基于石墨烯的電控太赫茲減反射膜、制備方法及使用方法技術

本發明專利技術公開了一種基于石墨烯材料的電控太赫茲減反射膜、制備方法及使用方法，該減反射膜為多層結構，包括至少兩層石墨烯，以及將相鄰石墨烯完全分隔的介質層，第一層石墨烯和第二層石墨烯上連接電極并加電壓以便進行電場調節，使用時可以加工或者附著于基底或太赫茲元件上。本發明專利技術利用多層膜結構制備的減反射膜，可通過石墨烯的不同層數改變實現減反射性能的太赫茲元件或基底折射率范圍，理論上實現了任意折射率材料的減反射。通過電壓調控，可以使減反射的性能可調，精確度更高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于太赫茲波段器件
，具體是一種基于石墨烯的太赫茲波減反射膜、制備方法及使用方法。
技術介紹
太赫茲(Terahertz,簡稱THz)是電磁波的頻率單位，I太赫茲等于1012赫茲。太赫茲波的是指0.3THz到IOTHz范圍的電磁波，對應波長范圍從0.03mm到1mm。太赫茲波段有較高的空間分辨率(高頻率)和時間分辨率(皮秒脈沖)，能量較小不會破壞物質，而且是生物大分子的振動、轉動的共振頻段。這些特性使其在例如寬帶通信、雷達、電子對抗、電磁武器、天文、無損檢測、醫學成像、安全檢查等領域有潛在的應用前景。80年代之前，受到太赫茲波產生源和探測器的限制，涉及這一波段的研究和應用非常少。隨著之后新技術(超快技術)，新材料的發展，使得太赫茲技術得到迅速發展。目前，太赫茲技術的研究以及應用開發正成為光學領域研究的熱點。然而，高性能的新型太赫茲器件(例如發射源，探測器，調制器，分束器，色散光學元件，寬帶透射窗口等)仍然亟待設計，以提高太赫茲技術的應用效率。由于菲涅爾效應，在這些元器件的接觸界面上會產生多次反射，從而引起雜散光，干擾測量中的太赫茲脈沖，導致在頻域產生干涉，降低光譜的分辨率，導致有用信息被掩蓋。減反射膜(antireflection coating)是一種功能性薄膜，目標是減少或者消除光電元件表面或內部的反射光。在可見、紅外光波段，減反射膜是一種應用最廣，需求最大的光學薄膜，也稱為增透膜。主要功能是增加光學元件(例如透鏡，棱鏡，平面鏡等)的透光量，減少或者消除系統的雜散光。典型的光學減反射膜為鍍在光學元件表面的一層低折射率材料(折射率設為)，作用原理基于光波的干涉效應。當膜層的光學厚度(折射率與實際厚度的乘積)為透過光波長的四分之一，膜上反射的光與膜內部反射的光的光程差滿足干涉相消條件，這時實現減反射效果。膜層折射率的最佳條件為(和分別為空氣和光學元件的折射率)，這時內外反射的兩束光的振幅可以達到相等，所以可以實現完全消除反射。在太赫茲波段，如果使用光學波段的干涉原理制作減反射膜，那么對應0.03到Imm的波長范圍，減反射膜的厚度范圍應該從0.025到0.25mm。這有兩個缺點，首先，因為這個波段的波長相對于可見波段長很多，所以減反射膜的需求厚度太厚，不利于膜的制備以及應用。第二，在太赫茲波段，我們常常需要寬波段的太赫茲信號(例如太赫茲時域光譜系統的脈沖是寬波段的，通常可以從零點幾個太赫茲覆蓋到幾個太赫茲)，然而對應于不同波段需要的減反射膜的厚度相差太大，所以這種膜不能實現寬波段減反射。在太赫茲波段,可以使用阻抗匹配(Impedance matching)的原理來實現減反射膜。阻抗匹配是微波電子學中的技術名詞，指的是信號源或者傳輸線與負載之間的一種搭配方式，通過這種方式可以使微波信號全部傳播到負載上，避免反射回源點，從而影響器材本身的工作狀態。在太赫茲波段使用阻抗匹配原理制作減反射膜，對應的原理為:假設一層電導率為σ film、厚度為d的膜覆蓋在折射率為nsub的光學元件表面上，這層膜的厚度很薄，遠遠小于透射太赫茲波的波長。那么在空氣/膜/元件界面上，從元件內部向空氣方向傳播的太赫茲波在界面上的反射系數為 sub/film/air ^sub ^air ^ filmd) / (^sub~^^air~^^0 ^ filmd)，這里Ztl為真空阻抗。所以，當這層膜的薄層電導(等于電導率與厚度的乘積0filmd)滿足OfilmCl= (Hsub-1W)/Ztl時，可以得到反射系數等于0，這時滿足阻抗匹配關系，元件內部反射可以完全消除。當膜的薄層電導比阻抗匹配數值小的時候，反射系數是正數，得到與原始波同相位的反射波；而當膜的薄層電導比阻抗匹配數值大的時候，反射系數是負數，意味著反射波的相位發生了 η反轉。利用上述阻抗匹配原理制作太赫茲減反射膜的材料要求是:首先要在厚度上很薄，否則會因為膜的自身厚度引起干涉效應的干擾；其次要導電，因為要在厚度較薄的情況調控薄層電導，只有材料的導電率本身達到必要數值，并且這個值如果能隨其它參數(例如載流子濃度等)可調，將會提高減反射膜在實際應用中的調控性能；第三，必須在寬的太赫茲波段范圍內有較一致的電導率，因為電導率的色散性質越小，就越能實現寬波段范圍的減反射作用；第四，這個材料必須熱學、化學性質穩定，不隨溫度變化，難以被多種化學物質腐蝕(例如常用擦拭鏡子的酒精、丙酮等)是保證防反射膜長期免維護的條件；最后，力學性質良好，如果在保證強度的同時能夠有柔韌性，就可以具備應用到柔性器件上的潛力。目前，研究過的材料包括金屬(例如金、鉻)，氧化物半導體材料(氧化鋅、二氧化釩、氧化銦錫)，以及金屬超材料(人工結構材料)等，沒有一種材料可以完全實現上述的要求。石墨烯是一種單層碳原子組成的二維材料，這種材料具有良好的力學強度與柔韌性，高的導熱系數，穩定的化學性質，以及優異、獨特的光電性能。石墨烯的載流子遷移率很高，并且具有獨特的 雙極電場效應，這是由于其獨特的線性狄拉克錐形色散關系。雙極電場效應是指石墨烯中的載流子濃度(與費米能級的平方成正比)可以在柵極電壓的作用下發生改變，從而改變石墨烯的薄層電導。在太赫茲波段，石墨烯的電導率服從德魯德(Drude)模型。研究表明在太赫茲頻段，石墨烯的光電導色散性很小，幾乎不隨頻率的變化而變化。所以，就光電特性而言，石墨烯具有寬波段穩定、柵壓可調的太赫茲電導率。上面介紹了太赫茲波的元件應用現狀、光學減反射膜的原理、電磁波阻抗匹配的原理、太赫茲阻抗匹配薄膜以及石墨烯的特性。可以看出，目前有效的太赫茲波段減反射膜還很欠缺，已有的方法和材料不同程度的面臨了工作頻段窄、穩定性差和不可調諧等缺陷。而石墨烯材料具備良好的力、熱、光電特性，特別是具備寬波段與可調諧的潛質。
技術實現思路
針對上述現有技術中存在的缺陷或不足，本專利技術的一個目的在于，提供一種基于石墨烯的新型電控減反射膜，采用如下的技術方案:一種基于石墨烯的電控太赫茲減反射膜，包括至少兩層石墨烯層，每兩層相鄰的石墨烯層之間鋪有一層介質層，所述介質層將該兩層石墨烯層分隔開。進一步的，所述石墨烯層為2~6層。進一步的，所述減反射膜的反射系數為O時即實現減反射，反射系數的計算式為:rfilm = Hn1II3/ {[ (MjM2) n3+ (M1-M2) (η2+Ζ0 σ gra) ] (η1+η3+Ζ0 σ gra) exp (ik3d)- [ (M3+M4) n3+ (M3-M4) (n2+Z0 0 gra) ] (Ii3-1i1-Z0 0 gra) exp (_ik3d)}；本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于石墨烯的電控太赫茲減反射膜，其特征在于，包括至少兩層石墨烯層，每兩層相鄰的石墨烯層之間鋪有一層介質層，所述介質層將該兩層石墨烯層分隔開。

【技術特征摘要】
1.一種基于石墨烯的電控太赫茲減反射膜，其特征在于，包括至少兩層石墨烯層，每兩層相鄰的石墨烯層之間鋪有一層介質層，所述介質層將該兩層石墨烯層分隔開。2.如權利要求1所述的基于石墨烯的電控太赫茲減反射膜，其特征在于，所述石墨烯層為2~6層。3.如權利要求1所述的基于石墨烯的電控太赫茲減反射膜，其特征在于，所述減反射膜的反射系數為O時即實現減反射，反射系數的計算式為: 4.如權利要求1所述的基于石墨烯的電控太赫茲減反射膜，其特征在于，所述減反射膜中的石墨烯層數根據所需要的元件或基底的折射率的可調范圍進行確定:2層石墨烯實現減反射的元件或基底的折射率范圍為1.2~2.4 ;4層石墨烯實現減反射的元件或基底的折射率范圍為1.3~3.8 ;6層石墨烯實現減反射的元件或基底的折射率范圍為1.5~5.2。5.如權利要求1所述的基于石墨烯的電控太赫茲減反射膜，其特征在于，所述石墨烯層的面積大于太赫茲光斑的面積，即不小于1cm2。6.如權利要求1所述的基于石墨烯的電控太赫茲減反射膜，其特征在于，所述介質層采用二氧化硅、氮化硼或三氧化二鋁；所述電極采用金屬或者合金電極。7.權利要求1所述的基于石墨烯的電控太赫茲減反射膜的制備方法，其特征在于，將所述減反射膜使用前加工于基底或太赫茲元件上，在太赫茲元件或基底上按照由下至...

【專利技術屬性】
技術研發人員：徐新龍，周譯玄，任兆玉，白晉濤，
申請(專利權)人：西北大學，
類型：發明
國別省市：陜西;61