集成二维太赫兹超材料频谱调制器及其制备方法与流程

本发明涉及太赫兹频谱调制器技术领域，具体涉及一种高集成、高调制频率、更大调制范围和更深调制深度的太赫兹频谱调制器及其制备方法。

背景技术：

随着互联网技术,计算机技术,电子技术及高清视频业务的发展,人们对高速无线通讯传输的带宽需求越来越强烈,迫使人们研究以更高的传输频段进行信息的传输,以提高通信的带宽和传输速率,各大研究机构和通信业巨头都在争相展开角逐,并且在太赫兹通信的器件研究方面积累了丰富的经验,就目前的研究成果来看,太赫兹通信的关键器件的频谱调制性能、信道建模、系统集成性等仍需要从理论和技术上突破。

应用于超宽带太赫兹通信系统的可集成频谱调制器是当今通信与电子领域的前沿研究方向,具有巨大的应用需求和研究意义。部分2d材料具有超高的电子迁移率和反常量子霍尔效应,因此具有很强的可调谐性,可与太赫兹超材料器件集成实现频谱可调通信器件。目前研究的超材料都是静态的周期单元结构，其工作频谱区间主要由材料和几何参数决定，无法实现频谱的可重构特性，很难实现通信系统中所需要的高响应速率动态调制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于2d超材料的、高集成的，具有更高调制频率、更大调制范围、更深调制深度的太赫兹频谱调制器及其制备方法，以解决上述背景技术中存在的太赫兹通信的关键器件的频谱调制性能、信道建模、系统集成性等无法满足现代通信技术发展需求的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

一方面，本发明提供一种集成二维太赫兹超材料频谱调制器，该调制器包括依次设置的金属电极层、衬底、金属阵列超材料结构层以及二维材料层，所述金属阵列超材料结构层包括绝缘介质以及镶嵌于所述绝缘介质中的金属阵列结构层；所述金属阵列结构层由若干个金属结构阵列排列组成。

优选的，所述金属阵列结构层为亚波长阵列单元结构。

优选的，所述二维材料层由石墨烯、二硫化钼、氮化硼、硅烯、mofs或二硒化钼中的一种制成。

进一步的，所述绝缘介质中镶嵌有多层所述金属阵列结构层。

进一步的，所述相邻两层金属阵列结构层间的距离为5-100μm。

进一步的，所述金属结构的厚度为0.1-20μm。

优选的，所述衬底由二氧化硅、氮化硅、聚对二甲苯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷中的一种制成。

优选的，所述绝缘介质由二氧化硅、氮化硅、聚对二甲苯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷中的一种制成。

另一方面，本发明提供一种集成二维太赫兹超材料频谱调制器的制备方法，该方法包括如下流程步骤：

步骤s110：以双抛硅片或聚合物作为支撑衬底；

步骤s120：通过热氧化或淀积的方法，在所述衬底表面生成一层绝缘介质；

步骤s130：清洗由衬底和绝缘介质组成的基片后，在绝缘介质表面涂抹一层光刻胶，在光刻胶上曝光形成多个金属结构曝光图形，并通过显影去除曝光图形的光刻胶得到阵列金属结构图形；

步骤s140：将以光刻胶做掩模的绝缘介质层按照金属结构图形进行刻蚀，形成阵列金属结构浅槽；

步骤s150：在所述金属结构浅槽内溅射或电镀金属结构，形成金属阵列结构层；

步骤s160：用光刻胶溶解液剥离去除绝缘介质层表面及金属结构表面的光刻胶；

步骤s170：在所述绝缘介质及金属结构上表面通过淀积的方法覆盖一层绝缘介质，两层绝缘介质和金属阵列结构层形成镶嵌式金属阵列超材料结构层；

步骤s180：在衬底的背面溅射一层金属层作为金属电极层；

步骤s190：在金属阵列超材料结构层的表面通过水转移法生成一层石墨烯二维材料层，制得所述集成二维太赫兹超材料频谱调制器。

进一步的，所述步骤s190具体包括：

将ttg用滴管使其全部湿润，将整个石墨烯层平整浸在清水中放置两个小时以上；用镊子夹住由金属电极层、衬底、金属阵列超材料结构层形成的结构去捞取石墨烯层，使石墨烯层平整覆盖在金属结构层的表面，竖直放置使水完全流出，后晾干，再烘干；烘干后浸入丙酮中，丙酮液面要完全浸没石墨烯上表面，之后转移至新的丙酮液中再次浸泡除去聚甲基丙烯酸甲酯；放入烘干箱中进行烘干干一定时间后得到所述集成二维太赫兹超材料频谱调制器。

本发明有益效果：二维材料层作为顶层电极调制层，具有超高的电子迁移率和反常量子霍尔效应，在外部偏置电压下，使整个调制器的调制深度有明显的提高；借助二维材料的电子迁移率和反常量子霍尔效应，在外加调制电压下改变调制器的调制深度，在较低的调制电压(0-20v)下获得更加优异的调制特性,在太赫兹波范围内，可对0.1-1.2thz的波段进行调制，调制范围更大，调制深度更好，在0.56thz时，调制深度最好，可以达到58.9％。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一所述的集成二维超材料频谱调制器纵向结构剖面图。

图2为本发明实施例一所述的集成二维超材料频谱调制器横向结构剖面图。

图3为本发明实施例一所述的集成二维超材料频谱调制器横向结构剖面图。

图4为本发明实施例一所述的集成二维超材料频谱调制器横向结构剖面图。

图5为本发明实施例二所述的集成二维超材料频谱调制器纵向结构剖面图。

图6为本发明实施例二所述的集成二维超材料频谱调制器横向结构剖面图。

图7为本发明实施例三所述的集成二维超材料频谱调制器纵向结构剖面图。

图8为本发明实施例三所述的集成二维超材料频谱调制器横向结构剖面图。

图9为本发明实施例四所述的集成二维超材料频谱调制器纵向结构剖面图。

图10为本发明实施例五所述的集成二维超材料频谱调制器的制备方法流程图。

图11为本发明实施例五所述的利用微电子工艺制作集成二维超材料的频谱调制器的方法流程图。

图12为本发明实施例五中在不同调制电压下的太赫兹调制频域变化图。

图13为本发明实施例五中在不同调制电压下的太赫兹调制时域变化图。

其中：1-金属电极层；2-衬底；3-金属阵列超材料结构层；4-二维超材料层；5-绝缘介质；6-金属阵列结构层；7-金属结构；8-基片；9-光刻胶。

具体实施方式

下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。应该理解，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接，使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。

实施例一

如图1所示，本发明实施例提供了一种集成二维超材料频谱调制器，该调制器包括依次设置的金属电极层1、衬底2、金属阵列超材料结构层3以及二维超材料层4，所述金属阵列超材料结构层3包括绝缘介质5以及镶嵌于所述绝缘介质5中的金属阵列结构层6；所述金属阵列结构层6由若干个金属结构7阵列排列组成。

在本发明的具体实施例一中，所述金属阵列结构层6为亚波长阵列单元结构。亚波长金属结构是指其结构尺寸远远小于波长的金属结构，具有奇特的电磁谐振性质，诸如负折射、异常透射、突破衍射极限以及介电环境敏感等特性。通过亚波长金属结构可增强共振特性。

在本发明的具体实施例一中，所述二维材料层由石墨烯薄膜制成，石墨烯薄膜具有导电性，通过石墨烯薄膜和金属电极层可为该调制器施加可调制外加电压。

在实际应用中，上述二维材料层并不受上述石墨烯薄膜的限制，本领域技术人员可根据实际情况具体选择二维材料层的制作材料，例如本领域技术人员还可以选择二硫化钼、氮化硼、硅烯、mofs或二硒化钼中的一种作为二维材料层。

如图2所示，在本发明的具体实施例一中，所述金属阵列超材料结构层3包括一层镶嵌在所述绝缘介质中的所述金属阵列结构层6。该金属阵列结构层6由若干个金属结构7阵列排列而成，该金属结构7的厚度为0.1μm，该金属结构为正方田字形，该田字形金属结构由铜制成，该由铜制成的田字形金属结构的铜片的宽度不小于7nm，其宽度的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置，该田字形金属结构的外边长下限不小于7nm，其外边长的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置。

如图3所示，本发明的具体实施例一中，在上述田字形金属结构的每一个“口”字部分均设有一开口，同一侧的两个“口”字部分的开口方向相同，该田字形金属结构由铜制成，该由铜制成的田字形金属结构的铜片的宽度不小于1μm，其宽度的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置，该田字形金属结构的外边长下限不小于7nm，其外边长的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置。

如图4所示，本发明的具体实施例一中，上述田字形金属结构还可设置为：相邻的“口”字部分均设有一开口，该田字形金属结构由铜制成，该由铜制成的田字形金属结构的铜片的宽度不小于7nm，其宽度的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置，该田字形金属结构的外边长下限不小于7nm，其外边长的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置。

在实际应用中，上述田字形金属结构的制作材料并不受上述铜材料的限制，本领域技术人员可根据具体情况选择导电性能的金属材料来制作上述金属结构，例如，该金属结构的制作材料还可以选择金、银、铂或铝。

在本发明的具体实施例一中，所述衬底由二氧化硅制成，二氧化硅具有良好的绝缘性。

在实际应用中，上述衬底的制作材料并不受上述二氧化硅材料的限制，本领域技术人员可根据具体情况选择其他绝缘性的材料来制作衬底，例如，本领域技术人员还可选择氮化硅，也可选择聚对二甲苯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷等柔性绝缘介质材料。

在本发明的具体实施例一中，上述金属阵列超材料结构层3中的绝缘介质由二氧化硅制成，二氧化硅具有良好的绝缘性，可防止金属阵列结构层中的阵列金属结构间发生电子转移。

在实际应用中，上述绝缘介质的制作材料并不受上述二氧化硅材料的限制，本领域技术人员可根据具体情况选择其他绝缘性的材料来制作绝缘介质，例如，本领域技术人员还可选择氮化硅，也可选择聚对二甲苯、聚甲基丙烯酸甲酯或聚二甲基硅氧烷等柔性绝缘介质材料。

实施例二

本发明实施例二提供的一种集成二维超材料频谱调制器，该调制器包括依次设置的金属电极层、衬底、金属阵列超材料结构层以及二维材料层，所述金属阵列超材料结构层包括绝缘介质以及镶嵌于所述绝缘介质中的金属阵列结构层；所述金属阵列结构层由若干个金属结构阵列排列组成。

在本发明的具体实施例二中，所述二维材料层由石墨烯薄膜制成，石墨烯薄膜具有导电性，通过石墨烯薄膜和金属电极层可为该调制器施加可调制外加电压。

在实际应用中，上述二维材料层并不受上述石墨烯薄膜的限制，本领域技术人员可根据实际情况具体选择二维材料层的制作材料，例如本领域技术人员还可以选择二硫化钼、氮化硼、硅烯、mofs或二硒化钼中的一种作为二维超材料层。

如图5所示，在本发明的具体实施例二中，与实施例一不同的是，所述金属阵列超材料结构层3包括两层镶嵌在所述绝缘介质中的所述金属阵列结构层6。该两层金属阵列结构层6之间的距离为5μm，所述的金属阵列结构层6由若干个金属结构7阵列排列而成，该金属结构7的厚度为20μm。

在实际应用中，上述两层金属阵列结构层6之间的距离并不受上述距离的限制，本领域技术人员可根据具体情况选择两层金属阵列结构层之间的距离，两层金属阵列结构层6之间的距离不同，则调制频谱和调制深度不同。

如图6所示，该金属结构7为正方工字形，该工字形金属结构由铜制成，该由铜制成的工字形金属结构的铜片的宽度不小于7nm，其宽度的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置，该田字形金属结构的外边长下限不小于7nm，其外边长的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置。

在本发明实施例二中，上述金属结构还可设置为实施例一中所述的没有开口的田字形金属结构或设有开口的田字形结构中的一种。

实施例三

本发明实施例三提供的一种集成二维超材料频谱调制器，该调制器包括依次设置的金属电极层、衬底、金属阵列超材料结构层3以及二维材料层，所述金属阵列超材料结构层包括绝缘介质以及镶嵌于所述绝缘介质中的金属阵列结构层；所述金属阵列结构层由若干个金属结构阵列排列组成。

在本发明的具体实施例三中，所述二维材料层由石墨烯薄膜制成，石墨烯薄膜具有导电性，通过石墨烯薄膜和金属电极层可为该调制器施加可调制外加电压。

在实际应用中，上述二维材料层并不受上述石墨烯薄膜的限制，本领域技术人员可根据实际情况具体选择二维材料层的制作材料，例如本领域技术人员还可以选择二硫化钼、氮化硼、硅烯、mofs或二硒化钼中的一种作为二维超材料层。

如图7所示，在本发明的具体实施例三中，与实施例二不同的是，所述金属阵列超材料结构层包括三层镶嵌在所述绝缘介质中的所述金属阵列结构层。该三层金属阵列结构层相邻两层之间的距离为100μm，所述的金属阵列结构层由若干个金属结构阵列排列而成，该金属结构的厚度为20μm。

如图8所示，该金属结构为正方ⅱ字形，该ⅱ字形金属结构由铜制成，该由铜制成的ⅱ字形金属结构的铜片的宽度下限不小于7nm，其宽度的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置，该ⅱ字形金属结构的外边长下限不小于7nm，其外边长的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置。

在实际应用中，上述ⅱ字形金属结构的制作材料并不受上述铜材料的限制，本领域技术人员可根据具体情况选择导电性能的金属材料来制作上述金属结构，例如，该金属结构的制作材料还可以选择金、银、铂或铝。

在本发明实施例三中，上述金属结构还可设置为实施例一中所述的没有开口的田字形金属结构或设有开口的田字形结构中的一种，也可设置为实施例二中的正方工字形。

实施例四

本发明实施例四提供的一种集成二维超材料频谱调制器，该调制器包括依次设置的金属电极层、衬底、金属阵列超材料结构层以及二维材料层，所述金属阵列超材料结构层包括绝缘介质以及镶嵌于所述绝缘介质中的金属阵列结构层；所述金属阵列结构层由若干个金属结构阵列排列组成。

在本发明的具体实施例四中，所述二维材料层由石墨烯薄膜制成，石墨烯薄膜具有导电性，通过石墨烯薄膜和金属电极层可为该调制器施加可调制外加电压。

在实际应用中，上述二维材料层并不受上述石墨烯薄膜的限制，本领域技术人员可根据实际情况具体选择二维材料层的制作材料，例如本领域技术人员还可以选择二硫化钼、氮化硼、硅烯、mofs或二硒化钼中的一种作为二维材料层。

如图9所示，在本发明的具体实施例四中，与实施例三不同的是，所述金属结构层包括四层镶嵌在所述绝缘介质中的所述金属阵列结构层。该四层金属阵列结构层相邻两层之间的距离为50μm，所述的金属阵列结构层由若干个金属结构阵列排列而成，该金属结构的厚度为5μm。

在本发明实施例四中，上述金属结构可设置为实施例一中所述的没有开口的田字形金属结构或设有开口的田字形结构中的一种，也可设置为实施例二中的正方工字形，还可设置为实施例三中的正方ⅱ字形，该金属结构由铜制成，该由铜制成的金属结构的铜片的宽度下限不小于7nm，其宽度的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置，该田字形金属结构的外边长下限不小于7nm，其外边长的上限本领域技术人员可根据实际情况具体设置。

在实际应用中，上述金属结构的制作材料并不受上述铜材料的限制，本领域技术人员可根据具体情况选择导电性能的金属材料来制作上述金属结构，例如，该金属结构的制作材料还可以选择金、银、铂或铝。

实施例五

如图10所示，本发明实施例五提供一种集成二维超材料的频谱调制器的制作方法，该方法包括如下流程步骤：

步骤s110：以双抛硅片或聚合物作为支撑衬底2；

步骤s120：通过热氧化或淀积的方法，在所述衬底表面生成一层绝缘介质5；

步骤s130：清洗由衬底2和绝缘介质5组成的基片8后，在绝缘介质5表面涂抹一层光刻胶9，在光刻胶9上曝光形成多个金属结构曝光图形，并通过显影去除曝光图形的光刻胶得到阵列金属结构图形；

步骤s140：将以光刻胶做掩模的绝缘介质层按照金属结构图形进行刻蚀，形成阵列金属结构浅槽；

步骤s150：在所述金属结构浅槽内溅射或电镀金属结构7，形成金属阵列结构层6；

步骤s160：用光刻胶溶解液剥离去除绝缘介质层表面及金属结构表面的光刻胶；

步骤s170：在所述绝缘介质及金属结构上表面通过淀积的方法覆盖一层绝缘介质5，两层绝缘介质5和金属阵列结构层6形成金属阵列超材料结构层3；

步骤s180：在衬底2的背面溅射一层金属层作为金属电极层1；

步骤s190：在金属阵列超材料结构层3的表面通过水转移法生成一层石墨烯二维材料层，制得所述集成二维太赫兹超材料频谱调制器。

如图11所示，在本发明的具体实施例五中，通过微电子工艺在基底上集成上述调制器，具体流程如下：

(1)备片：制备衬底，si，p，4寸i，395-405μm，电阻率1000ω*cm，以双抛片作为支撑衬底也可以用聚合物衬底，如parylene,pdms，聚酰亚胺和透光性优良的聚合物材料。制得的衬底2结构如图11(a)所示。

(2)氧化：通过热氧化或淀积的方法，在衬底表面生成厚度在10nm-200μm的二氧化硅介质层(介质层也可以采用si3n4,或者用柔合物和材料制成，如parylene、pmma、pdms等。)如图11(b)所示，为衬底2上形成的二氧化硅绝缘介质层后形成的基片8的结构。

(3)光刻：如图11(c)，经过常规清洗之后在基片8(衬底和二氧化硅介质层组成基片)上涂抹一层光刻胶9，在光刻胶上光刻显影形成阵列的金属结构的图形(正方田字形、工字形、ⅱ字形或其他图形)，并通过去除曝光区域的光刻胶9得到阵列的金属结构的图案。

(4)腐蚀：如图11(d)，将二氧化硅介质层按照金属结构的图案进行浅槽刻蚀，形成0.3μm深的浅槽图案(其深度范围可根据金属结构的厚度在0.1-20μm进行设置)，可降低金属和介质层之间的空隙，并提高剥离工艺的可靠性。

(5)溅射：如图11(e)，在浅槽内溅射图形化的金属结构(溅射ti/au：)。金属材料亦可以为金、银、铂、铜。

(6)剥离：如图11(f)，用丙酮等可溶解光刻胶的溶液,将顶层的光刻胶进行剥离去除，同时被溅射在光刻胶上的金属层也会被带走，这样就得到了图形化的金属结构。

(7)淀积：如图11(g)，通过淀积的方法在金属结构上方覆盖一层二氧化硅介质(也可选用氮化硅、柔性聚合物材料parylene、聚酰亚胺、pmma、pdms)，厚度为10-100微米，进行封装。(如果制作的是多层结构的调制器，我们可以重复(3)-(6)的制作步骤，根据制作层数的多少来进行多次重复，最后再通过淀积的方法进行封装。

(8)溅射：如图11(h)，通过以上步骤，可制作出单层或多层的超材料太赫兹滤波器，为了达到调制的作用，在衬底的背面再次进行金属溅射，形成金属电极层。(ti/cu,)。厚度范围最后进行划片。

(9)转移：如图11(i)，最后在上表面再转移一层石墨烯，作为二维材料层。这样可以在超材料上下加上外置电压进行调制。(石墨烯的生长方法包括一步转移法(ttg)和氧化还原转移法，由于石墨烯易污染，所以在转移的过程中要在无尘无菌的环境下进行)。

在本发明具体实施例五中，我们采用ttg释放的方法进行转移，具体转移的过程为：

将ttg用滴管使其全部湿润，将整个石墨烯层浸在清水中，这个过程不要使石墨烯卷曲，让其慢慢湿润，将ttg释放到水中之后保留至少两个小时以上。

用镊子夹住超材料结构去捞取石墨烯，在这个过程中要一边捞取一边将水滴在石墨烯上，利用水滴的流动平滑石墨烯，转移后将整个结构竖立1-2分钟使水完全滴出，经过30分钟的晾干，再在100度下进行烘干。

将整个结构浸入50度的丙酮中，丙酮液面要完全浸没石墨烯上表面，5分钟之后转移至新的丙酮液中再次浸泡30分钟除去pmma。

最后将整个结构放入烤箱中进行干燥，温度不要超过50度，风力不要过大，10分钟之后就得到了石墨烯转移后的二维超材料调制器。

将由上述方法制成的石墨烯太赫兹调制器置于太赫兹时域分析系统下进行测试，让太赫兹波垂直入射调制器。

在不加石墨烯和外置电压的情况下得到的数据进行处理并和仿真数据进行对比，可以验证测试结果和仿真结果基本吻合，验证了仿真的正确性。但是发现通过改变金属结构的尺寸对调制深度的影响并不明显，更多的是影响滤波的频段。之后再将加石墨烯层和外置电压的超材料进行测试，在不同的调制电压下，所得的数据进行处理对比可以分别得到在不同的调制电压下通过调制器的太赫兹波时域和频域的变化图如图12、13所示，根据调制深度计算公式η＝|i(v)-i0|i0,可以计算得到调制器的调制深度，由图12可以看出，在0.56thz时，调制深度最好，可以达到58.9％。综上可以证明本发明对太赫兹滤波有调制作用，可作为良好的太赫兹波调制器。

本领域普通技术人员可以理解：本发明实施例中的装置中的部件可以按照实施例的描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。