1.本发明涉及半导体光电材料与器件技术领域，具体涉及一种基于钛酸锶球壳结构的可调太赫兹波超材料吸收器。


背景技术：

2.太赫兹(terahertz,thz，1thz＝10
12
hz＝33.3cm-1
)波是指频率介于0.1-10thz之间的电磁波，介于毫米波与红外光之间，具有较低的光子能量、超大的传输容量和超强的穿透能力等优良特性，在无线安全通信、生物样品检测、成像以及材料光谱分析等应用领域具有独特的优势和广阔的应用前景。例如，下一代车辆网络要求高数据速率和可靠的通信，thz的高带宽和足够密集的网络可以实现自动超车所需要的99.99％的高可靠性。可调控功能器件作为thz通信系统的关键部分，它的发展对推动thz技术的应用具有重要意义。然而，自然界的常规材料很难在thz频段产生有效的电磁响应，thz可调功能器件的发展仍面临巨大挑战。
3.超材料为克服这一难题提供了一个全新的方向，通过设计合理的超材料基本单元结构，可以得到负折射、隐身斗篷、超吸收等常规材料不具备的奇特物理特性，同时也可实现对thz波电磁响应的有效调控。thz超材料吸收器作为thz功能器件的重要分支，在传感、成像、检测等领域具有广阔的应用前景。一种典型的超材料吸收器由顶层的周期性金属谐振结构、中间层的介质材料以及底层的金属衬底三层结构组成，通过调整单元结构的形状或尺寸，可以对共振谱线的频率及振幅进行调控。然而在实际应用中，一旦单元结构的形状和尺寸确定，很难对其进行更改，吸收器变得不可调控。此外，金属材料的高欧姆损耗也严重阻碍了超材料吸收器的实际应用。全介质超材料具有低损耗、低热导系数和良好的阻抗匹配特性等优点，可以产生电偶极子、磁偶极子、电四极子、磁四极子等多种共振模式。此外，通过改变温度、偏置电压等方法改变调控介质的光电性能，可实现对入射电磁波振幅、频率和相位的有效调控，为设计可调控thz功能器件提供了广阔的空间和全新的途径。
4.作为一种典型的功能陶瓷介电材料，钛酸锶具有高介电常数、低介电损耗和良好的化学稳定性等优异性能，更为重要的是其介电性能可以通过改变外部环境温度或偏置电场来动态调整。因此，钛酸锶材料可以作为构建高性能可调控超材料吸收器的优选材料。近年来，对具有优良性能的钛酸锶基全介质超材料的研究越来越受到重视。
5.利用磁控溅射系统在硅光栅结构上溅射一层钛酸锶薄膜，y.j.zhao等人在2017年实验证明了mie共振频率的可调控，当温度从250k升高到400k时，第一和第二共振的频率变化分别为0.657-0.665thz和0.853-0.870thz。2018年，c.kadlec等人利用电控的方法演示了一种thz范围内的频率可调的超材料，它由位于应变钛酸锶有源薄层上的金属亚波长谐振器组成。将金属结构作为电极，对钛酸锶层施加一个偏置电压，直接影响其介电常数，从而保证了超材料谐振频率的可调谐性，谐振频率从0偏压时的0.48thz蓝移到55v时的0.57thz。
6.在中国专利方面，专利cn201310547214.6于2013年公开了一种基于铁电薄膜的
thz调制器，该调制器由介质基板、阵列排布在介质基板上的铁电薄膜单元以及thz滤波结构组成，通过施加偏置电压的方法来调控铁电薄膜的介电常数，从而实现对thz波幅值的电调控。当偏置电压从0v增加到10v时，其幅值调制深度为21％，共振吸收频率从0.85thz提高至0.89thz。2019年，专利cn201910344109.x公开了一种钛酸锶基超材料吸收器，该吸收器以钛酸锶为中间介质层、金属为底部衬底、顶部为金属十字形谐振单元。钛酸锶复介电常数的实部随温度的变化会直接导致吸收频率的偏移，虚部的变化则会对吸收率产生直接的影响，当温度在200-400k温度范围内变化时，吸收频率的调制深度达33.61％，吸收率从95.3％提高到98.4％。
7.虽然基于钛酸锶的可调谐功能器件可以实现对thz波前的调控，但仍然存在调制深度小的缺点。


技术实现要素：

8.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大调制深度、集多种调制方法于一体的基于钛酸锶球壳结构的可调太赫兹波超材料吸收器。
9.本发明通过偏置电压的大小改变石墨烯的费米能级或改变外界温度来实现对入射thz波的有效调制，其目的可以通过以下技术方案来实现：
10.一种基于钛酸锶球壳结构的可调太赫兹波超材料吸收器，该吸收器包括：
11.钛酸锶衬底层(1)；
12.背电极掺杂si层(2)，生长在钛酸锶衬底层(1)表面；
13.石墨烯-sio2有源区，位于背电极掺杂si层(2)上方：
14.氧化铝间隔层(5)，生长在石墨烯-sio2有源区表面；
15.钛酸锶球壳结构层(6)，包括周期阵列的钛酸锶球壳，并生长在间隔层(5)表面。
16.进一步地，所述的石墨烯-sio2有源区包括位于下方的sio2绝缘层(3)，以及生长在sio2绝缘层(3)上的石墨烯层(4)。
17.进一步地，所述的钛酸锶球壳结构层(6)由多个以2
×
2个紧密排列的钛酸锶球壳单元周期阵列组成。
18.进一步地，所述的钛酸锶衬底层(1)的厚度为3-15μm，优选3-6μm。
19.进一步地，所述的背电极掺杂si层(2)厚度为1-20μm，优选2-8μm；载流子掺杂浓度为1
×
10
14-1
×
10
17
cm-3
，优选1
×
10
14-5
×
10
15
cm-3
。
20.进一步地，所述的其中sio2绝缘层(3)的厚度为1-800nm，优选50-300nm；所述的石墨烯层(4)的厚度为1-2nm。
21.进一步地，所述的氧化铝间隔层(5)厚度为1-20μm，优选2-6μm。
22.进一步地，所述的钛酸锶球壳的外径和内径之比为4:3，球壳外径在2-15μm之间，优选4-5μm。
23.进一步地，所述的周期等于球壳外径微米数的2倍。
24.进一步地，该吸收器还包括：
25.温控单元，用于调控吸收器的环境温度；
26.电控单元，用于调控石墨烯的费米能级。
27.本发明以钛酸锶介质材料代替金属衬底和金属谐振单元结构，由顶层球壳之间、
球壳单元结构与钛酸锶衬底之间的偶极子共振实现高吸收。通过改变外界温度和调整石墨烯两端的偏置电压实现了对吸收器的热、电双调控。当温度在77-800k之间变化时，吸收器的吸收频率可以在0.9037-0.7229之间调节，而吸收中心频率调制深度可达71.90％。在石墨烯的作用下，将其费米能级从0.1ev增加到1.0ev，吸收率可从0.8837提高到0.9817，共振吸收频率从0.8836thz提高至1.110thz。
28.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
29.(1)本发明的基于钛酸锶球壳结构的可调thz波超材料吸收器，其谐振结构由钛酸锶球壳周期阵列排布组成，当入射波通过谐振结构时，产生磁偶极子共振，形成明显共振谱线，其波形可以通过改变环境温度来加以调控。
30.(2)本发明的基于钛酸锶球壳结构的可调thz波超材料吸收器，通过偏置电压可改变石墨烯的费米能级，从而实现对thz波的有效调控。
31.(3)本发明制得的吸收器可调性能好、调制深度大。当温度从77k升高到800k时，共振频率可在0.3684-1.311thz范围内调控，相应的频率调制深度为72％。
附图说明
32.图1为实施例1中吸收器调制机制的示意图；
33.图2为实施例1中吸收器的三维图；
34.图3为实施例1中吸收器的正视图(a)和俯视图(b)；
35.图4为实施例1中吸收器在不同温度下的吸收谱(a)和反射谱(b)；
36.图5为实施例1中吸收器在不同周期的石墨烯-sio2有源区下的吸收谱(a)和反射谱(b)；
37.图6为实施例1中吸收器在不同石墨烯费米能级下的吸收谱(a)和反射谱(b)；
38.图中标号所示：钛酸锶衬底层(1)、背电极掺杂si层(2)、sio2绝缘层(3)、石墨烯层(4)、氧化铝间隔层(5)、钛酸锶球壳结构层(6)。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
40.一种基于钛酸锶球壳结构的可调太赫兹波超材料吸收器，该吸收器包括：
41.钛酸锶衬底层(1)；背电极掺杂si层(2)，生长在钛酸锶衬底层(1)表面；石墨烯-sio2有源区，位于背电极掺杂si层(2)上方：氧化铝间隔层(5)，生长在石墨烯-sio2有源区表面；钛酸锶球壳结构层(6)，包括周期阵列的钛酸锶球壳，并生长在间隔层(5)表面。石墨烯-sio2有源区包括位于下方的sio2绝缘层(3)，以及生长在sio2绝缘层(3)上的石墨烯层(4)。该吸收器还包括：温控单元，用于调控吸收器的环境温度；电控单元，用于调控石墨烯的费米能级。
42.钛酸锶衬底层(1)的厚度为3-15μm，优选3-6μm。背电极掺杂si层(2)厚度为1-20μm，优选2-8μm；载流子掺杂浓度为1
×
10
14-1
×
10
17
cm-3
，优选1
×
10
14-5
×
10
15
cm-3
。其中sio2绝缘层(3)的厚度为1-800nm，优选50-300nm；所述的石墨烯层(4)的厚度为1-2nm。氧化铝间
隔层(5)厚度为1-20μm，优选2-6μm。钛酸锶球壳结构层(6)由多个以2
×
2个紧密排列的钛酸锶球壳单元周期阵列组成。钛酸锶球壳的外径和内径之比为4:3，球壳外径在2-15μm之间，优选4-5μm。周期等于球壳外径微米数的2倍。
43.一种基于钛酸锶球壳结构的可调thz波超材料吸收器的制备方法，包括以下步骤：
44.(1)制作钛酸锶衬底：以钛酸锶作为靶材，通过磁控溅射的方法制备3-15μm厚度的钛酸锶衬底层，溅射时通入惰性气体ar和o2所组成的混合气体。
45.(2)制作背电极掺杂si层：通过外延生长法形成1-20μm厚度的si层。
46.(3)制作石墨烯-sio2有源区：采用热蒸发技术在si层上形成1-800nm厚度的sio2绝缘层；利用化学气相沉积法在sio2绝缘层上形成1nm左右厚度的石墨烯层。
47.(4)制作氧化铝间隔层：利用原子沉积技术在石墨烯层上形成1-20μm厚度的氧化铝层，形成温度为200℃，然后用蒸馏水洗掉反应的先驱体。
48.(5)制作钛酸锶球壳结构：参照步骤(1)的方法制备钛酸锶球壳结构，将其紧密排列在氧化铝间隔层表面。
49.(6)采用蒸馏水将基于钛酸锶球壳结构的可调thz波超材料吸收器微结构清洗干净，3-5遍以上，然后在保护性气氛下(ar或者n2)内吹洗干净烘干。
50.(7)在步骤(6)的基础上增加一个温控单元，用于调节钛酸锶材料的温度，实现对thz波的调控。
51.(8)在步骤(7)的基础上增加一个电控单元，即对石墨烯层增加一个偏置电压，电压正极连接石墨烯层，负极与掺杂si层相连，形成一个电回路。通过改变石墨烯层两端的偏置电压改变其费米能级，从而改变其光电特性，进而实现对thz波的调控。
52.实施例1
53.钛酸锶衬底层(1)的厚度为4μm。背电极掺杂si层(2)厚度为2μm；载流子掺杂浓度为1
×
10
15
cm-3
。其中sio2绝缘层(3)的厚度为200nm；所述的石墨烯层(4)的厚度为1nm。氧化铝间隔层(5)厚度为2μm。钛酸锶球壳结构层(6)由多个以2
×
2个紧密排列的钛酸锶球壳单元周期阵列组成。钛酸锶球壳的外径和内径之比为4:3，球壳外径为4μm。周期等于球壳外径微米数的2倍。
54.图1为可调thz波超材料吸收器的调控原理示意图，入射thz波进入基于钛酸锶球壳结构的超材料吸收器中，与钛酸锶球壳结构相互作用，得到高吸收率的共振谱线。其中，钛酸锶的介电性能可以通过温度加以调节。如图1所示，当温度较低时，如77k，钛酸锶的介电常数的实部较大，激发的偶极子共振较强，吸收较高。当温度从77k升高至800k时，钛酸锶的介电常数的实部减小，共振减弱，吸收降低，同时共振频率发生蓝移。此外，石墨烯的费米能级可以通过偏置电压加以调控，随着费米能级增加，载流子浓度提高，实现对共振谱线的有效调控。
55.图2为超材料吸收器的3d结构示意图。
56.图3为超材料吸收器的单元结构示意图。图3(a)与图3(b)分别为吸收器结构单元正视图和俯视图，入射thz波沿z方向通过钛酸锶球壳结构传输，极化方向为y方向。
57.图4为超材料吸收器在不同温度下的共振谱线。其中，图4(a)为吸收谱，图4(b)为反射谱。如图4(a)所示，当温度为77k时，在0.3684thz处吸收率达到0.9032；随着温度升高，至800k时，其吸收中心频率提高至1.311thz处，吸收率下降到0.7229。相应的频率调制深度
约为72％，振幅调制深度为20％。
58.图5为超材料吸收器在不同周期的石墨烯-sio2有源区下的传播特性谱线。其中图5(a)为吸收谱，图5(b)为反射谱，石墨烯-sio2有源区的周期从0周期增加到5个周期，石墨烯费米能级为1.0ev，温度为300k。如图5(a)所示，当在背电极掺杂si层表面加入1个周期的石墨烯-sio2有源区后，其吸收率从0.8202提高至0.9362，共振吸收频率从0.8582thz提高至0.9785thz。继续将石墨烯-sio2有源区的周期增加至5，其吸收率进一步提高至0.9817，吸收频率继续蓝移至1.110thz。
59.图6为超材料吸收器在不同石墨烯费米能级下的传播特性谱线。其中图6(a)为吸收谱，图6(b)为反射谱，石墨烯-sio2有源区的周期为5个周期。通过改变偏置电压的大小而改变石墨烯的费米能级，石墨烯费米能级增加，载流子浓度增加，导致了电导率的增加，使得器件吸收增强，吸收谱线出现了蓝移。如图6(a)所示，当石墨烯的费米能级从0.1ev增加到1.0ev时，共振吸收频率的改变范围为0.8837-1.110thz，吸收峰值从0.8837提高至0.9817；相应的频率调制深度为20％，振幅调制深度为10％。
60.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，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、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。