金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器 专利技术说明

电气元件制品的制造及其应用技术1.本发明涉及透射型超构表面技术领域，具体涉及基于金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器。背景技术：2.随着光通信的快速发展，对高效光器件的需求也越来越大。高效率的光器件，从而导致了对高质量因子(q因子)的追求。光学谐振器。高q值谐振器显示了谐振器和电磁波之间的强大互动，产生了各种应用，包括过滤器、非线性光学和生物传感器。实现高品质因子的一个合理的方法是利用一种非同寻常的物理现象。虽然连续域束缚态(bic)的概念是由冯-诺伊曼和威格纳在量子力学中首次提出的，但后来它在声学、电磁学和光子学中被验证为一种普遍的波现象。理想的连续域束缚态(bic)将拥有无限的寿命和质量因子，它不能在光谱中被观察到，因为它完美地限制了光，没有任何辐射泄漏出来。由于其迷人的特性，连续域束缚态(bic)已经创造了大量的潜在应用，如激光器、光栅、涡流光束发生器和负折射。有两种主要方法被普遍接受来实现连续域束缚态(bic)：第一种方法被称为对称保护的连续域束缚态(bic)，作为一个具有特定对称模式的结构，同时嵌入到具有不同对称性的连续态中。嵌入到具有不同对称性类别的连续态中的结构会表现出这种连续域束缚态(bic)，只要对称性失配得到保留。另一种类型的连续域束缚态(bic)可以通过调整谐振器的结构参数来产生，当出射到连续体的波耦合到同一个辐射通道，并通过干扰完全相互抵消。因此，它被称为“参数调谐连续域束缚态(bic)”，也被称为“意外的连续域束缚态(bic)”。3.超材料(mms)和超表面(mss)的繁荣表明电磁和光子工业有一个光明的前景，为制造光学器件提供了一种创新技术。许多引人注目的现象和应用已经在mms/mss的基础上得到实现和证实：负折射，完美吸收，狄拉克仿生材料和光子晶体(phc)的连续域束缚态(bic)。由于超材料为连续域束缚态(bic)研究提供了一个强大的平台，科学家们开始在现有的普通连续域束缚态(bic)设计中引入扰动，这可以把连续域束缚态(bic)状态变成连续域准束缚态(quasi-bic)状态。与完美的连续域束缚态(bic)状态不同，连续域准束缚态(quasi-bic)允许束缚态与扩展态耦合并向连续体释放辐射，这使得它可以在光谱中观察到。与一般的共振相比，连续域准束缚态(quasi-bic)仍然具有极高的质量因子，通常以法诺共振的形式出现。如上所述，对于对称性保护的连续域束缚态(bic)，打破其特定的对称性模式，使其演变成连续域准束缚态(quasi-bic)：简单地去除或增加原始图案的某些部分，完全打破平面内c2对称性，而其他结构的反转对称性可以通过给予轻微的旋转或偏离来破坏。同样，调整结构参数可以通过辐射连续体导致不同的干扰条件，从而将意外的连续域束缚态(bic)变成连续域准束缚态(quasi-bic)，同时保留现有设计的对称性模式。大多数基于金属元面的结构都有同样的缺陷：一旦制造完成，元面器件只能在一个单一状态，要么是bic或连续域准束缚态(quasi-bic)。由于石墨烯金属超表面支持连续域束缚态(quasi-bic)和连续域准束缚态(quasi-bic)之间的自由切换的特性，可应用于thz动态显示，即仅改变施加在每个结构上的偏置信号以获得不同的显示内容，而不依赖于额外的超表面阵列。技术实现要素：4.为了克服背景技术中提出的问题，本发明提供了一种基于金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器及制备方法。5.本发明提供了一种基于金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器，包括：6.绝缘基板；7.金属超表面，包括两条相同的矩形金条组成的十字形状和在十字中心重叠的金属正方形环；8.结构化石墨烯，被设置在所述绝缘基板表面与金属超表面之间；9.其中，整个金属-石墨烯杂化超表面结构在硅衬底上制造，并使用金在结构化石墨烯上表面上形成金属超表面；10.减反射覆盖层，被设置在整个金属-石墨烯杂化超表面结构表层，所述减反射覆盖层的材料为二氧化硅；11.电极，被设置在减反射覆盖层表面；12.其中，增加结构化石墨烯的费米能级时，石墨烯从类半导体转变为类金属；从而导致整个金属-石墨烯杂化超表面结构的c2对称性改变；以使得所述金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器结构能够在连续域束缚态和连续域准束缚态状态之间自由切换。13.在本发明的一种实施方式中，整个金属-石墨烯杂化超表面结构使用si作为衬底，厚度为8μm，并在周期p＝160μm内由相同的方形单元重复。14.在本发明的一种实施方式中，所述矩形金条的长度为l＝140μm。15.在本发明的一种实施方式中，所述矩形金条的宽度为w＝20μm。16.在本发明的一种实施方式中，两条所述矩形金条组成的十字形状在十字中心与直径为d1＝52μm，d2＝82μm的金属正方形环重叠。17.在本发明的一种实施方式中，所述矩形金条的厚度为dg＝200nm。18.在本发明的一种实施方式中，所述绝缘基板为二氧化硅材质。19.在本发明的一种实施方式中，所述电极为金属材料。20.本发明还提供了一种金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：21.s1、选用高度对称的金属-石墨烯微结构来设计金属-石墨烯杂化表面，以降低金属-石墨烯杂化表面微结构对入射光偏振态的敏感度；22.s2、选用亚波长尺寸的微结构对金属-石墨烯杂化层进行修饰，并对微结构的尺寸进行优化，以达到从连续域束缚态到连续域准束缚态的动态转换能力；23.s3、在金属-石墨烯杂化表面的基础上，增加减反射覆盖层，以进一步提升金属-石墨烯杂化表面的动态转换能力。24.本发明还提供了一种根据所述的金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器或所述的金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器的制备方法在动态控制传输设备领域中的应用。25.与现有技术相比，本发明的有益效果：26.本发明提供的连续介质束缚态转换器同时显示了两种类型的连续域束缚态(bic)。通过打破镜像对称性或调整几何参数，模型将演变为连续域准束缚态(quasi-bic)状态，并在太赫兹(thz)频域内呈现轻微的fano共振。接下来，用相应结构的设计石墨烯图案替换金属扰动。由于石墨烯可以通过电压调节在类金属和类电介质之间切换，因此改进的石墨烯模型实现了从连续域束缚态(bic)到连续域准束缚态(quasi-bic)的动态转换能力。此外，在透射光谱中发现了由石墨烯和金之间的差异引起的奇异现象，这在电磁场分布图像上清晰地显示出来。提出了一种基于石墨烯修正模型的数字编码显示，通过调节石墨烯的费米能级，实现了0.83-0.92thz范围内的动态传输切换。附图说明27.图1中的(a)为本发明实施例中基于金属超表面结构的连续介质束缚态转换器结构结构的三维示意图；28.图1中的(b)(c)为金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器的俯视图和侧视图，整个结构使用si作为衬底，厚度为8μm，并在周期p内由相同的方形单元重复。金属ms由两条相同的矩形金条制成，长度为l，宽度为w，它们像十字一样正交放置，并在十字中心与长度分别为d1，d2的正方形金属环重叠。金的厚度为dg。这里dg＝200nm，l＝140μm，w＝20μm，p＝160μm，d1＝52μm，d2＝82μm。29.图2为对本发明实施例所述的原始金属超表面设计及其变化的示意图。通过改变中心金属正方形环的结构参数可以实现参数调谐连续域束缚态(bic)，减少金属带的长度可以打破对称保护连续域束缚态(bic)。最后，将结构化石墨烯放置在相应设计的下方，以制造动态调节bic器件。30.图3(a)-(b)结构的参数调谐bic及其传输光谱的示意图。(a)通过调整正方形环结构参数，得到结构的参数调谐bic。(b)结构参数变化的传输光谱。31.图4(a)-(b)结构的对称保护bic及其传输光谱的示意图。(a)通过调整十字金属结构参数，得到结构的对称保护bic。(b)结构参数变化的传输光谱。32.图5(a)-(b)为q因子对不对称参数α的依赖性。(b)q因子对α-2的依赖性。灰色虚线表示曲线拟合。33.图6(a)为参数调谐bic的石墨烯变化。si衬底的厚度为8μm。上述金十字具有相同的几何参数(l＝140μm、w＝20μm和dg＝200nm)，石墨烯正方形环的结构参数分别为d1＝52μm，d2＝82μm。(b)对称保护bic的石墨烯变化。上述金图案的几何参数为l＝140μm，w＝20μm、d1＝52μm，d2＝82μm和dg＝200nm，g2＝20μm，下面重叠的石墨烯带为矩形，长度l＝140μm，宽度w＝20μm。34.图7(a)为参数调谐bic的石墨烯变化。金属正方形环被放置在金属十字下方的石墨烯正方形环状物代替。(b)费米能级增加时的透射光谱。35.图8(a)为对称保护bic的石墨烯变化。矩形石墨烯带置于对称破缺的亚表面结构下。(b)费米能级增加时的透射光谱。36.图9为石墨烯费米能级变化的详细光谱信息。黑色虚线位于0.81thz，两颗星代表相应的点。当ef增加时。灰色阴影区域(0.78-0.88thz)表示可用于动态控制传输的频域。可用于动态控制传输。37.图10为提出的动态数字显示的流程图。背光源的频率范围在图9所示的灰色阴影区(0.78-0.88thz)内。具体实施方式：38.下面参照附图对本发明做进一步描述。39.实施例140.如图1(a-c)-图2所示，一种基于金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器，包括：41.绝缘基板；42.金属超表面，包括两条相同的矩形金条组成的十字形状和在十字中心重叠的金属正方形环；43.结构化石墨烯，被设置在所述绝缘基板表面与金属超表面之间；44.其中，整个金属-石墨烯杂化超表面结构在硅衬底上制造，并使用金在结构化石墨烯上表面上形成金属超表面；45.减反射覆盖层，被设置在整个金属-石墨烯杂化超表面结构表层，所述减反射覆盖层的材料为二氧化硅；46.电极，被设置在减反射覆盖层表面；47.其中，增加结构化石墨烯的费米能级时，石墨烯从类半导体转变为类金属；从而导致整个金属-石墨烯杂化超表面结构的c2对称性改变；以使得所述基于金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器结构能够在连续域束缚态和连续域准束缚态状态之间自由切换。48.优选的，整个所述金属-石墨烯杂化超表面结构使用si作为衬底，厚度为8μm，并在周期p＝160μm内由相同的方形单元重复。49.优选的，所述矩形金条的长度为l＝140μm。50.优选的，所述矩形金条的宽度为w＝20μm。51.优选的，两条所述矩形金条组成的十字形状在十字中心与直径为d1＝52μm，d2＝82μm的金属正方形环重叠。52.优选的，所述矩形金条的厚度为dg＝200nm。53.优选的，所述绝缘基板为二氧化硅材质。54.优选的，所述电极为金属材料。55.实施例256.本发明又提供了一种基于金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器的制备方法，包括以下步骤：57.s1、选用高度对称的金属-石墨烯微结构来设计金属-石墨烯杂化表面，以降低金属-石墨烯杂化表面微结构对入射光偏振态的敏感度；58.s2、选用亚波长尺寸的微结构对金属-石墨烯杂化层进行修饰，并对微结构的尺寸进行优化，以达到从连续域束缚态到连续域准束缚态的动态转换能力；59.s3、在金属-石墨烯杂化表面的基础上，增加减反射覆盖层，以进一步提升金属-石墨烯杂化表面的动态转换能力。60.其设计过程是具体的，首先考虑无石墨烯的金金属超构表面的设计。金超构表面采用高度对称的十字结构加正方形环的微结构，用以消除入射光偏振态对超构表面性能的影响。之后对微结构的结构参数，周期进行讨论，选出最好的透射效果对应的结构参数，完成金金属超构表面的优化。61.本发明基于金属-石墨烯杂化超表面结构的连续介质束缚态转换器，详细结构见图1(b)，图1(a)说明了模型的三维示意图，而图1(b-c)给出了单个单元的俯视图与侧视图。整个结构在硅衬底上制造，并使用金在上表面上形成超表面。超材料结构单元为长度为p的正方形，金属设计可分为两个主要部分：由两条相同的矩形金条组成的十字形状和在十字中心重叠的正方形金盘。62.图2显示了如何修改超表面结构单元以支持两种类型的连续域束缚态(bic)，并进一步将每种类型的连续域束缚态(bic)设计适应于其的石墨烯对应物。对称性保护连续域束缚态(bic)可以很容易地通过去除部分金条而被破坏，从而打破c2对称性结构。在不破坏面内对称性模式的情况下，在正方形金属环的结构参数被精确到一定程度时，可以达到参数调谐连续域束缚态(bic)。此外，相应的改变的部分被结构化的石墨烯所取代，以完成自由连续域束缚态(bic)转换功能。63.图3(a)描述了所提出的模型通过调整结构参数达到参数调谐连续域束缚态(bic)的方法。在这里，金属正方形环的结构参数d2-d1成为唯一变量，入射平面波为y轴线性极化。随着d2-d1从5μm增加到25μm，透射光谱如图3(b)所示。当d2-d1＝5μm时，ms支持连续域准束缚态(quasi-bic)状态，其中泄漏辐射分别以1.49thz和1.61thz的fano共振形式存在。随着直径的数值上升，满足friedrich-wintgen条件，当d2-d1＝15μm时，这些fano共振最终消失，在透射光谱中形成平滑曲线，这表明模型处于参数调谐连续域束缚态(bic)状态。同时，如果d2-d1继续增大到25μm，结构将不再满足friedrich-wintgen条件，导致出现fano峰和连续域准束缚态(quasi-bic)态。64.图4为原始ms设计也具有对称保护连续域束缚态(bic)。通过打破平面内c2对称性，该模型将转换为新的连续域准束缚态(quasi-bic)状态。图4(a)显示了结构通过切断部分金条破坏c2对称性的方式。图4(b)中的透射光谱说明了当间隙长度g2改变时连续域束缚态(bic)的演变。当g2＝0μm时，超表面设计具有c2对称性。由于引入了间隙，该结构不再保持c2对称，导致不同对称模式和连续域准束缚态(quasi-bic)态之间的辐射耦合。因此，当g2＝20μm时，可以在0.68thz处发现窄带传输峰值。65.图5为通过调整结构不对称参数可以灵活地调节q因子和共振谱宽度。在这种情况下，我们通过扫描短纳米棒l-g2的长度来改变不对称参数α＝g2/l，从而获得一系列q因子。q因子对α的依赖性如图5(a)所示。此外，我们将q因子绘制为α-2的函数，如图5(b)所示。q因子几乎与α-2成正比，即q∝α-2，这与连续域束缚态(bic)控制的不对称共振的理论形式一致。通过调制不对称参数，揭示了q因子具有大范围线性变化的事实。66.为了实现模型的开关功能，预先设计的石墨烯取代了原始金属结构的一部分。在这里，对于每种类型的连续域束缚态(bic)，我们提出了相应的石墨烯设计：图6(a)显示了参数调谐连续域束缚态(bic)的石墨烯形式，在先前的研究中，通过改变正方形结构参数达到了这种形式。因此，在这种情况下，正方形环完全被单层石墨烯正方形环取代，并固定在金属十字下方。在对称保护连续域束缚态(bic)上使用了类似的技术，如图6(b)所示，同时去除部分金条，然后用石墨烯条代替。随着偏置电压的变化，每个改进的模型都会在不同的状态之间切换。单层石墨烯的厚度约为0.34nm，甚至远小于金属超表面的厚度。因此，石墨烯被认为是一种完美的零厚度二维材料，可以通过引入表面电流密度来模拟。kubo公式很好地描述了单层石墨烯的电导率σ，其中包含带间和带内电子跃迁贡献：[0067][0068]其中kb是玻尔兹曼常数，e是电子电荷，t＝300k是温度，h是简化的普朗克常数，ω是入射光的角频率，ef是石墨烯的费米能量。τ＝μef/e(vf)^2是载流子弛豫寿命，其中vf＝1x106m/s表示费米速度，μc＝10000cm2/(v·s)表示载流子迁移率。载流子迁移率是反映石墨烯电导率的一个重要参数。在室温(300k)下，石墨烯基硅膜的最高值可达到40000cm2/(v·s)。通过考虑我们设备的性能和实际可行性，我们选择了30000cm2/(v·s)作为载流子迁移率。在太赫兹频率范围(ef》》ω)内，忽略带间贡献可以简化石墨烯的表面电导率，并在室温下满足ef》》kbt的条件。因此，kubo公式可以简化为：[0069][0070]石墨烯的有效介电常数可以经由ε(ω)＝1+iσ(ω)/ε0ωtg来计算，其中ε0是真空介电常数。[0071]图7研究了对应于参数调谐连续域束缚态(bic)的石墨烯变体的透射光谱。当费米能级ef＝0.01ev时，石墨烯在类半导体状态下工作，因此，friedrich-wintgen条件不满足，并导致1.42thz和1.59thz的fano共振。随着费米能级值的增加，fano共振逐渐消失，当ef＝0.8ev，最终进入连续域束缚态(bic)状态。如果ef持续上升至1ev，模型将再次变成连续域准束缚态(quasi-bic)，同时fano共振出现在1.43thz和1.58thz。基本上，石墨烯变体与金属变体相比表现出类似的连续域束缚态(bic)演化。这两种设计都可以在具有适当参数的特定频率下实现连续域束缚态(bic)状态，无论调整参数过多或不足都会导致fano共振和连续域准束缚态(quasi-bic)状态的出现。[0072]到目前为止，参数调谐连续域束缚态(bic)的石墨烯变体与原始结构有很多相似之处，便于我们通过对比进一步研究其物理机制。但是当我们将对称保护连续域束缚态(bic)增加石墨烯变体时(见图8(a))，石墨烯和金之间的差异被放大。因此，图8(b)中的传输光谱呈现出一些奇特的现象。当ef＝0.01ev时，透射光谱类似于原始的金属结构，但它伴随着频率偏移。随着费米能级的提高，第一个连续域准束缚态(quasi-bic)峰的频率基本保持不变，而第二个连续域准束缚态(quasi-bic)峰的频率经历了一个巨大的蓝移。因此，两个凹点之间的连续域准束缚态(quasi-bic)峰似乎被延长了，形成了一个宽带的高传输峰。[0073]在图9中，很明显，当ef＝0.01ev时，石墨烯在半导体条件下工作，不参与电磁作用。当ef增加时，石墨烯逐渐变成类似金属的状态。因此，在灰色阴影区表示的频域内，当费米能级变化时，透射率会发生相当大的变化。[0074]受此启发，我们可以将该模型应用于动态控制传输设备，可以应用于数字显示或光开关。应用的数字显示设备的流程图如图10所示。首先，将输入图像划分为与亚表面单元数相同的像素大小，以形成用于偏置电压控制的数字编码信号。然后，根据数字编码信号，将相应的石墨烯单元切换到高/低传输状态，当入射波源的频率在0.78-0.88thz范围内时，我们可以在显示平面上获得清晰的输出图像。通过调节数字编码信号，输出图像也可以自由变化。[0075]本实施例中，我们提出了一种创新的金属超表面结构，可以支持参数调谐连续域束缚态(bic)和对称保护连续域束缚态(bic)。通过调整正方形金属环的直径，两个fano共振消失并出现，表明模型从连续域束缚态(bic)状态切换到连续域准束缚态(quasi-bic)状态。当我们在金属带中引入间隙时，会出现一个窄带传输峰，因为间隙的存在打破了平面内c2对称性，将对称性保护连续域束缚态(bic)变为连续域准束缚态(quasi-bic)。此外，我们将原始结构调整为其石墨烯变体，旨在实现动态转换功能。在参数调谐连续域束缚态(bic)的变型中，正方形金属环被石墨烯正方形环取代，并且结构可以通过调节费米能级从连续域准束缚态(quasi-bic)态自由转换为连续域束缚态(bic)。在对称保护连续域束缚态(bic)的变化中，在高费米能级上研究了宽带传输峰。利用0.82thz附近的低-高透射变化，我们提出了一种由石墨烯金属超表面的费米能级编码和调节的数字显示器。[0076]最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。









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