基于石墨烯的电控太赫兹衰减片、制备方法及使用方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯的电控太赫兹衰减片、制备方法及使用方法，该衰减片包括基底，基底上逐层铺设有至少两层石墨烯层，每两层相邻的石墨烯层之间铺有一层介质层，所述介质层将该两层石墨烯层分隔开。本发明专利技术为多层结构，可通过石墨烯的不同层数改变器件衰减度的调控范围，理论上实现了极高的衰减程度。通过电压对衰减片的衰减度进行调控，可控制衰减度参数，使得衰减片产品的应用精确度更高，更加灵活。

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯的电控太赫兹衰减片、制备方法及使用方法
本专利技术属于太赫兹波段器件
，具体是一种基于石墨烯的电控太赫兹衰减片、制备方法及调节方法。
技术介绍
衰减片能够利用物质对光波的吸收特性，将其放在光路中可将光强衰减从而达到控制输入光强的作用。光通过衰减片后的能力与衰减片的材料种类有关，也与材料的厚度等参数有关。目前，光学波段的衰减片主要是利用厚度线性渐变的金属膜层，从而达到机械可调，而电调的衰减片比较少见。另一方面，当一束光不是单色光而是含有不同波长的多色光时，通常我们希望光通过这种衰减片后，不同波长均按同一比例衰减，也就是要达到宽波段工作的效果。近几年，太赫兹技术在宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文、无损检测、医学成像、安全检查等领域展现出广阔的应用前景。从其定义上讲，太赫兹(Terahertz，简称THz)是电磁波的一个频率单位，1太赫兹等于1012赫兹。通常我们把0.3THz～10THz(0.03mm到1mm)的电磁波成为太赫兹波。太赫兹波有较高的空间分辨率(高频率)和时间分辨率(皮秒脉冲)，能量较小不会破坏物质，而且一些生物大分子的振动、转动共振能级正好在太赫兹波段，这些特性奠定了太赫兹作为未来光谱和成像应用的基础。80年代之前，受到太赫兹波产生源和探测器的限制，涉及这一波段的研究和应用非常少。随着新技术(超快技术)、新材料的发展，太赫兹技术得到迅速发展。目前，太赫兹技术的研究以及应用开发正成为光学领域研究的热点。然而，高性能的新型太赫兹器件(例如发射源，探测器，调制器，分束器，色散光学元件，衰减片等)仍然亟待设计，以提高太赫兹技术的应用效率。目前，衰减片作为光学波段非常重要的器件，其主要功能是对强光束进行必要的、特定比例的控制。然而在太赫兹
，一个难题是高强度的太赫兹波源的获得，这使得太赫兹衰减片在目前尚未获得较多应用与足够的重视。但是，随着近几年太赫兹技术的迅速发展，特别是太赫兹激光器的发展，太赫兹衰减片元件会有更广泛的需求。制作高性能可调谐太赫兹衰减片的材料需要满足以下一些条件：第一，材料的电导率必须对太赫兹波灵敏响应，这样，通过改变器件参数(例如厚度，层数)我们才能获得不同的衰减程度。特别是对于高衰减度的要求，只有材料的太赫兹电导率足够大，才能在保证衰减片的厚度很薄的情况下实现。第二，必须在宽的太赫兹波段范围内有较一致的电导率。这是因为很多太赫兹波段的应用中，太赫兹信号是宽波段的，例如太赫兹时域光谱系统，这就要求太赫兹衰减片最好能够工作在更宽的太赫兹波段。第三，制作衰减片的材料应当具备可调的电导率。因为这时衰减元件的衰减度将可调控，将扩大一个器件的应用范围以及效率。特别是通过电控的衰减片，将有利于与现行的太赫兹系统更好的结合起来。第四，这个材料必须热学、化学性质稳定，不随温度变化，难以被多种化学物质腐蚀(如常用化学试剂等)是保证防反射膜长期免维护的条件；最后，力学性质良好，在保证强度的同时能够有柔韧性。目前，现有的传统金属以及氧化物半导体材料等，尚不足以完全实现上述要求。作为一种新兴的二维碳纳米材料，石墨烯具有良好的力学强度与柔韧性、高的导热系数、稳定的化学性质，以及优异、独特的光电性能。在光电性质方面，由于石墨烯独特的线性狄拉克锥形色散关系，其具备高的载流子迁移率，独特的双极电场效应。双极电场效应是指石墨烯中的载流子浓度和费米能级可以在栅极电压的作用下发生改变，从而改变石墨烯的太赫兹波段的电导率。在太赫兹波段，石墨烯的电导率服从德鲁德(Drude)模型。研究表明在太赫兹频段，石墨烯的光电导色散性很小，几乎不随频率的变化而变化。因此就光电特性而言，石墨烯具有宽波段稳定、栅压可调的太赫兹电导率。以上介绍了衰减片的原理及应用现状，太赫兹波的元件应用现状，太赫兹衰减片对材料的要求，以及石墨烯的特性。可以看出，目前有效的太赫兹波段衰减片还很欠缺，已有的方法和材料不同程度的面临了工作频段窄、稳定性差、不可调谐等缺陷。而石墨烯材料具备良好的力、热、光电特性，特别是具备宽波段与可调谐的潜质，因此可用于太赫兹波段可调谐的衰减片的制备。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本专利技术的一个目的在于，提供一种基于石墨烯的电控太赫兹衰减片。所述基于石墨烯的电控太赫兹衰减片包括基底，基底上逐层铺设有至少两层石墨烯层，每两层相邻的石墨烯层之间铺有一层介质层，所述介质层将该两层石墨烯层分隔开。进一步的，根据不同使用情况，所述石墨烯层与基底的位置关系：(1)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的正面；(2)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的反面；(3)对于反射太赫兹波，石墨烯层位于基底的正面；规定光入射方向首先到达的面为基底的正面。进一步的，所述石墨烯层为2～6层。进一步的，所述衰减片的消光度的计算公式如下：X=1-|t·tsa·hsub(ω,dsub)hair(ω,dsub)·11-r·rsahsub2(ω,dsub)|2;]]>式中，介质与空气界面的透射系数tsa＝2nsub/(nsub+nair)，介质与空气界面的反射系数rsa＝(nsub-nair)/(nsub+nair)，hsub(ω,dsub)＝exp(-iωdsubnsub/c)为折射率为nsub、厚度为dsub的基底中的太赫兹波传输因子，hair(ω,dsub)＝exp(-iωdsubnair/c)为折射率为nair、厚度为dsub的空气中的太赫兹波传输因子；ω是角频率，c是光速；t和r分别是衰减片的透射、反射系数，分别由以下式子确定：t＝4n1n3/{[(Y1+Y2)n3+(Y1-Y2)(n2+Z0σ)](n1+n3+Z0σ)exp(ik3d)-[(Y3+Y4)n3+(Y3-Y4)(n2+Z0σ)](n3-n1-Z0σ)exp(-ik3d)}；Y1Y2Y3Y4=(1+Z0σ2n3)exp(ik3d)Z0σ2n3exp(-ik3d)-Z0σ2n3exp(ik3d)(1-Z0σ2n3)exp(-ik3d)N-2;]]>r＝1-t；式中，i代表虚部符号，N≥2是衰减片中石墨烯层的层数；n1和n2分别是N层石墨烯两边的介质折射率；Z0是真空阻抗，n3和d是石墨烯之间间隔介质层的折射率和厚度，k3＝ωn3/c是其中的波矢；σ是每个单层石墨烯的太赫兹薄层电导，由下式计算得到：|Nc|＝7.5×1010·|Vg-VCNP|cm-2V-1；式中，ω是角频率，vF是石墨烯中载流子的费米速度；e和分别是元电荷、普朗克常数；Γ和Nc分别是石墨烯中的载流子散射率和载流子浓度；Vg是实际加的电压，VCNP是指达到石墨烯样品电中性点的电压，Vg-VCNP为所加栅压。进一步的，所述石墨烯层数根据所需要的衰减片消光度的可调范围进行确定：2层石墨烯衰减片的消光度在0.14～0.65范围连续可调，3层石墨烯衰减片的消光度在0.19～0.76范围连续可调，4层石墨烯衰减片的消光度在0.25～0.82范围连续可调，5层石墨烯衰减片的消光度在0.30～0.86范围连续可调，6层石墨烯衰减片的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯的电控太赫兹衰减片，其特征在于，包括基底，基底上逐层铺设有至少两层石墨烯层，每两层相邻的石墨烯层之间铺有一层介质层，所述介质层将该两层石墨烯层分隔开。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的电控太赫兹衰减片，其特征在于，包括基底，基底上逐层铺设有至少两层石墨烯层，每两层相邻的石墨烯层之间铺有一层介质层，所述介质层将该两层石墨烯层分隔开；位于每两个相邻的石墨烯层之间的介质层、偶数层石墨烯层上共同相连的一个电极以及奇数层的石墨烯共同相连的一个电极，两个电极上加载电压；所述衰减片的消光度的计算公式如下：式中，介质与空气界面的透射系数tsa＝2nsub/(nsub+nair)，介质与空气界面的反射系数rsa＝(nsub-nair)/(nsub+nair)，hsub(ω,dsub)＝exp(-iωdsubnsub/c)为折射率为nsub、厚度为dsub的基底中的太赫兹波传输因子，hair(ω,dsub)＝exp(-iωdsubnair/c)为折射率为nair、厚度为dsub的空气中的太赫兹波传输因子；ω是角频率，c是光速；t和r分别是衰减片的透射、反射系数，分别由以下式子确定：t＝4n1n3/{[(Y1+Y2)n3+(Y1-Y2)(n2+Z0σ)](n1+n3+Z0σ)exp(ik3d)-[(Y3+Y4)n3+(Y3-Y4)(n2+Z0σ)](n3-n1-Z0σ)exp(-ik3d)}；r＝1-t；式中，i代表虚部符号，N≥2是衰减片中石墨烯层的层数；n1和n2分别是N层石墨烯两边的介质折射率；Z0是真空阻抗，n3和d是石墨烯之间间隔介质层的折射率和厚度，k3＝ωn3/c是其中的波矢；σ是每个单层石墨烯的太赫兹薄层电导，由下式计算得到：|Nc|＝7.5×1010·|Vg-VCNP|cm-2V-1；式中，ω是角频率，vF是石墨烯中载流子的费米速度；e和h分别是元电荷、普朗克常数；Γ和Nc分别是石墨烯中的载流子散射率和载流子浓度；Vg是实际加的电压，VCNP是指达到石墨烯样品电中性点的电压，Vg-VCNP为所加栅压...

【专利技术属性】
技术研发人员：任兆玉，周译玄，徐新龙，白晋涛，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61