一种双极化方向可调谐的太赫兹超材料传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种双极化方向可调谐的太赫兹超材料传感器，包括N

【技术实现步骤摘要】
一种双极化方向可调谐的太赫兹超材料传感器


[0001]本技术涉及太赫兹超材料传感器
，具体涉及一种双极化方向可调谐的太赫兹超材料传感器。

技术介绍

[0002]太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率在0.1～10THz范围内的电磁波，它处于宏观电子学向微观光子学过渡的波段，在生物分子、细胞和组织中具有指纹谱性、安全性及穿透性等独特的物理特性，具有良好的无损检测特性。因此，太赫兹光谱技术特别适合于对生物分子和细胞等的无损检测。
[0003]超材料(Metamaterial)是一种具有特殊性质且由亚波长单元构成的新型人造材料，其自身独特的物理特性深受研究者的关注，而由碳原子单层结构组成的石墨烯更是超材料研究中的热点。石墨烯具有超低的传输损耗和极高的载流子迁移率等近似完美的光电特性，在近几年中，人们渐渐提出并研究了以石墨烯为基础的各种超材料器件。与自然界传统金属元素相比，石墨烯可以通过改变栅极电压来调节自身的费米能级，进而改变石墨烯内部的电导率，其可调谐方面更具有优势和潜力。
[0004]电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)是一种量子干涉现象，其透明窗口内的色散特性在传感和慢光方面有很好的应用前景。而等离子体诱导透明(Plasmon Pnduced Pransparency,PIT)现象是一种类EIT效应，它可以在透射光谱中产生明显的透明峰，这引起了人们的广泛关注。通常情况下，激发PIT现象主要集中在两种方式：亮模式与暗模式相互耦合以及亮模式与亮模式相互耦合。
[0005]随着人们对太赫兹超材料传感器结构特性的不断研究，近年来金属分裂环型、h型、圆盘型、十字型等形状的太赫兹超材料传感器被陆续发现。但大多数传感器只能形成单极化方向上的透明窗口，且调控范围和调制深度只能在很小的范围内。之后出现的以石墨烯为基础的太赫兹超材料传感器可以通过改变栅极电压来调节自身的费米能级，进而改变石墨烯内部的电导率，如公布号为CN108390156A的专利技术专利，公布了一种基于超材料的太赫兹可调极化波不敏感电磁诱导透明器件，包括若干同一个方向周期排列的基本单元；每个基本单元包括上层的石墨烯层和下层的介质层，且介质层固定在衬底器件上；通过对石墨烯进行刻画，形成一个个邻边开口的石墨烯方环；当石墨烯层一次性刻画完毕后，将衬底器件的中间挖空，最后镀一层导电胶。该专利技术对x方向和y方向偏振的线偏振光都具有相同的电磁诱导透明现象，在入射波的极化方式改变时，无需更换器件，而且该专利技术在不改变器件结构的情况下，通过调节外加电压，能够实现可调的电磁诱导透明现象。但是该专利技术所述的调控也仍然是单极化方向上的。
[0006]可见，现有已存在的可以实现PIT现象的太赫兹超材料传感器只能在一种极化方向上形成透明窗口，而且其调控范围较小、传感性能普遍较低。如何设计一种调控范围广、灵敏性能高且便于加工的太赫兹超材料传感器是一个值得思考和研究的问题。

技术实现思路

[0007]本技术要解决的技术问题是提供一种在双极化方向上都具有两个透明窗口且调控范围广、灵敏性高的双极化方向可调谐的太赫兹超材料传感器。
[0008]为解决上述技术问题，本技术采用以下技术方案：
[0009]一种双极化方向可调谐的太赫兹超材料传感器，包括N
×
N个在平面上周期排列的结构单元，N为大于0的自然数，每个结构单元呈长方体形状，N
×
N个结构单元在平面上连续拼接；每个结构单元包括介质层和设于介质层上的石墨烯层，所述的石墨烯层为同心嵌套的两个石墨烯圆环结构，其中内环为完整的石墨烯圆环，外环为分裂的石墨烯圆环；外环的俯视形状由相对的左分裂环和右分裂环组成，其中左分裂环的上、下两个缺口在同一条纵向垂直线上，右分裂环的上、下两个缺口也在同一条纵向垂直线上，但它们与左分裂环的上、下两个缺口不重合。
[0010]上述技术方案中，优选左分裂环距圆心的x分量为1～3μm，右分裂环距圆心的x分量为3～5μm。与此对应的，优选每个结构单元中内环的外圈直径为10～20μm，外环的外圈直径为15～30μm，内环和外环的环宽均为1～3μm；并优选所述结构单元在x轴方向的周期为15～45μm，在y轴方向的周期为15～45μm。更进一步优选每个结构单元中内环的外圈直径为10～15μm，外环的外圈直径为18～22μm，内环和外环的环宽均为1～3μm；且所述结构单元在x轴方向的周期为25～35μm，在y轴方向的周期为25～35μm。
[0011]上述技术方案中，优选每个结构单元呈正方体形状，N的取值优选≥3。
[0012]作为本申请的优选实施方式，优选结构单元在x轴方向的周期为30μm，在y轴方向的周期为30μm；所述内环的外圈直径为12μm，外环的外圈直径为20μm，内环和外环的环宽均为2μm；所述左分裂环距圆心的x分量为2μm，右分裂环距圆心的x分量为4μm。
[0013]上述技术方案中，所述石墨烯层的厚度优选为1～5nm，进一步优选为1～2nm。所述介质层的材料及其厚度选择与现有技术相同，具体的，介质层的材料可以是二氧化硅、聚酰亚胺、石英晶体、环烯烃聚合物和聚四氟乙烯(PTFE)等中的任意一种，本申请优选为二氧化硅。介质层的厚度优选为0.1～0.5μm，进一步优选为0.1～0.2μm。
[0014]与现有技术相比，本技术的特点在于：
[0015]1.本技术以超材料基础模型，在x极化方向上，经过太赫兹波的激发，内环相当于三谐振子模型里的明膜，而构成外环的两个分裂环充当两个准暗膜；在y极化方向上，外环中的右分裂环充当三谐振子模型里的明膜，外环中的左分裂环和内环相当于两个准暗膜，由于两个极化方向的明膜和两个准暗膜不是相同的结构，所以不同极化方向上的一个明膜和两个准暗膜相互破坏性干涉(耦合)使得传感器在双极化方向上都能形成互不相同的两个透明窗口，同时所得传感器可以在0.5～4.5THz频率范围内进行调控，调控范围广。
[0016]2.本技术所述传感器实现了对入射光角度不敏感特性，该特性有利于减少检测误差，实现对待测物的快速高灵敏检测。
[0017]3.本技术所述传感器能够实现改变入射光极化方向和石墨烯费米能级的双重调控。
[0018]4.本技术所述传感器最高传感灵敏度可达1.1THz/RIU，有效解决了现有太赫兹超材料传感器灵敏度偏低的问题，相比于现有太赫兹超材料传感器，本技术所提出的传感器可以减少检测成本、简化实验操作、降低实验难度。
[0019]5.本技术所述传感器结构简单、性能优越、制造工艺易于实现，满足了传感器设计过程中对性价比的需求。
附图说明
[0020]图1为本技术所述双极化方向可调谐的太赫兹超材料传感器的一个结构单元的俯视图。
[0021]图2为以图1所示结构的传感器结构单元按13
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13在平面上周期排列所得的传感器样片本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双极化方向可调谐的太赫兹超材料传感器，包括N
×
N个在平面上周期排列的结构单元，N为大于0的自然数，每个结构单元呈长方体形状，N
×
N个结构单元在平面上连续拼接；其特征是，每个结构单元包括介质层(1)和设于介质层(1)上的石墨烯层，所述的石墨烯层为同心嵌套的两个石墨烯圆环结构，其中内环(2)为完整的石墨烯圆环，外环(3)为分裂的石墨烯圆环；外环(3)的俯视形状由相对的左分裂环(3
‑
1)和右分裂环(3
‑
2)组成，其中左分裂环(3
‑
1)的上、下两个缺口在同一条纵向垂直线上，右分裂环(3
‑
2)的上、下两个缺口也在同一条纵向垂直线上，但它们与左分裂环(3
‑
1)的上、下两个缺口不重合。2.根据权利要求1所述的双极化方向可调谐的太赫兹超材料传感器，其特征是，所述左分裂环(3
‑
1)距圆心的x分量(x1)为1～3μm，右分裂环(3
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈涛，梁棣涵，张活，王月娥，殷贤华，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：新型
国别省市：