本發明屬于太赫茲波段器件技術領域，具體涉及一種基于石墨烯的太赫茲波偏振片。

背景技術：

太赫茲波的是指0.3THz到10THz范圍的電磁波，對應波長范圍從0.03mm到1mm。太赫茲波段有較高的空間分辨率(高頻率)和時間分辨率(皮秒脈沖)，能量較小不會破壞物質，而且是生物大分子的振動、轉動的共振頻段。這些特性使其在例如寬帶通信、雷達、電子對抗、電磁武器、天文、無損檢測、醫學成像、安全檢查等領域有潛在的應用前景。80年代之前，受到太赫茲波產生源和探測器的限制，涉及這一波段的研究和應用非常少。隨著之后新技術(超快技術)，新材料的發展，使得太赫茲技術得到迅速發展。目前，太赫茲技術的研究以及應用開發正成為光學領域研究的熱點。然而，高性能的新型太赫茲器件(例如發射源，探測器，調制器，偏振片，分束器，色散光學元件，寬帶透射窗口等)仍然亟待設計，以提高太赫茲技術的應用效率。

偏振片可以使自然光變成偏振光的光學元件。在太赫茲波段，已有的太赫茲偏振片主要包括金屬線柵偏振器和液晶偏振片等。金屬線柵型偏振片具有較好的偏振效果，但是存在成本比較昂貴、功能單一、不可調諧、譜寬范圍窄、不便集成化等缺點；液晶偏振片是通過在襯底上添加一層向列型液晶，制作成Feussner型偏振片，消光系數很高，但缺點是波長范圍窄，液晶層和襯底很難壓緊封裝。因此，目前具有主動調諧能力的太赫茲偏振片還很欠缺。

技術實現要素：

針對現有技術中存在的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于石墨烯的太赫茲波偏振片，解決現有的偏振片不可調諧、譜寬范圍窄、功能單一和不便集成化的問題。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案予以實現：

一種基于石墨烯的電控太赫茲偏振片，其特征在于，包括至少兩層石墨烯層，每兩層相鄰的石墨烯層間設有介質層，所述的每層石墨烯層上設有孔，所述的每一介質層上也設有孔，所述的石墨烯層上的孔與介質層上的孔重合，所述的每層石墨烯層上的孔有多個，所述的每層介質層上的孔的個數與每層石墨烯層上的孔的個數相同，且每層石墨烯層上的孔和每層介質層上的孔均呈陣列分布；

偶數層的石墨烯層共同連接在一個電極上，奇數層的石墨烯層共同連接在另一個電極上，在兩個電極上加載電壓可實現電壓調控；所述的加工有孔的石墨烯層的橫截面積大于太赫茲光斑的面積。

所述的相鄰孔中心線間的距離為1～6μm，相鄰孔間的石墨烯的寬度為0.5～5μm。

所述介質層采用二氧化硅、氮化硼或三氧化二鋁。

所述電極采用金屬或合金電極。

采用微加工的方法對制備好的石墨烯層和介質層刻蝕出孔，所述的微加工的方法包括采用光學曝光、電子束曝光或聚焦離子束曝光，配合濕法刻蝕或干法刻蝕。

基于石墨烯的電控太赫茲偏振片的使用方法，在每層石墨烯層和介質層上加工孔形成柵帶，透過太赫茲波的電場偏振方向與柵帶平行的，通過改變電壓調控透過率的大??；透過太赫茲波的偏振方向與柵帶垂直的，基本不受電壓的影響，一直保持高透過率；對于固定層數的偏振片，將偶數層石墨烯層連接的一個電極和奇數層石墨烯層連接的另一個電極上加恒定電壓，隨所加電壓的升高，觀察偏振方向平行于柵帶的透射太赫茲脈沖振幅，確定調控范圍，通過改變電壓，可以調控透過太赫茲波的偏振度。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、可調諧性：本發明利用多層膜結構制備的偏振片，可以通過柵帶的結構參數，如柵帶寬度等，以及石墨烯的層數而調控響應頻段、偏振度等性能參數；通過電壓調控，可以主動調控透過太赫茲波的偏振度。

2、譜寬范圍寬：石墨烯在較寬的太赫茲波段具有均一Drude電導，所以偏振片的工作頻段較寬。

3、功能多樣化：電壓調控可以主動調控透過太赫茲波偏振方向平行于柵帶方向的透過率，本器件除了偏振的功能以外，還能夠實現對不同偏振方向太赫茲波選擇性調制的功能。

4、便于集成：由于本器件電壓可調，因此與大多數太赫茲光電系統的兼容性良好。

5、本發明使用的石墨烯材料，成本以及加工方案容易控制，制備偏振片的方法具有簡單、易于加工的優點。

附圖說明

圖1是兩個石墨烯層構成的偏振片結構示意圖，(a)俯視圖，(b)正視圖，(c)側面剖視圖，(d)為圖(a)的局部放大圖。

圖2是4個石墨烯層構成的偏振片的結構示意圖。

圖3是對石墨烯所加電壓和石墨烯費米能級的對應關系圖。

圖4是2個石墨烯層構成的電控偏振片(柵帶周期為3μm，石墨烯柵帶寬度為1μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅為間隔層時，(a)平行于柵帶方向太赫茲波的透過率和(b)垂直于柵帶方向太赫茲波的透過率，隨費米能級的變化。

圖5是2個石墨烯層構成的電控偏振片(柵帶周期為3μm，石墨烯柵帶寬度為2μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅為間隔層時，(a)平行于柵帶方向太赫茲波的透過率和(b)垂直于柵帶方向太赫茲波的透過率，隨費米能級的變化。

圖6是4個石墨烯層構成的電控偏振片(柵帶周期為3μm，石墨烯柵帶寬度為2μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅為間隔層時，(a)平行于柵帶方向太赫茲波的透過率和(b)垂直于柵帶方向太赫茲波的透過率，隨費米能級的變化。

圖7是6個石墨烯層構成的電控偏振片(柵帶周期為3μm，石墨烯柵帶寬度為2μm)，位于高阻硅基底上，以30nm二氧化硅為間隔層時，(a)平行于柵帶方向太赫茲波的透過率和(b)垂直于柵帶方向太赫茲波的透過率，隨費米能級的變化。

附圖中各標號的含義：1-石墨烯層，2-介質層，3-電極，4-電壓，5-孔。

以下結合實施例對本發明的具體內容作進一步詳細解釋說明。

具體實施方式

本發明中的柵帶結構為：在每層石墨烯層和介質層上加工出成陣列分布的大小相同的孔，形成柵帶。石墨烯周期性柵帶，結構上具有石墨烯單原子層厚度，并且通過堆疊做成與介質層結合的夾層結構，不同于基于傳統金屬材料的三維金屬線柵。石墨烯柵帶對太赫茲波的各向異性響應利用了石墨烯微結構中的等離子體共振效應，并且，這種結構讓石墨烯具有柵壓可調的太赫茲電導，是金屬無法實現的。

太赫茲波垂直入射時，理想的大面積石墨烯在面上的電導是各項同性的。但是當把石墨烯制備成微結構之后，離子體振蕩現象將會出現。在一定微尺度下，石墨烯的等離子體共振峰可以移動到紅外波段，從而使太赫茲波段的衰減大大降低。將石墨烯設計成周期性柵帶結構，使偏振方向垂直于柵帶的太赫茲波因為等離子體振蕩頻率的改變而出現高透過率，而平行于柵帶方向的太赫茲波調控不受影響，從而出現各向異性，實現偏振功能。具體如下：

單層石墨烯在太赫茲波段的電導可以寫為德魯德(Drude)形式，在太赫茲波段具有較為一致的高電導，并且受到費米能級的影響，可以達到可見光波段電導的幾十倍，因此具備了調控太赫茲波的響應深度。另外石墨烯具有雙極電場效應，在石墨烯加柵壓后，其載流子濃度可以與調制電壓成正比關系。因為石墨烯的費米能級和載流子濃度n的1/2次方成正比，因此柵壓和費米能級的平方具有正比例關系。當石墨烯電子摻雜時費米能級設為正值，空穴摻雜時費米能級設為負值，則可以計算出費米能級和柵壓的對應關系如圖3所示。

在入射太赫茲波的偏振方向上，當石墨烯的空間尺度為有限值d時，石墨烯在該方向上的電導將會受到等離子體振蕩的影響。等離子體頻率是與尺度d倒數的1/2次方成正比，且與載流子濃度的1/4次方成正比。當石墨烯的尺度在一定范圍(例如微米量級)，等離子體峰將轉移到紅外波段，使得太赫茲波段的電導率變得很小，透明性大大提高。因此，可以把石墨烯設計為一定寬度的柵帶，這樣偏振方向垂直于條帶的太赫茲波透過率高，而平行于條帶的太赫茲波依然受到上一段落所述的電壓調制改變電導的影響，從而實現本專利的電控偏振片功能。

上述參數僅為闡述本發明的結果趨勢，在實際樣品中，參數的取值應受到制備方法、轉移條件、器件加工法、器件構成等多方面影響，實際取值應服從樣品的實際情況。

因此，利用上述石墨烯疊層結構，通過微加工手段制作柵帶，使用電壓調控改變石墨烯的光電導率，在一定結構參數、層數和電壓條件下，可以實現對電磁方向平行與柵帶太赫茲波的抑制，實現偏振片功能。

以下給出本發明的具體實施例，需要說明的是本發明并不局限于以下具體實施例，凡在本申請技術方案基礎上做的等同變換均落入本發明的保護范圍。

實施例1

本實施例給出一種基于石墨烯的電控太赫茲偏振片，包括至少兩層石墨烯層1，每兩層相鄰的石墨烯層1間設有介質層2，所述的每層石墨烯層1上設有孔5，所述的每一介質層2上也設有孔5，所述的石墨烯層1上的孔與介質層2上的孔重合，所述的每層石墨烯層1上的孔5有多個，所述的每層介質層2上的孔的個數與每層石墨烯層1上的孔的個數相同，且每層石墨烯層1上的孔和每層介質層2上的孔均呈陣列分布；

偶數層的石墨烯層1共同連接在一個電極3上，奇數層的石墨烯層1共同連接在另一個電極3上，在兩個電極3上加載電壓4可實現電壓調控；所述的加工有孔5的石墨烯層1的橫截面積大于太赫茲光斑的面積。

實施例2

一種實施例1所述的偏振片的制備方法，將偏振片使用前加工于基底或太赫茲元件上，在太赫茲元件或基底上按照由下至上的次序逐層制備各層結構，包括至少兩層石墨烯層、位于每兩個相鄰的石墨烯層之間的介質層、偶數層石墨烯層上共同相連的一個電極以及奇數層的石墨烯共同相連的另一個電極，在兩個電極上加載電壓，保證每個介質層將相鄰的石墨層完全隔開；

石墨烯層的制備采用化學氣相法、機械剝離法、外延生長法或氧化還原法；介質層的制備采用真空蒸鍍法、旋轉涂覆法或化學氣相沉積法；所述電極的制備采用真空蒸鍍法、真空濺射法、化學氣相沉積法或電化學沉積法；柵帶結構的制備采用光學曝光、電子束曝光或聚焦離子束曝光，配合濕法刻蝕或干法刻蝕的微加工技術。

實施例3

一種實施例1所述的偏振片的使用方法，對于固定層數的偏振片，將偶數層石墨烯層連接的一個電極和奇數層石墨烯層連接的另一個電極上加恒定電壓，隨所加電壓的升高，觀察偏振方向平行于柵帶的透射太赫茲脈沖振幅，確定調控范圍。通過改變電壓，可以調控透過太赫茲波的偏振度。

實施例4

如圖1所示，本實施例給出2個石墨烯柵帶層構成的偏振片，共有3層結構，柵帶的刻蝕孔5的深度包含全部的3層結構；奇數層和偶數層石墨烯層各自具有相同的電位，可加電壓進行每層石墨烯層電導率的調節。

石墨烯柵帶結構層的面積為0.6×0.6cm²；柵帶周期長度a＝3μm，柵帶周期是指刻蝕孔5的寬度與相鄰刻蝕孔5間石墨烯的寬度之和，圖4中的石墨烯柵帶寬度為b＝1μm，圖5～7中的石墨烯柵帶寬度b＝2μm；費米速度v_F＝1×10⁶m/s，測試溫度：300K，制備方法：CVD；

柵帶的刻蝕孔5采用光學曝光配合濕法刻蝕制備，介質層采用二氧化硅，介質層厚度為30nm，該介質層采用磁控濺射法制備，介質層的介電常數為3.9；電極采用銅，用磁控濺射法制得；基底采用高阻硅，其介電常數為11.7，入射太赫茲波：頻率0.1-2.4THz，測試電壓為0～200V，測試電壓與圖4～7中標注的費米能級的關系見圖3所示。

實施例5

如圖2所示，本實施例給出的偏振與實施例4相同，區別在于，由4個石墨烯柵帶層構成的偏振片，共有7層結構，柵帶的刻蝕孔深度包含全部的七層結構；介質層采用三氧化二鋁，柵帶的刻蝕孔5采用電子束曝光配合干法刻蝕制備。

在實際設計中，石墨烯層的層數并不局限于2層和4層，而是根據偏振片的要求改變，層數越多，實現偏振度越高。

從圖4至圖7中可以看出，平行于柵帶方向太赫茲波的透過率隨著石墨烯費米能級(對應電壓)的變化產生了明顯的調制，并且是0.1-2.4THz范圍內的寬波段調制。垂直于柵帶方向太赫茲波的透過率隨著石墨烯費米能級(對應電壓)的變化很小，透過率保持很高。

對比圖4和圖5，同樣是兩個石墨烯層，因為柵帶寬度參數的差異，可見圖5可以達到的偏振度更高。對比圖5、圖6和圖7，在柵帶結構參數相同時，隨著石墨烯層數的增加，最大偏振度產生明顯提高，實現更好的偏振片功能。