CN104733811A - 一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器 - Google Patents

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阮久福
杨军
尹治平
阚延贝
黄小玲
桑磊
蔡斐
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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器，包括有SiO2/Si基底，SiO2/Si基底上设置有石墨烯薄膜，石墨烯薄膜中开有多个周期性排列的开槽。本发明是一种实现太赫兹电磁波移相的方法。具有结构紧凑、易于平面集成的特点，能工作在太赫兹低频段。

Description

一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器
技术领域
本发明涉及太赫兹器件领域，具体是一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器。
背景技术
由于THz波独特的性质及在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文，尤其是在卫星通讯和军用雷达、国防安检等领域具有重大的科学价值和广泛的应用前景，而受到越来越广泛的重视。然而直到目前为止，太赫兹技术的发展和应用仍很局限，其障碍之一就是缺乏太赫兹频段下的移相器件。
目前太赫兹频段下的相移器很少，且基本为三维结构，难以集成特别是平面集成，严重制约了器件的实用化。
采用平面化的思想和技术，发展出小型化、平面化的太赫兹波段移相器件，已成为太赫兹领域重点开展的研究方向。
发明内容    本发明的目的是提供一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器，以解决现有技术存在的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器，其特征在于：包括有SiO2/Si基底，SiO2/Si基底上设置有石墨烯薄膜，SiO2/Si基底、石墨烯薄膜上分别接有电极，石墨烯薄膜中开有多个沿直线呈周期性排列的开槽。
所述的一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器，其特征在于：每个开槽形状相同，均为矩形槽，或者梯形槽。
石墨烯的电导率虚部为正值，即介电常数为负值时，根据电磁场理论，石墨烯的表面支持表面等离子体波的传输。当石墨烯薄膜具有矩形槽、梯形槽或者其他形式的周期性结构时，表面等离子体波的色散特性主要由其结构参数决定。合理调整结构尺寸，表面等离子体波可以工作在太赫兹低频段。
改变石墨烯薄膜的偏压，可以改变石墨烯的化学势能，从而改变石墨烯的介电常数，根据电磁场原理，表面等离子体波的传播常数与介质的介电常数直接相关。因此通过调节石墨烯薄膜的偏压，可以实现对表面等离子体波的相移的控制。
本发明提供了一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器。由具有矩形槽、梯形槽或者其他形式呈周期性排列的石墨烯薄膜以及SiO2/Si基底构成。将电极分别接在石墨烯薄膜和SiO2/Si基底上，通过调整电压值大小，可以控制石墨烯薄膜表面等离子体波的传播常数，从而实现移相的功能。本发明是一种实现太赫兹电磁波移相的方法。具有结构紧凑、易于平面集成的特点，能工作在太赫兹低频段。
附图说明
图1为本发明提供的石墨烯平面等离子体人工结构示意图。
图2为石墨烯平面等离子体人工结构在500GHz频率下的电场分布图。
图3为石墨烯的化学势能分别为0.05eV、0.15eV和0.3eV时表面等离子体波的色散图。
图4为石墨烯的化学势能分别为0.05eV、0.15eV和0.3eV时表面等离子体波的色散图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器，包括有SiO2/Si基底2，SiO2/Si基底2上设置有石墨烯薄膜1，SiO2/Si基底2、石墨烯薄膜1上分别接有电极，石墨烯薄膜1中开有多个沿直线呈周期性排列的开槽3。每个开槽3形状相同，均为矩形槽，或者梯形槽，或者其他规则形状。
本发明提供的一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器，如图1所示。结构由具有呈周期排列的矩形槽的石墨烯薄膜1以及SiO2/Si基底2组成。
石墨烯薄膜中呈周期性排列的矩形槽，其宽度d为100μm，厚度t为0.4nm，矩形槽周期p为100μm，槽深h为60μm，槽宽w为40μm，二氧化硅层的厚度s1为300nm，硅基底的厚度s2为5μm。
利用仿真软件CST搭建由上述数结参数确定的结构模型，若石墨烯的散射率为0.43meV，在常温条件（温度T=300k）下，当调节石墨烯的偏压为24V，使得石墨烯的化学势能为0.15eV时，在500GHz的频率点处其表面等离子体波电场分布如图2所示。
改变石墨烯的偏压为9V、24V和90V，使得石墨烯的化学势能分别为0.05eV、0.15eV和0.3eV时，表面等离子体波的色散曲线如图3所示。由图3可知：在同一频点（500GHz）处，不同化学势能的石墨烯，其表面等离子体波的相速度不同。通过调节石墨烯的偏压，可以控制表面等离子体波的相移量。
石墨烯平面等离子体人工结构在24个周期的情况下，当石墨烯的化学势能从0.05eV变化到0.3eV时表面等离子体波在500GHz处的相移量变化情况如图4，表面等离子体波的相移在0度-360度的范围内可通过调节石墨烯偏压进行调节。同理，其它频率处的相移量也可采用同样的方法进行调节，从而在宽带范围内实现太赫兹波的移相。

Claims (2)

1.一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器，其特征在于：包括有SiO2/Si基底，SiO2/Si基底上设置有石墨烯薄膜，SiO2/Si基底、石墨烯薄膜上分别接有电极，石墨烯薄膜中开有多个沿直线呈周期性排列的开槽。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯平面等离子体人工结构的移相器，其特征在于：每个开槽形状相同，均为矩形槽，或者梯形槽。
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