CN103984125B - 基于石墨烯的电控太赫兹衰减片、制备方法及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的电控太赫兹衰减片、制备方法及使用方法，该衰减片包括基底，基底上逐层铺设有至少两层石墨烯层，每两层相邻的石墨烯层之间铺有一层介质层，所述介质层将该两层石墨烯层分隔开。本发明为多层结构，可通过石墨烯的不同层数改变器件衰减度的调控范围，理论上实现了极高的衰减程度。通过电压对衰减片的衰减度进行调控，可控制衰减度参数，使得衰减片产品的应用精确度更高，更加灵活。

Description

基于石墨烯的电控太赫兹衰减片、制备方法及使用方法

技术领域

本发明属于太赫兹波段器件技术领域，具体是一种基于石墨烯的电控太赫兹衰减片、制备方法及调节方法。

背景技术

衰减片能够利用物质对光波的吸收特性，将其放在光路中可将光强衰减从而达到控制输入光强的作用。光通过衰减片后的能力与衰减片的材料种类有关，也与材料的厚度等参数有关。目前，光学波段的衰减片主要是利用厚度线性渐变的金属膜层，从而达到机械可调，而电调的衰减片比较少见。另一方面，当一束光不是单色光而是含有不同波长的多色光时，通常我们希望光通过这种衰减片后，不同波长均按同一比例衰减，也就是要达到宽波段工作的效果。

近几年，太赫兹技术在宽带通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文、无损检测、医学成像、安全检查等领域展现出广阔的应用前景。从其定义上讲，太赫兹(Terahertz，简称THz)是电磁波的一个频率单位，1太赫兹等于10¹²赫兹。通常我们把0.3THz～10THz(0.03mm到1mm)的电磁波成为太赫兹波。太赫兹波有较高的空间分辨率(高频率)和时间分辨率(皮秒脉冲)，能量较小不会破坏物质，而且一些生物大分子的振动、转动共振能级正好在太赫兹波段，这些特性奠定了太赫兹作为未来光谱和成像应用的基础。80年代之前，受到太赫兹波产生源和探测器的限制，涉及这一波段的研究和应用非常少。随着新技术(超快技术)、新材料的发展，太赫兹 技术得到迅速发展。目前，太赫兹技术的研究以及应用开发正成为光学领域研究的热点。然而，高性能的新型太赫兹器件(例如发射源，探测器，调制器，分束器，色散光学元件，衰减片等)仍然亟待设计，以提高太赫兹技术的应用效率。

目前，衰减片作为光学波段非常重要的器件，其主要功能是对强光束进行必要的、特定比例的控制。然而在太赫兹技术领域，一个难题是高强度的太赫兹波源的获得，这使得太赫兹衰减片在目前尚未获得较多应用与足够的重视。但是，随着近几年太赫兹技术的迅速发展，特别是太赫兹激光器的发展，太赫兹衰减片元件会有更广泛的需求。

制作高性能可调谐太赫兹衰减片的材料需要满足以下一些条件：第一，材料的电导率必须对太赫兹波灵敏响应，这样，通过改变器件参数(例如厚度，层数)我们才能获得不同的衰减程度。特别是对于高衰减度的要求，只有材料的太赫兹电导率足够大，才能在保证衰减片的厚度很薄的情况下实现。第二，必须在宽的太赫兹波段范围内有较一致的电导率。这是因为很多太赫兹波段的应用中，太赫兹信号是宽波段的，例如太赫兹时域光谱系统，这就要求太赫兹衰减片最好能够工作在更宽的太赫兹波段。第三，制作衰减片的材料应当具备可调的电导率。因为这时衰减元件的衰减度将可调控，将扩大一个器件的应用范围以及效率。特别是通过电控的衰减片，将有利于与现行的太赫兹系统更好的结合起来。第四，这个材料必须热学、化学性质稳定，不随温度变化，难以被多种化学物质腐蚀(如常用化学试剂等)是保证防反射膜长期免维护的条件；最后，力学性质良好，在保证强度的同时能够有柔韧性。目前，现有的传统金属以及氧化物半导体材料 等，尚不足以完全实现上述要求。

作为一种新兴的二维碳纳米材料，石墨烯具有良好的力学强度与柔韧性、高的导热系数、稳定的化学性质，以及优异、独特的光电性能。在光电性质方面，由于石墨烯独特的线性狄拉克锥形色散关系，其具备高的载流子迁移率，独特的双极电场效应。双极电场效应是指石墨烯中的载流子浓度和费米能级可以在栅极电压的作用下发生改变，从而改变石墨烯的太赫兹波段的电导率。在太赫兹波段，石墨烯的电导率服从德鲁德(Drude)模型。研究表明在太赫兹频段，石墨烯的光电导色散性很小，几乎不随频率的变化而变化。因此就光电特性而言，石墨烯具有宽波段稳定、栅压可调的太赫兹电导率。

以上介绍了衰减片的原理及应用现状，太赫兹波的元件应用现状，太赫兹衰减片对材料的要求，以及石墨烯的特性。可以看出，目前有效的太赫兹波段衰减片还很欠缺，已有的方法和材料不同程度的面临了工作频段窄、稳定性差、不可调谐等缺陷。而石墨烯材料具备良好的力、热、光电特性，特别是具备宽波段与可调谐的潜质，因此可用于太赫兹波段可调谐的衰减片的制备。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的一个目的在于，提供一种基于石墨烯的电控太赫兹衰减片。

所述基于石墨烯的电控太赫兹衰减片包括基底，基底上逐层铺设有至少两层石墨烯层，每两层相邻的石墨烯层之间铺有一层介质层，所述介质层将该两层石墨烯层分隔开。

进一步的，根据不同使用情况，所述石墨烯层与基底的位置关系：(1)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的正面；(2)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的反面；(3)对于反射太赫兹波，石墨烯层位于基底的正面；规定光入射方向首先到达的面为基底的正面。

进一步的，所述石墨烯层为2～6层。

进一步的，所述衰减片的消光度的计算公式如下：

$X=1-{|t\·t_{\mathrm{sa}}\·\frac{h_{\mathrm{sub}}(\mathrm{\ω},d_{\mathrm{sub}})}{h_{\mathrm{air}}(\mathrm{\ω},d_{\mathrm{sub}})}\·\frac{1}{1-r\·r_{\mathrm{sa}}{h_{\mathrm{sub}}}^2(\mathrm{\ω},d_{\mathrm{sub}})}|}^2;$

式中，介质与空气界面的透射系数t_sa＝2n_sub/(n_sub+n_air)，介质与空气界面的反射系数r_sa＝(n_sub-n_air)/(n_sub+n_air)，h_sub(ω,d_sub)＝exp(-iωd_subn_sub/c)为折射率为n_sub、厚度为d_sub的基底中的太赫兹波传输因子，h_air(ω,d_sub)＝exp(-iωd_subn_air/c)为折射率为n_air、厚度为d_sub的空气中的太赫兹波传输因子；ω是角频率，c是光速；t和r分别是衰减片的透射、反射系数，分别由以下式子确定：

t＝4n₁n₃/{[(_Y1+Y₂)n₃+(Y₁-Y₂)(n₂+Z₀σ)](n₁+n₃+Z₀σ)exp(ik₃d)

-[(Y₃+Y₄)n₃+(Y₃-Y₄)(n₂+Z₀σ)](n₃-n₁-Z₀σ)exp(-ik₃d)}；

$\left(\begin{array}{cc}{Y}_1& Y_2\\ Y_3& Y_4\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cc}(1+\frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3})\exp \left({\mathrm{ik}}_{3}d\right)& \frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3}\exp (-{\mathrm{ik}}_{3}d)\\ -\frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3}\exp \left({\mathrm{ik}}_{3}d\right)& (1-\frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3})\exp (-{\mathrm{ik}}_{3}d)\end{array}\right)}^{N-2};$

r＝1-t；

式中，i代表虚部符号，N≥2是衰减片中石墨烯层的层数；n₁和n₂分别是N层石墨烯两边的介质折射率；Z₀是真空阻抗，n₃和d是石墨烯之间间隔介质层的折射率和厚度，k₃＝ωn₃/c是其中的波矢；σ是每个单层石墨 烯的太赫兹薄层电导，由下式计算得到：

|N_c|＝7.5×10¹⁰·|V_g-V_CNP|cm^-2V^-1；

式中，ω是角频率，v_F是石墨烯中载流子的费米速度；e和分别是元电荷、普朗克常数；Γ和N_c分别是石墨烯中的载流子散射率和载流子浓度；V_g是实际加的电压，V_CNP是指达到石墨烯样品电中性点的电压，V_g-V_CNP为所加栅压。

进一步的，所述石墨烯层数根据所需要的衰减片消光度的可调范围进行确定：2层石墨烯衰减片的消光度在0.14～0.65范围连续可调，3层石墨烯衰减片的消光度在0.19～0.76范围连续可调，4层石墨烯衰减片的消光度在0.25～0.82范围连续可调，5层石墨烯衰减片的消光度在0.30～0.86范围连续可调，6层石墨烯衰减片的消光度在0.34～0.90范围连续可调。

进一步的，所述石墨烯层的面积大于太赫兹光斑的面积，即不小于1cm²。

进一步的，所述基底采用石英，所述介质层采用二氧化硅、氮化硼或三氧化二铝；所述电极采用金属或者合金电极。

本发明的一个另一个目的在于，提供一种基于石墨烯的电控太赫兹衰减片的制备方法，包括如下步骤：在基底上按照由下至上的次序逐层制备各层结构，基底上有至少两层石墨烯层、位于每两个相邻的石墨烯层之间的介质层、偶数层石墨烯层上共同相连的一个电极以及奇数层的石墨烯共同相连的一个电极，将两个电极上加载电压；每个介质层将相邻的石墨层分隔开。

进一步的，所述石墨烯层的制备采用化学气相法、机械剥离法、外延生长法或氧化还原法；所述介质层的制备采用真空蒸镀法、旋转涂覆法或化学气相沉积法；所述电极的制备采用真空蒸镀法、真空溅射法、化学气相沉积法或电化学沉积法。

本发明的一个另一个目的在于，提供一种基于石墨烯的电控太赫兹衰减片的使用方法，对于固定层数的衰减片，将位于偶数层连接的电极和位于奇数层石墨烯层连接的电极上加恒定电压，将电压从0V向80V变换，随着所加电压的升高，观察主脉冲的振幅，直至主脉冲的振幅消失，此时所加的电压值确定为满足衰减片的衰减度需求的电压；根据使用情况不同，所述石墨烯层与基底的位置关系：(1)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的正面；(2)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的反面；(3)对于反射太赫兹波，石墨烯层位于基底的正面；规定光入射方向首先到达的面为基底的正面。

本发明具有以下优点：

1、本发明基于石墨烯材料制作太赫兹衰减片，由于石墨烯材料有良好的力、热、光、电学等特性，因此衰减片具备以下优点：

A、具备良好的力学强度。如果基底选择柔性材料，那么在选择柔性介质层(如二维氮化硼等)时，可使衰减片具备柔性应用。

B、石墨烯的导热性好，化学稳定性高，保证了衰减片的使用寿命及适用范围。

C、石墨烯在太赫兹波段具有宽波段电导率，保证了衰减片的宽波段工作范围(同一衰减片适用于不同太赫兹通讯窗口)，并且能够直接用于宽波 段的太赫兹脉冲(如用于太赫兹时域光谱中)。

D、石墨烯的双极电场效应，使得衰减片可受电压调控。拓展了衰减片的应用范围，应用具有灵活性和灵敏度等。另外，电控特性使得衰减片易于与现行系统结合。

2、本发明为多层结构，可通过石墨烯的不同层数改变器件衰减度的调控范围，理论上实现了极高的衰减程度。通过电压调控，可任意改变衰减度参数，应用精确度更高，更加灵活。

3、本发明使用的石墨烯材料制备较容易，成本较低，重复性高，并可以通过优化制备方案实现大面积高产量的生产。介质层的选择范围较宽，成本以及加工方案容易控制。制备太赫兹衰减片的方法同样有简单、易于加工的优点。

附图说明

图1是2个石墨烯层构成的太赫兹衰减片的结构示意图。

图2是4个石墨烯层构成的太赫兹衰减片的结构示意图。

图3是相邻两个石墨烯层加电压后的原理示意图。其中，图3(a)是相邻两个石墨烯层加电压后的原理示意图，图3(b)和图3(c)分别是电子掺杂和空穴掺杂石墨烯的能级变化示意图。

图4是根据石墨烯的德鲁德模型电导计算得出：(a)单层石墨烯费米能级随电压变化的曲线；(b)太赫兹电导率随所加电压变化的曲线。

图5是N个石墨烯层构成的太赫兹衰减片的透射反射原理示意图。

图6是石墨烯衰减片太赫兹波消光度在不同石墨烯层数时的变化范围。

图7是当石墨烯层数目分别为2、4、6，衰减片位于折射率为1.5的基 底上时，太赫兹波消光度随电压变化的曲线。

图8是由6个石墨烯层构成的电控衰减片，位于折射率为1.5的基底正面上，在透射情况下，太赫兹时域光谱随调控电压的变化。

以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。

具体实施方式

本发明的主要思路是：用介质层分隔的石墨烯作为衰减片的基本结构，利用不同的石墨烯层数以及加载在两端的电压调控改变石墨烯的光电导率，从而实现调控透射光波、反射光波的振幅。在衰减应用中，石墨烯的层数、电压决定了最高可以实现的太赫兹波衰减度，因此对石墨烯层数的选择以及固定石墨烯层数的衰减片的电压调节进行研究。

一、部件的选择

基底：首先，基底应当有足够力学强度，能够提供石墨烯的支撑，并且均匀平整；其次，基底自身应当为不吸收太赫兹波的材料，以减少额外的损耗；最后，优选太赫兹波段折射率小的材料，减少反射损失。综上，基底可以选择石英或者部分柔性聚合物等。

石墨烯层：石墨烯层的选择主要考虑面积和层数。石墨烯层的面积大于太赫兹光斑的面积。对于最小频率为0.3THz的太赫兹波，波长为1mm，考虑到应用中的可调谐性以及电极等材料的安装，石墨烯层的最佳面积大于1cm²。对石墨烯层数的选择决定于应用中希望达到的最大衰减深度。对于所要求衰减深度较低的情况，优选层数较少但足够的情况，有利于调控中的灵敏度与精密度的提高，层数至少为2；对于衰减深度要求较高的情况，层数必须足够多，决定器件电压调控上限的参数是石墨烯中的载流子浓度 (费米能级)极限，例如，在目前的很多研究中，石墨烯的载流子浓度最高可达到1×10¹³cm^-2，超出这个极限，再提高电压也不能进一步提高器件的总电导，这时必须使用更多层的石墨烯。

衰减片中部分石墨烯层使用其他半导体材料如砷化镓、砷化镓铝、氧化铟锡等替代，或增加阻隔层以及过渡层等，但不会改变衰减片结构原理。

如果制作固定衰减度的太赫兹衰减片时，石墨烯层可使用石墨烯衍生物材料，例如还原后的氧化石墨烯。这时，材料的厚度决定电导率的大小。

介质层：介质层的物性参数主要考虑其厚度和介电常数。为了避免干涉影响，介质层的厚度必须远远小于太赫兹波的波长(0.03mm～1mm)，厚度推荐小于1μm，优选小于100nm。介质层的材料为高介电常数的绝缘材料或宽带隙半导体材料，如二氧化硅、氮化硼或三氧化二铝等。

如果制作固定衰减度的太赫兹衰减片时，介质层作为可选层，即可以不使用介质层。

电极：电极材料选择高导电、附着力高、稳定性好的膜材料。优选抗氧化性与抗腐蚀性好的金属以及合金电极材料。

如果制作固定衰减度的太赫兹衰减片，则不需要在石墨烯层上连接电极并加电压。

下面我们通过理论分析结合实验来确定石墨烯太赫兹衰减片的层数选择原则以及所加电压的调节参数范围。

二、理论分析

如图3(a)所示，相邻的石墨烯层在加电压后，一个积累电子变为电子掺杂，另一个失去电子变为空穴掺杂，由于石墨烯材料具有不同于传统半导 体材料的独特优异光电性质，其电子迁移率和空穴迁移率是近似相同的，所以两种掺杂行为都可以提高石墨烯中的载流子浓度，进一步使太赫兹波段的电导率数值提升，从而影响最终器件的衰减效果。图3(b)和图3(c)分别展示的是电子掺杂和空穴掺杂石墨烯的能级变化示意图。图3(b)中费米能级大于0，图3(c)中费米能级小于0，然而，在理想情况下，两者的费米能级绝对值是相等的，只是正负相反，因此载流子浓度也相同。因此，只要我们从单层石墨烯电导出发进行合理的控制，就可以实现衰减片的最终性能参数即衰减度的控制。最终结果将与衰减片中每层石墨烯的电导率和石墨烯层的数目有关的，前者是由于加电压的关系因此与电压有关。因此，接下来将进行单层石墨烯太赫兹电导率与电压关系的分析，以及多层石墨烯总透射系数的分析。基于此，即可得出衰减度与电压、石墨烯层数的最终关系。

图4给出了计算得出的单层石墨烯的太赫兹电导随所加电压变化的理论曲线。单层石墨烯的太赫兹电导率已经被证明服从德鲁德模型：

其中，ω是角频率，v_F是石墨烯中载流子的费米速度，e和分别是元电荷、普朗克常数，Γ和N_c分别是石墨烯中的载流子散射率和载流子浓度。V_g是实际加的电压，V_CNP是指达到石墨烯样品电中性点的电压，V_g-V_CNP为所加栅压。注意费米能级E_F和载流子浓度N_c具有以下关系： 式中正号代表电子掺杂，负号代表空穴掺杂。石墨烯中的费米速度通常为v_F＝1.1×10⁶m/s。在通常的使用情况下，室温温度T＝300K。在这里为了做一个计算结果的例子，上述参量中，Γ设为不随电 压变化的常数100cm^-1(通常CVD样品的取值范围)。这样，对于计算单层石墨烯的电导率只需取不同的费米能级(或载流子浓度)即可算出。为了讨论电压的影响，下面给出一个载流子浓度与调制电压V_g-V_CNP的关系：|N_c|＝7.5×10¹⁰·|V_g-V_CNP|cm^-2V^-1，注意式子中V_g是实际加的电压，V_CNP是指达到石墨烯电中性点(费米面处于狄拉克点)的电压。上述参数仅为阐述本发明的结果趋势，在实际样品中，参数的取值应受到制备方法、转移条件、器件加工法、器件构成等多方面影响，实际取值应服从样品的实际情况。石墨烯的电导率是一个随频率变化较小的值，我们以1THz为例，从图4(a)可以看到，在施加一个从0V到80V的调制电压V_g-V_CNP时，石墨烯的费米能级从0eV到-0.315eV下降(如果是电子掺杂，则对应于0eV到0.315eV上升)，这时载流子浓度对应于从0上升到到6×10¹²cm^-1V^-1。从图4(b)中可见，单层石墨烯的太赫兹电导率从0.2×10^-3到1.8×10^-3Ω^-1连续可调。

图5所示的是由N个石墨烯层1构成的衰减片的太赫兹波传播原理示意图。介质层2的层数为N-1，多层石墨烯位于两种不同介质6(基底)和7(空气)之间。介质7和6的折射率分别对应n₁与n₂，并且n₁＜n₂。石墨烯层的厚度为0.335nm，可被忽略并被看做一层零厚度的导电层。电介质的厚度设为d，折射率设为n₃。与介质7相邻的石墨烯层的位置设为z轴方向上的0点。石墨烯的光透射和反射系数表示为：

$t_{\mathrm{gra}}=\frac{2n_j}{n_i+n_j+Z_0\mathrm{\σ}},r_{\mathrm{gra}}=\frac{n_i-n_j-Z_0\mathrm{\σ}}{n_i+n_j+Z_0\mathrm{\σ}}---\left(2\right)$

式中，n_i和n_j分别代表石墨烯层两侧介质的折射率，Z₀＝377Ω是真空阻抗，σ是每个单层石墨烯的太赫兹电导(参见式(1))。

在图5中，我们假设E_i,E_r和E_t分别为入射、反射和透射太赫兹波的电场，并且衰减片至少由两层石墨烯构成(N≥2)。那么在介质7(z＜0)和介质6(z＞(N-1)d，d为电介质厚度)中的波的方程可设为E_i+E_r＝exp(-ik₁z)+rexp(ik₁z)和E_t＝texp{-ik₂[z-(N-1)d]}，其中r和t是反射和透射系数，k₁＝ωn₁/c和k₂＝ωn₂/c分别是太赫兹波在介质1和2中的波矢。在石墨烯层之间的介质层(n-1)d＜z＜nd(n＝1,2,…,N-1)中，波方程为 $E_n+E_n^{\′}=A_n\exp [-{\mathrm{ik}}_3(z-\mathrm{nd})]+A_n^{\′}\exp \left[{\mathrm{ik}}_3(z-\mathrm{nd})\right],$ 其中k₃＝ωn₃/c是介质层中的波矢，A_n和是相应波的振幅。通过解交界面上的传输矩阵方程，可以得到当光波从介质7中入射，通过N层石墨烯构成的衰减片后到介质6的透射系数为：

t＝4n₁n₃/{[(Y₁+Y₂)n₃+(Y₁-Y₂)(n₂+Z₀σ)](n₁+n₃+Z₀σ)exp(ik₃d)

-[(Y₃+Y₄)n₃+(Y₃-Y₄)(n₂+Z₀σ)](n₃-n₁-Z₀σ)exp(-ik₃d)} (3)

$\left(\begin{array}{cc}{Y}_1& Y_2\\ Y_3& Y_4\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cc}(1+\frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3})\exp \left({\mathrm{ik}}_{3}d\right)& \frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3}\exp (-{\mathrm{ik}}_{3}d)\\ -\frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3}\exp \left({\mathrm{ik}}_{3}d\right)& (1-\frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3})\exp (-{\mathrm{ik}}_{3}d)\end{array}\right)}^{N-2}---\left(4\right)$

r＝1-t (5)

式中，i代表虚部符号，n₁和n₂分别是N层石墨烯两边的介质折射率；Z₀是真空阻抗，n₃和d是介质层的折射率和厚度，k₃＝ωn₃/c是介质层中的波矢，N≥2是衰减片中石墨烯层的层数，σ是每个单层石墨烯的太赫兹薄层电导(参见式(1))。

相应的，光波从介质7中入射到器件上，反射回介质7中的反射系数可由r＝1-t计算得到。联立公式(1)、(3)、(4)，即可得到任意层数石墨 烯两边的透、反射系数，从而指导衰减片设计。

由上式可知，透、反射系数由石墨烯层的电导率、衰减片中石墨烯的层数、介质6和7的折射率、以及电介质的厚度和折射率决定。除了石墨烯的电导率之外，其它的值都是提前确定的。例如，介质6和7的折射率是固定值，电介质的厚度和折射率是可变的，在太赫兹波段，其厚度很小的要求保证了其在太赫兹波段引起透射折射的变化较小，可忽略不计。石墨烯样品的层数是根据实际应用的衰减度要求而提前设计的(详见下文实施例的分析)。所以，对于一个确定层数的衰减片，其衰减度的控制是通过操纵石墨烯电导率而实现的。在我们的发明中，控制电导率的方法就是栅压。

根据上述分析可以计算出衰减片的透射反射系数，从而计算出实际应用中的衰减度。下面，我们以透射情况为例，给出石墨烯衰减片的衰减度计算式。

本发明的衰减片由于使用情况不同，石墨烯层与基底的位置关系也有不同：规定光入射方向首先到达的面为基底的正面。(1)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的正面；(2)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的反面；(3)对于反射太赫兹波，石墨烯层只能贴附在基底的正面。

当石墨烯太赫兹衰减片位于基底正面的透射情况时，如图5所示。在应用中，我们使用消光度来衡量衰减片的衰减度。消光度X定义为1减去石墨烯衰减片的相对透过率。我们将消光度的最终计算结果表示如下：

$X=1-{|t\·t_{\mathrm{sa}}\·\frac{h_{\mathrm{sub}}(\mathrm{\ω},d_{\mathrm{sub}})}{h_{\mathrm{air}}(\mathrm{\ω},d_{\mathrm{sub}})}\·\frac{1}{1-r\·r_{\mathrm{sa}}{h_{\mathrm{sub}}}^2(\mathrm{\ω},d_{\mathrm{sub}})}|}^2---\left(5\right)$

式中，介质与空气界面的透射系数t_sa＝2n_sub/(n_sub+n_air)，介质与空气界面 的反射系数r_sa＝(n_sub-n_air)/(n_sub+n_air)，h_sub(ω,d_sub)＝exp(-iωd_subn_sub/c)为折射率为n_sub、厚度为d_sub的基底中的太赫兹波传输因子，h_air(ω,d_sub)＝exp(-iωd_subn_air/c)为折射率为n_air、厚度为d_sub的空气中的太赫兹波传输因子，ω是角频率，c是光速，t和r分别是衰减片的透射、反射系数，由式(3)、(4)确定。

综上，我们利用式(5)计算衰减片的最终衰减度，由式(1)可以确定每个单独石墨烯层的太赫兹电导随电压的变化关系，由式(3)、(4)确定多层石墨烯的太赫兹波透射反射系数与层数的关系，所以结合式(1)、(3)、(4)、(5)，我们可得到衰减片的衰减度与电压、石墨烯层数的关系。

三、实施例

为了对本发明的设计进一步解释说明，以下给出若干实施例，需要说明的是，本发明所要保护的范围不限于以下实施例，本领域的技术人员在这些实施例给出的技术方案的基础上所做出的添加和等效替换，均应属于本发明的保护范围。

实施例1：

图1所示的是两个石墨烯层构成的电控太赫兹衰减片，该图为以侧面为视角。该衰减片包括基底6，基底6上方逐层铺设三层结构，其中包括两层石墨烯层1和3，以及将该相邻的两个石墨烯层1和3完全分隔的介质层2，石墨烯层1和石墨烯层3之间连接电极4并加电压5。

实施例2：

图2所示的是由4个石墨烯层构成的衰减片，包括基底6，基底6上逐层铺设了为7层结构，其中包括4个石墨烯层以及位于每两个相邻的石墨 烯层之间的介质层2。图中从左至右来看，第一个和第三个石墨烯层分别连接一个电极，第二个和第四个石墨烯层分别连接另一个电极，这两个电极上为电压5，奇数层和偶数层石墨烯层各自具有相同的电位，可加电压5进行每层石墨烯层电导率的调节。在图2中，电极并未被示意出来，在实际应用中，导电线与石墨烯之间的连接应该通过制作电极实现。

在实际设计中，石墨烯层的层数并不局限于2层和4层，而是根据衰减片的应用范围而改变。

实施例3：

该实施例中，我们选用如下器件制备包含不同石墨烯层数的衰减片：

石墨烯样品(固定)参数：面积1cm²，载流子散射几率100cm^-1，费米速度v_F＝1.1×10⁶m/s，测试温度：300K，制备方法：CVD。

石墨烯的(非固定)参数：层数：2-6，电压：0-80V。

介质层：SiO₂，厚度：50nm；方法：磁控溅射，折射率：1.5。

基底：石英，厚度500μm，折射率1.5。

电极：铜，磁控溅射。

入射太赫兹波的频率以1THz。石墨烯的费米能级为0eV和-0.315eV，对应电压调节0V到80V，作为石墨烯费米能级变化的上下限。

得到图6所示的石墨烯衰减片的太赫兹波消光度在不同石墨烯层数时的变化范围。从图6的结果中可以看到，当石墨烯层数增加时，消光度上升，衰减片调制深度最大值增加。然而随着层数的增加，衰减度的最小值也在增加。因此，对于不同衰减度的需要，我们应当采用不同层数的石墨烯衰减片。从图中看，6层器件的最大衰减度能够接近90％，足以满足高 衰减度的要求。

上述结论可作为选择衰减片中石墨烯层数的参照标准。例如，如果我们需要一个能够衰减80％入射波的衰减片，从图6中结果看，就必须选择4层以上石墨烯的器件，考虑到调节的灵敏与制备的简化，优选5层的器件。如果我们需要能够衰减20％入射波的衰减片，则需要3层以下石墨烯的器件，优选2层具备更大的调谐范围。

图7是当石墨烯层数目分别为2、4、6时，透射的太赫兹波消光度随电压变化的曲线。不同于图6的是，在该图中，石墨烯的费米能级受到电压的调控而变化，2层石墨烯衰减片的消光度在0.14～0.65范围连续可调，4层石墨烯衰减片的消光度在0.25～0.82范围连续可调，6层石墨烯衰减片的消光度在0.34～0.90范围连续可调。另外经试验得到：3层石墨烯衰减片的消光度在0.19～0.76范围连续可调，5层石墨烯衰减片的消光度在0.30～0.86范围连续可调。

因此，在实际应用中，可根据需要调制的范围，首先选择石墨烯的层数，再在固定石墨烯层数的衰减片上加电压连续调节实现目标衰减度。在一定范围内，越多层石墨烯构成的衰减片调制深度上限越大，但是从调制的灵敏度讲，少层的石墨烯构成的衰减片在较高透过率需求时有优势。电控衰减片在使用时，在两种电极之间加恒定电压，调节电压的数值，可调节石墨烯的电导，从而得到不同的衰减度。

图8为6个石墨烯层构成的电控太赫兹衰减片，透射情况下，太赫兹时域光谱随调控电压的变化。太赫兹时域光谱的信号是一个0-2THz的宽频带信号。图8中的脉冲为直接透过的主脉冲，由公式5，它也可以反映出总 透过光强的大小。从图中可以看到，随着所加电压的升高，主脉冲的振幅越来越小，体现了太赫兹衰减片的效果。同时，这个实施例也表现了石墨烯太赫兹衰减片的宽波段效果。

四、衰减片的制备方法

在基底上按照由下至上的次序逐层制备各层结构，包括至少两层石墨烯层、位于每两个相邻的石墨烯层之间的介质层、偶数层石墨烯层上共同相连的一个电极以及奇数层的石墨烯共同相连的一个电极，两个电极上加载电压；保证每个介质层将相邻的石墨层完全隔开。

石墨烯层的制备优选但并不限于各种化学气相(常压，低压，等离子体)法制备。或者使用改进的例如机械剥离，外延生长，氧化还原等手段，以获得上述要求高质量大面积的石墨烯层为准。为了获得目标基底上选定位置的石墨烯，以及在介质层的目标位置放置石墨烯，对于金属外延生长的石墨烯，可选择但不限于湿法刻蚀基底再利用聚合物转移的方法，以及热释放胶带转移石墨烯的方法。以前者为例，对于金属(铜，镍，铂等)上生长的石墨烯，首先将其裁剪成目标尺寸，再在石墨烯面上制作(例如旋转涂覆)一层合适聚合物(例如PMMA)，再利用相应金属基底的化学刻蚀剂去除基底，之后将附着在聚合物上的石墨烯转移到基底目标位置，再使用相应聚合物的溶剂(例如丙酮溶解PMMA)去除石墨烯即可。上述转移石墨烯的方法应综合考虑到溶解用溶剂、热释放胶带等与基底和介质的匹配情况。例如以聚合物为基底时，应避免使用伤害基底的溶解剂(例如丙酮等)，可以选择热释放胶带法。总之对不同的介质与基底，优选不同制备、转移方案。

介质层可采用但不限于真空蒸镀、旋转涂覆、化学气相沉积等薄膜制备方法。

电极可采用但并不限于真空蒸镀、真空溅射、化学气相沉积或电化学沉积等金属薄膜的制备方法。在对形状、位置、大小有要求时，可采用并不限于微加工技术等的应用。

综上，介质层2的层数随石墨烯层的层数而改变，始终保证将相邻的石墨烯层完全分离。电极4与石墨烯层的连接方式在保证导通的情况下改变结构、连接方式、材料等。电极4也可采用多层结构以保证对样品和基底6的粘附性。电压源5与电极4的连接方式可以通过电线，也可以通过电路板上的电极线等。同时应当注意，在固定太赫兹衰减片的设计中，电压电线可以不用，这时，介质层2也可以作为可选层。本领域的技术人员应当理解，介质层的厚度，折射率可以改变，基底的厚度以及折射率同样随应用背景改变，石墨烯的性质因实际情况而有参数上的差异，在实际应用中的数据范围会有所变动。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯的电控太赫兹衰减片，其特征在于，包括基底，基底上逐层铺设有至少两层石墨烯层，每两层相邻的石墨烯层之间铺有一层介质层，所述介质层将该两层石墨烯层分隔开；位于每两个相邻的石墨烯层之间的介质层、偶数层石墨烯层上共同相连的一个电极以及奇数层的石墨烯共同相连的一个电极，两个电极上加载电压；所述衰减片的消光度的计算公式如下：

$X=1-|t\·t_{sa}\·\frac{h_{sub}(\mathrm{\ω},d_{sub})}{h_{air}(\mathrm{\ω},d_{sub})}\·\frac{1}{1-r\·r_{sa}{h_{sub}}^2(\mathrm{\ω},d_{sub})}{|}^2;$

式中，介质与空气界面的透射系数t_sa＝2n_sub/(n_sub+n_air)，介质与空气界面的反射系数r_sa＝(n_sub-n_air)/(n_sub+n_air)，h_sub(ω,d_sub)＝exp(-iωd_subn_sub/c)为折射率为n_sub、厚度为d_sub的基底中的太赫兹波传输因子，h_air(ω,d_sub)＝exp(-iωd_subn_air/c)为折射率为n_air、厚度为d_sub的空气中的太赫兹波传输因子；ω是角频率，c是光速；t和r分别是衰减片的透射、反射系数，分别由以下式子确定：

t＝4n₁n₃/{[(Y₁+Y₂)n₃+(Y₁-Y₂)(n₂+Z₀σ)](n₁+n₃+Z₀σ)exp(ik₃d)

-[(Y₃+Y₄)n₃+(Y₃-Y₄)(n₂+Z₀σ)](n₃-n₁-Z₀σ)exp(-ik₃d)}；

$\left(\begin{array}{cc}{Y}_1& Y_2\\ Y_3& Y_4\end{array}\right)={\left(\begin{array}{cc}(1+\frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3})\exp \left({\mathrm{ik}}_{3}d\right)& \frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3}\exp (-{\mathrm{ik}}_{3}d)\\ -\frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3}\exp \left({\mathrm{ik}}_{3}d\right)& (1-\frac{Z_0\mathrm{\σ}}{2n_3})\exp (-{\mathrm{ik}}_{3}d)\end{array}\right)}^{N-2};$

r＝1-t；

式中，i代表虚部符号，N≥2是衰减片中石墨烯层的层数；n₁和n₂分别是N层石墨烯两边的介质折射率；Z₀是真空阻抗，n₃和d是石墨烯之间间隔介质层的折射率和厚度，k₃＝ωn₃/c是其中的波矢；σ是每个单层石墨烯的太赫兹薄层电导，由下式计算得到：

$\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{(v_F{e}^2/h)\sqrt{\mathrm{\π}\left|N_c\right|}}{\mathrm{\π}(\mathrm{\Γ}+{\mathrm{\ω}}^2/\mathrm{\Γ})};$

|N_c|＝7.5×10¹⁰·|V_g-V_CNP|cm^-2V^-1；

式中，ω是角频率，v_F是石墨烯中载流子的费米速度；e和h分别是元电荷、普朗克常数；Γ和N_c分别是石墨烯中的载流子散射率和载流子浓度；V_g是实际加的电压，V_CNP是指达到石墨烯样品电中性点的电压，V_g-V_CNP为所加栅压。

2.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹衰减片，其特征在于，根据不同使用情况，所述石墨烯层与基底的位置关系：(1)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的正面；(2)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的反面；(3)对于反射太赫兹波，石墨烯层位于基底的正面；规定光入射方向首先到达的面为基底的正面。

3.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹衰减片，其特征在于，所述石墨烯层为2～6层。

4.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹衰减片，其特征在于，所述石墨烯层数根据所需要的衰减片消光度的可调范围进行确定：2层石墨烯衰减片的消光度在0.14～0.65范围连续可调，3层石墨烯衰减片的消光度在0.19～0.76范围连续可调，4层石墨烯衰减片的消光度在0.25～0.82范围连续可调，5层石墨烯衰减片的消光度在0.30～0.86范围连续可调，6层石墨烯衰减片的消光度在0.34～0.90范围连续可调。

5.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹衰减片，其特征在于，所述石墨烯层的面积大于太赫兹光斑的面积，即不小于1cm²。

6.如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹衰减片，其特征在于，所述基底采用石英，所述介质层采用二氧化硅、氮化硼或三氧化二铝；所述电极采用金属或者合金电极。

7.一种如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹衰减片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：在基底上按照由下至上的次序逐层制备各层结构，基底上有至少两层石墨烯层、位于每两个相邻的石墨烯层之间的介质层、偶数层石墨烯层上共同相连的一个电极以及奇数层的石墨烯共同相连的一个电极，将两个电极上加载电压；每个介质层将相邻的石墨层分隔开。

8.如权利要求7所述的基于石墨烯的电控太赫兹衰减片的制备方法，其特征在于，所述石墨烯层的制备采用化学气相法、机械剥离法、外延生长法或氧化还原法；所述介质层的制备采用真空蒸镀法、旋转涂覆法或化学气相沉积法；所述电极的制备采用真空蒸镀法、真空溅射法、化学气相沉积法或电化学沉积法。

9.一种如权利要求1所述的基于石墨烯的电控太赫兹衰减片的使用方法，其特征在于，对于固定层数的衰减片，将位于偶数层连接的电极和位于奇数层石墨烯层连接的电极上加恒定电压，将电压从0V向80V变换，随着所加电压的升高，观察主脉冲的振幅，直至主脉冲的振幅消失，此时所加的电压值确定为满足衰减片的衰减度需求的电压；根据使用情况不同，所述石墨烯层与基底的位置关系：(1)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的正面；(2)对于透射太赫兹波，石墨烯层位于基底的反面；(3)对于反射太赫兹波，石墨烯层位于基底的正面；规定光入射方向首先到达的面为基底的正面。