电双控的超材料类电磁诱导透明器件

技术领域

本发明涉及电磁超材料技术领域，具体是电双控的超材料类电磁诱导透明器件。

背景技术

超材料是指亚波长结构通过周期排列或非周期排列产生自然材料所没有的特性的一类材料统称。这类材料的特性依赖人工结构，而不依赖材料本身，也就是说相同的材料通过设计不同的人工结构，其特性也随之变化。超材料的概念最早在1968年，当时由Veselago提出的电单负(负介电常数或者负磁导率)以及电双负材料(同时具备负介电常数和负磁导率)，后来人们把这类材料都归类到超材料里。但在当时这些概念的提出由于没有试验验证的条件一直备受质疑，直到1999年J.B.Pendry提出人工磁导体，随后D.R.Smith等人通过开口谐振环证明了负介电常数材料的存在，这才开始了超材料的蓬勃发展。超材料具备自然材料所没有的特性如负折射效应，逆多普勒效应，负电(磁)导率，完美成像，完美吸波等，成为材料学的一个重要的分支，在电磁隐身、电磁传感器、电磁传感器等方面有潜在的应用。

液晶(Liquid Crystal,LC)是由液晶分子组成的液体形式的介电材料，其光学特性取决于液晶分子排列方式，通过外加电压、磁场或控制温度来改变液晶分子的取向，可获得特定方向上折射率超过10％的变化。此外，液晶可适用于从微波到太赫兹波、红外波及可见光的所有波段，因此，基于液晶可调谐的太赫兹超材料也得到了广泛的研究。由于液晶对电场和磁场很敏感，当液晶受到电场和磁场作用时，其介电常数会发生改变，致使超材料的折射率和透射率发生改变，从而实现具有可调谐性能的太赫兹超材料。文献(M.Maasch,M.Roig,C.Damm,et al.Voltage-tunable artificial gradient-index lens based on aliquid crystal loaded fishnet metamaterial.IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,2014,13:1581-1584)提出了一种电压可调的梯度指数渔网超材料。通过在传播方向上堆叠五层渔网单元，可以实现超过360°的相位调整，从而允许任意角度的波束扫描。而该超材料的最大调谐电压仅为20V，所提出的设计样品原型包括采用标准技术工艺制造的偏置方案，与传统透镜相比重量更轻。文献(Yin S,Liu Y J,Xiao D,etal.Liquid-crystal-based tunable plasmonic waveguide filters.J.Phys.DAppl.Phys.2018.51 23510)提出了一种基于液晶的可调谐等离激元波导滤波器，并对其滤波特性进行了数值研究。该滤波器由带有纳米腔的MIM波导结构组成。通过在纳米腔中填充液晶，通过控制液晶分子的取向来改变纳米腔的有效折射率，从而使滤波器可调。文献(Shen Z.,Zhou S.,Ge S.J.,Duan W.,Ma L.,Lu Y.,Hu W.Liquid crystal tunableterahertz lens with spin-selected focusing property[J].Optics Express,2019,27:8800)中提出了一款具有自旋选择聚焦特性的液晶可调THz透镜。该透镜是两个几何相位透镜的叠加，具有独立的中心和共轭相位轮廓；文献(Xu S.T.,Fan F.,Ji Y.Y.,ChengJ.R.,Chang S.J.Terahertz resonance switch induced by the polarizationconversion of liquid crystal in compound metasurface.Opt.Lett.,2019,44:2450-2453)通过实验证明了有源THz谐振开关，结果表明其在0.82THz处的消光比超过30dB。

石墨烯(Graphene)是一种新型的二维材料，其费米能级在不同的外加电压调控下会跟着变化，其电导率和介电常数也随之变化，是一种灵活的电调谐的二维材料。而且石墨烯的电导率和介电常数不随温度变化。

电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency，EIT)效应是指材料介质与电磁场相互作用过程中电磁场与原子能级系统之间的一种量子干涉效应。在透射谱的共振激发频率上，这种效应能使反射谱原本较小的地方出现较大的透射峰峰。近年来，液晶、超导、石墨烯和固态等离子体材料等可调谐的新材料被引入到超材料中，以实现EIT的可调谐的特性。与此同时还出现了石墨烯和其他材料组成的混合超材料EIT结构：如金属-石墨烯混合EIT结构、全介质-石墨烯EIT结构等设计。文献(Independently tunabledual-spectral electromagnetically induced transparency in a terahertz metal–graphene metamaterial[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2018，51(41)：415105)中设计的金属-石墨烯混合EIT结构。该结构以铝条形带为明谐振单元，两对不同尺寸的铝开口谐振环为暗模式谐振单元分别位于铝条形带两侧，两组分别连接不同金属电极的石墨烯铺于暗模式谐振单元底部。该EIT结构可以产生双透明峰现象，而且当分别调节石墨烯的费米能级时，两个透明峰的幅度可以动态调节，即实现了独立可调节双透明峰的EIT现象。文献(YANG L，FAN F，CHEN M，et al.Active terahertz metamaterials based onliquid-crystal induced transparency and absorption.Optics Communications，2017，382：42-48)实验研究了一种太赫兹有源液晶超材料对电磁波的调制现象。通过改变直流偏压，实验中观察到了可调谐EIT和电磁诱导吸收(EIA)现象。该LC器件可作为太赫兹可调谐滤波器，在强度调制器和空间光调制器等中有潜在的应用。

然而，结构简单的电双控的多波段的类电磁诱导透明器件依然是个挑战。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种工艺结构简单的能够电双控的超材料类电磁诱导透明器件，该器件具有大角度EIT特性，具有双电压控制的特性，同时还可作为传感器使用。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案，所述电双控的超材料类电磁诱导透明器件包括一个或多个单元结构，所述单元结构包括基底层，基底层正面涂覆有介质层，所述基底层和介质层的横截面为长方形形状，介质层上制作有2个或2个以上平行于长方形宽边的石墨烯条；所述石墨烯条均为长方形，长边不小于宽边；各石墨烯条宽度相同，为3-3.5μm，从右至左长度逐渐增加，相邻两个石墨烯条中左边的长度是右边长度的g倍，g的值为1.1-1.4；石墨烯条之间的间距为1-1.5μm并且不靠本单元结构的介质层的边沿。

具体的，所述基底层的厚度为1-3μm，所述介质层的厚度为0.5-3μm。所述基底层和介质层的长度为18-24μm，宽度为14-18μm。

具体的，所述介质层材料为包括聚酰亚胺在内的能够加工的介电常数不超过4的材料。所述石墨烯条为不超过4层的石墨烯。

具体的，所述基底层材料为液晶层，液晶层在外加电压控制后其介电常数变化范围为2.47-3.56，器件的类电磁诱导透明特性受液晶上加载的电压调谐。

当外加电磁波为横电波，从顶层的石墨烯条、介质层向基底层传输时，该单元结构会在一些特定频段产生透射特性。当选择外加电磁波的入射角从0到80度变化，该单元结构产生透射频段基本不变，但带宽会产生变化。

当改变石墨烯条上的外加电压，所得到的透射窗口会发生改变，即外加电压对类电磁诱导透明器件产生调谐作用。

当改变环境的介电常数，所得到的透射窗口会发生改变，本发明可根据此特性作为折射率传感器使用。

本发明的优点是：本发明是电双控的超材料类电磁诱导透明器件，即通过两路电压分别控制液晶和石墨烯的参数均可以独立的控制器件的传输特性，具体来说是通过外加电压控制液晶的介电常数和石墨烯的介电常数从而控制整个结构的传输频谱。本发明具有电双控、大角度、多波段类EIT特性，适用于可调谐器件制备。

附图说明

图1是本发明单元结构的正面视图。

图2是本发明单元结构的剖面图。

图3是本发明的结构产生电磁诱导透明的原理说明图。

图4是本发明中石墨烯条单独存在与整体结构的透射率对比图。

图5是实施例中4根石墨烯条长度比例变化对结构透射率的影响。

图6是实施例中第一石墨烯条的长度变化对整体结构透射率的影响。

图7是在实验中外加电压控制液晶介电常数对结构透射率的影响。

图8是在实验中外加电压控制石墨烯对结构透射率的影响。

图9是在实验中改变入射电磁波角度对结构透射率的影响。

图10是本发明的环境折射率变化对结构透射率的影响。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明的电双控的超材料类电磁诱导透明器件具有双电压可调谐特性，即加载在液晶上电压和加载在石墨烯条上的电压均能够同时调节本结构对电磁波的响应特性。主要由于本发明的结构中存在两种对电压敏感的材料：液晶和石墨烯材料，在实验过程中设置两个电压相互独立，就可以分别实现对该器件的调控作用，如图4，5所示。

如图1～2所示，本发明的单元结构包括基底层3，基底层3正面涂覆有介质层2，所述基底层3和介质层2的横截面为长方形形状，介质层2上制作有2个或2个以上平行于长方形宽边的石墨烯条1。石墨烯条1包括多个等宽不等长的平行结构，本发明的实施例中以包含4个石墨烯条1-1、1-2、1-3、1-4为例。

其中，基底层3和介质层2的长度l范围为18-24μm，宽h范围是14-18μm，基底层3的厚度t1为1-3μm，介质层2的厚度t2为0.5-3μm。

所述石墨烯条1均为长方形，长边不小于宽边；各石墨烯条1宽度w相同，为3-3.5μm，从右至左长度逐渐增加，相邻两个石墨烯条1中左边的长度是右边长度的g倍；石墨烯条1之间的间距s为1-1.5μm并且不靠本单元结构的介质层2的边沿。具体加工时，在制备好的基底层3和介质层2上制作上述石墨烯条，形成本发明所述单元结构。石墨烯条1与介质层2边沿不能紧挨，否则布局成阵列的时候，相邻单元的石墨烯条1将连为一体，破坏本发明的结构。从工艺角度考虑，石墨烯条1与介质层2边沿的距离可以做成石墨烯条之间间距的一半。

4个石墨烯条的长度从右至左分别为l1,l2,l3,l4，其中l4与l3，l3与l2，l2与l1为等比关系，等比系数g为1.1-1.4。实施例中选择l1不小于宽度w，g为1.4。只要最长的石墨烯条依然小于介质层宽度且不靠边就可以。上述材料的厚度和长宽尺寸的变化会引起一定范围的频移。

所述基底层3的优选材料为液晶，液晶层在外加电压控制后其介电常数变化范围为2.47-3.56。介质层2的优选材料为聚酰亚胺，也可以用其它能够加工的介电常数不超过4的材料。石墨烯条1的优选材料为单层石墨烯，根据加工工艺，双层或者少层(不大于四层)的石墨烯也能产生类似的结果，因此也在本发明的保护范围之内。

图1，2所示的结构，当选择外加电磁波为横电波TE，从顶层的石墨烯条1、介质层2向基底层3大角度传输时，该单元结构会在特定频点产生透射效果，实现EIT特性。

为进一步说明该结构产生EIT现象的物理机制，通过图3进行说明，图3中显示了电磁场分布情况。图3中(b)图显示的是本发明的结构中顶层的石墨烯条只有第一石墨烯条1-1、只有第二石墨烯条1-2和同时有第一石墨烯条1-1、第二石墨烯条1-2，3种情况下的透射率对比。图3(a)显示的是只有第二石墨烯条1-2时的透射谷值7.94THz处的磁场分布，即在该频点处存在磁谐振。图3(c)显示的是只有第一石墨烯条1-1时的透射谷值9.93THz处的电场分布，即在该频点处存在电谐振。图3(d)显示的是EIT透射曲线上7.69THz处的电场分布，从该电场分布图中可以看出能量主要聚集在第二石墨烯条1-2上。图3(f)显示的是高频段透射谷点在频点9.92THz处的电场分布，此时，能量主要集中在第一石墨烯条1-1上，而在图3(e)处的8.25THz处的透明点处，电场分布较弱，此时产生了EIT效应。根据现有文献报道，此时第一石墨烯条1-1和第二石墨烯条1-2都可看作明模，相互耦合产生了EIT窗口。

图4的(a)部分显示的是4个石墨烯条分别单独存在时的透射频谱，可以发现，每个石墨烯条都可以产生谐振，由于石墨烯条的尺寸不同导致了透射率会产生一定范围的频偏；当石墨烯条长度增加，谐振频点会产生红移。图4的(b)部分显示的是4个石墨烯条同时存在时的透射频谱，多个石墨烯条之间相互耦合产生多波段的EIT现象。

图5显示的是石墨烯条间比例系数g不同时的透射图谱，如果g为1，由于各石墨烯条尺寸相同，产生谐振频点也相同，因此无EIT效应产生。当g为1.1时，各石墨烯条长度不一，此时，石墨烯条间相互产生耦合，但由于长度差距较小，相互间耦合能力较弱，产生的EIT窗口较弱，随着g的增加，EIT窗口更加明显，同时也产生了一定的红移现象。

图6显示的是第一石墨烯条1-1的长度l1的变化对透射率的影响。增加l1，透射谱产生了明显的红移现象。这主要是因为，l1的增加，谐振点会产生红移，这一结果可以从图4的(a)部分中明显观察到。因此在加工时可根据频点需要，选择合适的石墨烯条长度。另外，根据电磁波理论，将结构尺寸缩放可以至微波段。

由于顶层的石墨烯材料的电导率对受电压调节，因此当加载在石墨烯条1上的电压发生变化时，相应的谐振频点也随之变化，因此可以调节透射频谱，如图7所示。底层的液晶层也具有类似的情况，当加载在液晶上的电压较低时，此时液晶介电常数为2.47，当电压值增加，介电常数也随之增加，在本发明中电压增加到特定值时，液晶介电常数增加至3.56，相应的，结构的透射频谱也随之变化，如图8所示。因此，本结构具有电双控特性，同时，在研究的频段范围内，中频和高频段的谐振频点Q值大，因此在传感领域有潜在的应用价值，如图10所示。

为进一步说明本发明特点，以下对本发明的实施例进行一些实验。实验中所采用的单元结构的参数如下：基底层3材料为液晶，厚度为1.6μm，介质层2的厚度为1μm。基底层3和介质层2的长度是18μm，宽度是15μm。介质层2材料为聚酰亚胺。石墨烯条1采用单层石墨烯。石墨烯条宽度为3μm，第一石墨烯条1-1的长为4.40μm，第二石墨烯条1-2的长为6.16μm，第三石墨烯条1-3的长为8.62μm，第四石墨烯条1-4的长为12.07μm，相邻两个石墨烯条的间距为1.5μm。

实验1

如图7所示，入射电磁波选择横电波，垂直入射时，外加电压使石墨烯的化学势在0.1eV，改变加载在液晶上的电压，使液晶的介电常数分别为2.47,2.74,3.02,3.29,3.56时，透射谱会产生一定范围的红移现象，这是由于改变加载在液晶上电压可直接改变液晶层的介电常数，从而导致了红移现象的产生。

如图8所示，入射电磁波选择横电波，加载在液晶上的电压使得液晶层介电常数为2.47时，改变外加电压使得石墨烯的化学电位势μc分别为0.1至0.8eV增加时，该结构的透射频谱产生变化。当电压增加，谐振频点产生明显的蓝移，而且高频段的谐振频点透射率随之减小。

因此综合图7和8能够发现，外加电压能够分别对液晶和石墨烯的介电常数产生影响，进而对结构的透射率产生控制作用，即本发明具有电双控的EIT特性。

实验2

如图9所示，在入射电磁波选择横电波入射的条件下，当改变电磁波的入射角从0至80度变化时，该结构的低频段谐振频点几乎无变化，高频段谐振频点产生一定范围的红移现象，同时谐振频点处的Q值明显降低。

实验3

如图10所示，常温下，加载在石墨烯条上的电压使得μc为0.1eV，加载在液晶上电压使得液晶介电常数为2.47时，将本发明分别放在背景环境介电常数B为1，1.5，2，2.5和3的环境中通过检测得到：

当选择背景环境介电常数为1的环境中时，谐振频点分别为4.57，6.24，8.22，10.64THz；

当选择背景环境介电常数为1.5的环境中时，谐振频点分别为4.22，5.46，7.57，9.68THz；

当选择背景环境介电常数为2的环境中时，谐振频点分别为4.00，7.28，7.09，9.04THz；

当选背景环境介电常数为2.5的环境中时，谐振频点分别为3.66，4.99，6.42，8.11THz；

当选择背景环境介电常数为3的环境中时，谐振频点分别为3.58，4.78，6.30，8.02THz。

因此，可以通过改变本发明的背景环境参数，控制谐振频点的位置，实现电双控传感特性，该特性可用于环境(包括液态环境，如水，油等)检测。

综上可以看到，本发明能产生电双控的EIT现象，由于谐振频点的高Q值，可以作为电压传感器使用；同时，该结构对电磁波入射角敏感，可以作为角度传感器使用；该结构具有折射率传感特性，因此还可作为透射型传感器使用。本发明调谐方便，结构简单，非常适合微型化器件制备。