[发明专利]一种基于石墨烯的太赫兹增强电磁诱导透明器件

说明书

一种基于石墨烯的太赫兹增强电磁诱导透明器件，属于电磁功能器件技术领域。所述器件包括半导体材料衬底，位于衬底上的M×N个双环金属结构，以及形成于衬底上、金属双环之间的石墨烯环；其中，所述石墨烯为n层石墨烯(n1)，通过外加飞秒激光控制石墨烯的电导率，实现器件的幅度变化。本发明基于石墨烯的太赫兹增强电磁诱导透明器件，利用金属双环之间的相消干涉作用产生电磁诱导透明现象，通过石墨烯电导率在激光下的退化使其透射率增强至81％；同时由于石墨烯超快的载流子弛豫特性，实现了14ps的超快开关时间。

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯的太赫兹增强电磁诱导透明器件，属于电磁功能器件技术领 域。

背景技术

太赫兹波指频率介于0.1THz～10THz范围内的电磁波，位于毫米波和红外之间。而其在 通信、成像、生命科学、空间技术、雷达技术等领域表现出了潜在的利用价值，具备极其重 要的发展地位。

由于独特的能带结构，石墨烯具有许多优异的光电性能，这些出色的特性及其在光电器 件上技术突破的潜力为研究这种二维材料提供了最初的动力。无质量狄拉克费米子的线性色 散表明，石墨烯可以在宽波长范围内以同样的效率吸收光子。尤其在太赫兹领域，这些特性， 与高载流子迁移率以及机械和热特性一起，使石墨烯成为光电应用的理想候选材料。同时由 于石墨烯在外加光或电激发下产生受激辐射以及太赫兹电导率退化的特点，其在太赫兹频段 内通过光电调控手段实现调控器件性能的提升得到了广泛的报道。但是，由于石墨烯自身的 单原子层厚度的限制，有限的石墨烯-光的相互作用成为限制器件性能提升的阻碍，因此，增 强石墨烯-光的相互作用成为一个重要的问题。

超表面对于电磁波具有良好的操纵特性，已经被广泛用在许多功能性应用的设计中，包 括超级聚焦，波束复型，调制，极化控制和非线性光学等等。其中基于超表面的电磁诱导透 明(EIT)避免了量子光学实现的苛刻实验要求，同时其带来的慢光现象和增强的非线性效应， 在光子器件、集成芯片缓冲器、高灵敏度传感器和吸收器等方面都显示出了巨大的应用潜力， 因此引起了研究者们浓厚的兴趣。EIT谐振主要是通过人工微结构相消干涉来实现，通常是 通过明模(可以直接被外部电场诱发)和暗模(通过明模来诱发)的耦合，或者明模与明模 的耦合来激发。通过调节不同模式之间的耦合强度，可以实现EIT的动态调控，而与二维材 料相结合的复合超表面是其中最有效的手段之一。除此之外，EIT谐振超表面的亚波长电容 间隙中存在着强烈的局域场，这些被严格束缚的场对于外界激励非常敏感，对于增强光-物质 相互作用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对背景技术存在的缺陷提出一种结构简单、能增强EIT透射幅度的 太赫兹动态调控器件。该调控器件将石墨烯与人工超表面进行结合，利用石墨烯的电导率变 化特性对幅度进行调制，同时该器件具有皮秒量级的超快调制能力。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于石墨烯的太赫兹增强电磁诱导透明器件，包括半导体材料衬底、位于衬底上的 多个由金属内环和金属外环构成的双环金属结构，以及形成于衬底上且介于金属内环与金属 外环之间的石墨烯环，所述金属内环不开口，金属外环沿直径方向开有两个相对于金属外环 中心对称的开口，且金属外环的线宽为金属内环线宽的1/3，所述石墨烯环采用n层石墨烯 (n1)，通过外加飞秒激光控制石墨烯的电导率，实现器件的幅度变化。

进一步地，所述金属外环、石墨烯环、金属内环同心，且每个金属外环分别与相邻的金 属外环相切。

进一步地，所述双环金属结构共有M×N个，其中M代表每排双环金属结构的个数，N代表每列双环金属结构的个数，M和N至少等于4。

进一步地，所述半导体材料衬底采用的半导体材料为碳化硅、蓝宝石、高阻硅或GaAs。

进一步地，所述金属外环和金属内环采用Au、Ag、Cu、Al或其他电导率相近的金属材 料制成。