体结构。本发明能实现弹性波拓扑绝缘体的频率电可调。

技术领域

本发明涉及原子薄膜领域，尤其涉及一种频率电可调的弹性拓扑绝缘体及功能组件。

背景技术

人们在实际器件应用方面一直追求在空间域和频域中精确控制弹性波。与流体中的声波相比较(例如空气声)，弹性波在更高频率下具有极低的传输损耗，更易集成到固态微米/纳米尺度系统。与电磁波相比，在相同工作频率下，使用弹性波的器件面积比电磁波的小5个数量级。这些主要优势使得声表面波(SAWs)或者体声波(BAWs)的器件，广泛应用于现代信号处理和传感器中。在过去的十年，拓扑绝缘体(TI)从电子学迅速扩展到经典波系统，主要由于其边界的光子/声子带有“自旋-动量锁定”特征，带来了具有革命性的传输通道。

至今，在宏观和微观系统中都已经实现了弹性拓扑绝缘体，如在穿孔板、类乐高积木板和悬浮的纳米薄膜等这些弹性系统中展示了一些前所未有的功能元组件。一阶弹性拓扑绝缘体提供了一种非常理想的一维弹性波导技术，(1)即使这些波导任意转动，或者内部有缺陷，传输的能量也不会被丢失。(2)这种波导支持宽带工作频率而且没有任何色散。二阶弹性拓扑绝缘体提供一种空间上零维而且频率零散的态，这样就可以有目的地使弹性波定位在特定的频率和位置，例如可以定位在拓扑边界的拐角或交叉点处。这些理想的一维波导和0维局域技术很大程度上丰富了人们控制弹性波的手段，也随之产生了一些功能元器件，例如弹性拓扑谐振器，滤波器，多路复用器等。在实现弹性拓扑绝缘体之后，一个明确的、面向设备应用的研究方向是将它们的微型化和实现频率的电调谐性，这也是高级信号处理器，传感器和SAW和BAW工业所迫切需要的。最近，研究人员演示了一些可调的，可重构的弹性拓扑绝缘体，例如Darabi等人通过在压电片组成的结构阵列中利用连接可编程的电容开关，在实验上实现了可重构的电声拓扑绝缘体；Zhou等人提出了一种在具有可变电边界的压电杆系统中实现可调弹性拓扑界面。但是这些元器件需要复杂的外部电路，而且仍然局限于宏观尺度。芯片级电可调弹性TI的解决方案仍然缺乏。

发明内容

本发明旨在提供一种弹性波拓扑绝缘体以及功能组件，以实现弹性波拓扑绝缘体的频率电可调。

根据本发明的第一方面，一种弹性波拓扑绝缘体，包括：基板以及二维材料层，二维材料层平铺在所述基板上，所述基板的表面设置有蜂窝晶格图案，所述二维材料层包括与所述基板接触的第一区域以及悬浮的第二区域，所述第二区域与所述基板间声阻抗失配，所述二维材料层构建为一个声子晶体结构。

进一步地，所述蜂窝晶格图案为六边形单胞组成的阵列，每个单胞包含依次交叉的六个圆孔，每个单胞中六个圆孔的中心与六个圆孔所在单胞的中心之间的距离相等。

进一步地，所述蜂窝晶格图案为拓扑平庸晶格或者拓扑非平庸晶格。

进一步地，所述基板由以下材料中的一种制成：SU-8聚合物、二氧化硅、以及压电GaAs。

进一步地，所述二维材料层由石墨烯制成。

根据本发明的第二方面，一种功能组件，包括所述的弹性波拓扑绝缘体。

进一步地，所述功能组件为分束器。

进一步地，所述功能组件为谐振器。

进一步地，所述功能组件为滤波器。

进一步地，所述功能组件为多路复用器。