石墨烯与太赫兹器件

多功能可调谐太赫兹石墨烯超表面1. 引言1.1 研究背景太赫兹波是指频率介于100 GHz至10 THz之间的电磁波，具有穿透力强、非电离性、对生物体无害等特点，因此在通信、成像、安全检测等领域具有广泛应用前景。

然而，太赫兹波在传输和控制过程中存在着一系列技术挑战，其中之一就是如何有效调控太赫兹波信号的传播和传感性能。

石墨烯是一种由碳原子单层构成的二维晶体材料，具有优异的电学、热学和光学性能，被广泛研究和应用于光电子器件、传感器等领域。

近年来，研究人员发现将石墨烯与太赫兹技术相结合，可以制备出一种具有多功能可调谐性能的太赫兹石墨烯超表面。

这种超表面不仅可以有效调控太赫兹波信号的传播与传感性能，还具有优异的多功能性能，为太赫兹技术的应用提供了新的解决方案。

因此，研究太赫兹石墨烯超表面具有重要的科学意义和应用价值。

本文将对太赫兹石墨烯超表面的制备方法、特性分析、多功能性能研究以及在通信和成像领域的应用进行深入探讨，为未来太赫兹技术的发展提供有力支持与引导。

1.2 研究意义多功能可调谐太赫兹石墨烯超表面则是将石墨烯与超表面结合，通过控制石墨烯的电学性质来实现太赫兹波的调控。

这种新型材料不仅能够在太赫兹波段实现频率调谐，还能够实现极化控制、波束整形和波束聚焦等功能。

研究多功能可调谐太赫兹石墨烯超表面具有重要的意义。

这种材料的制备和应用可以推动太赫兹领域的技术发展，提高太赫兹波在通信、成像等领域的应用效率和性能。

多功能性的研究将拓展太赫兹石墨烯超表面的应用领域，促进更多领域的技术创新。

这种材料的研究对于推动石墨烯材料在电磁波调控领域的应用也具有重要的推动作用。

研究多功能可调谐太赫兹石墨烯超表面的意义重大，并具有广阔的发展前景。

2. 正文2.1 太赫兹石墨烯超表面的制备方法太赫兹石墨烯超表面的制备方法是一项复杂而精密的工艺过程，需要经过多步骤才能实现。

需要准备高质量的石墨烯材料作为基底，通常采用化学气相沉积或机械剥离法获取单层石墨烯。

571 概述太赫兹波（THz波）是位于高频红外波和低频微波之间，且频率为0.1THz到10THz范围内的一种电磁波[1]。

虽然太赫兹波具有许多优异的性质，但是传统的光电子器件在太赫兹频段内因缺乏有效的器件导致无法高效地工作。

太赫兹超材料的出现弥补了太赫兹波段大多数材料较弱的电磁响应，对太赫兹技术的发展有着重要的指导意义。

其中，太赫兹完美吸收器作为太赫兹频段的重要光电子器件，在滤波、传感、热辐射等方面有着非常重要的应用[2]，得到了广泛关注。

早期超材料吸收器为金属-介质-金属的“三明治”结构[3]。

为了实现零反射，使入射的电磁波完全被吸收，这就需要设计吸收器的材料属性和尺寸结构，以便使吸收器的等效阻抗与自由空间的阻抗相匹配[4]。

这些吸收器通常只能工作在某个具体的频率下，若想满足其他频率下共振吸收的要求，就只有改变设计结构的尺寸来调节共振频率，这样会带来很大的不便。

因此，在不改变吸收器自身结构的基础上可通过改变材料的可调性质来改变其电磁特性的动态可调材料吸波器备受关注。

石墨烯，一种紧密包裹在二维蜂窝晶格中的单层碳原子，是近年来的研究热点[5]。

由于石墨烯的表面电导率可以通过静电掺杂或施加偏置电压来轻松调节[6]，可实现THz范围内的可调吸收谱。

石墨烯应用在太赫兹吸收器结构上可以实现共振频率可调、多个频点吸收和增加吸收带宽的要求[7]，但是尚无文献实现多频共振的同时实现不同频点的单独可调，进而实现滤波器的灵活调节。

本文设计了一种电可调材料石墨烯太赫兹吸收器，其由2个半径接近的石墨烯圆盘组成单元结构，使太赫兹石墨烯吸收器分别在共振频率2.7999THz和3.2899THz处实现了99%和85.4%的双频吸收效果，并且通过同时改变2个石墨烯圆盘化学势和单独改变每一个石墨烯圆盘化学势，实现了共振频率同时可调以及各个石墨烯圆盘单独可调的效果，并且在单独可调时也能达到90%以上的吸收。

为实现灵活地调控共振频率，有效地提高了这些器件在太赫兹波段诸如多频带滤波、吸收等应用提供了指导意义。

石墨烯可用于重构太赫兹光电子学这篇文章阐述了设计重构太赫兹器件的潜力，这类太赫兹器件使用的是具有电学可调谐光学特性的石墨烯调制器和开关。

Berardi Sensale-Rodrı´guez, Student Member IEEE, Rusen Yan, Lei Liu, Member IEEE, Debdeep Jena, Member IEEE, and Huili Grace Xing, Member IEEE翻译：蒋均摘要：在这篇文章中，我们测试了石墨烯作为一种材料用于重构太赫兹光电学。

他能在相当大的太赫兹频带中实现电控调节光学特性，联合其具有的2维特性和易集成特点，这将会导致它有独特的性能从而设计新的太赫兹器件，与此同时也可以提高现行的太赫兹技术。

我们第一次回顾了从石墨烯发现至今在太赫兹光电器件上的表现，包括大面积石墨烯、等离子体的和超材料的器件。

进一步的讨论先进的设计和挑战将会在后面进行。

关键词：自主优化；滤波器；石墨烯；超材料；调制器；等离子体；重构；开关；太赫兹；介绍有前途的运用包括很多的人们致力的领域，其中包括了医药、生物学、通信系统，安全和天文学等等，在最近几年里太赫兹技术已经转变为一个比较热门的研究领域[1]-[3]。

在太赫兹常常被定义在0.1-30THz频段内，是近几十年内最少被研究的电磁频谱，主要因为缺乏在该频段与之产生作用并可以控制的材料和器件。

但是由于太赫兹发射和探测技术的不断提高，太赫兹科学技术在工业和商业应用得到了更多的关注。

例如，太赫兹成像技术运用在几个医学和安全运用行业（例如：牙成像[5]，活体内皮肤癌探测[6]，死人扫描仪[7]等），因为相比更长波长辐射源，太赫兹波更能实现高空间分辨率（比如毫米波），同时也可以比短波长（例如紫外线和X光射线）不容易电离。

同样的许多很重要的光谱信息也在太赫兹频段，这使得太赫兹光谱分析对薄膜特性分析中成为一种很有效的技术[9]，生物学运用[10]和非法物品的检测（比如爆炸物和毒药等）[11]。

第 21 卷 第 8 期2023 年 8 月Vol.21，No.8Aug.，2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology石墨烯动态调控太赫兹表面等离激元张葆青，冯明明，张翼飞*，宋爱民(山东大学微电子学院，山东济南250100)摘要：太赫兹表面等离激元(SPPs)是利用亚波长周期性结构在太赫兹频段模拟的具有与可见光频段表面等离激元相似的光学特性的电磁波，分为传输型和局域型2种。

本文将石墨烯引入太赫兹表面等离激元结构作为动态激励源，通过外加偏压改变石墨烯的电导率，分别实现了对传输型表面等离激元的幅度、频率、相位和对局域表面等离激元共振强度的动态调控。

本文方法为表面等离激元的动态调控提供了新的思路，拓宽了表面等离激元在太赫兹频段的应用。

关键词：表面等离激元；太赫兹；石墨烯；动态调控中图分类号：TN29；O441.4文献标志码：A doi：10.11805/TKYDA2022163Active modulation of terahertz Surface Plasmons Polaritons with grapheneZHANG Baoqing，FENG Mingming，ZHANG Yifei*，SONG Aimin(School of Microelectronics，Shandong University，Jinan Shandong 250100，China)AbstractAbstract：：Terahertz(THz) Surface Plasmons Polaritons(SPPs) can mimic optical Surface Plasmons (SPs) and obtain similar optical properties with periodic sub-wavelength structures, which typicallyconsist of propagating SPPs and Localized Surface Plasmons(LSPs). In this work, graphene is utilized asthe active stimuli to dynamically control the amplitude, frequency, and phase of SPPs and reconfigure theresonant modes of LSPs at various bias voltages. Such design provides new solutions for active control ofSPPs and LSPs at THz frequencies.KeywordsKeywords：：Surface Plasmons Polaritons；terahertz；graphene；active modulation表面等离激元(SPPs)是金属和介质交界面上的自由电荷集体振荡形成的一种电磁表面波，具有局域电场增强和突破光学衍射极限的特点，在生物传感、超分辨力成像、高效光伏等领域应用广泛[1]。

《基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹可调谐超材料吸收器》篇一一、引言随着科技的飞速发展，超材料在电磁波谱的各个波段都展现出其独特的性能和应用潜力。

在太赫兹（THz）波段，超材料吸收器由于具有高性能、小型化和集成化等特点，已经广泛应用于各类安全检查、医学成像、能量传输和感知系统中。

本篇论文介绍一种基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹可调谐超材料吸收器，其独特的性质和潜在的应用前景将得到详细阐述。

二、石墨烯和二氧化钒的特性和应用1. 石墨烯石墨烯是一种二维原子晶体，其优异的导电性能和极高的光学对比度使其成为纳米光子器件的重要材料。

在太赫兹波段，石墨烯的电导率可以通过外部电场进行动态调控，从而实现对太赫兹波的吸收和反射的调控。

2. 二氧化钒（VO2）二氧化钒是一种典型的相变材料，其在一定温度下会从绝缘体变为金属，这种相变过程伴随着显著的电导率和光学性质的变化。

在太赫兹超材料吸收器中，二氧化钒的这种特性可以用于实现吸收器的动态可调谐性。

三、基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹可调谐超材料吸收器的设计本论文所设计的太赫兹可调谐超材料吸收器，以石墨烯和二氧化钒为主要材料，通过特定的结构设计，实现了对太赫兹波的吸收和反射的动态调控。

具体设计如下：1. 结构设计吸收器由多个周期性的亚波长结构组成，这些结构包含印有石墨烯的金属片，以及金属片上方的二氧化钒薄膜。

通过调整石墨烯和二氧化钒的厚度、金属片的形状和大小等参数，可以实现对太赫兹波的吸收和反射的精确调控。

2. 工作原理在无外加电场的情况下，二氧化钒处于绝缘态，对太赫兹波的吸收较小。

当外加电场作用于石墨烯时，石墨烯的电导率发生变化，从而改变对太赫兹波的吸收和反射。

同时，随着温度的变化，二氧化钒从绝缘态变为金属态，其电导率和光学性质也会发生变化，从而影响对太赫兹波的吸收。

通过同时调整石墨烯和二氧化钒的状态，可以实现太赫兹波的吸收和反射的动态调控。

四、实验结果与讨论通过实验验证了本论文所设计的太赫兹可调谐超材料吸收器的性能。

多功能可调谐太赫兹石墨烯超表面近年来，太赫兹波技术因其在非破坏性检测、生物医学成像、通信和安全检测等领域的广泛应用而备受关注。

太赫兹波的频率介于毫米波和红外线之间，在电磁波谱中的位置被称为太赫兹频段。

与其他波长的电磁辐射相比，太赫兹波能够穿透一些不透明材料（如纸、塑料和衣物等），因此在安全检测方面具有广阔的应用前景。

太赫兹波的应用离不开提供高效、可调谐的太赫兹波析出离子源。

目前，石墨烯超表面作为太赫兹元件展示了其优越的特性。

石墨烯是一种单层碳原子片，具有独特的电子输运性质和强烈的光与物质耦合作用。

与传统的金属太赫兹元件相比，石墨烯超表面还能通过控制石墨烯的化学组成和结构来调节其电子传输性能，实现太赫兹波的可调谐性。

这使得石墨烯在太赫兹领域的应用具有很大的优势。

相关研究表明，石墨烯超表面能够支持多种太赫兹波模式，并且通过控制其结构可以实现太赫兹波模式的选择和调谐。

具体来说，石墨烯超表面的局域化表面等离子体共振（LSPR）模式和表面等离子体极化（SPP）模式可以被用来处理太赫兹波的能量和波矢。

此外，石墨烯超表面还可以被用来设计太赫兹波用途的突破性设备，例如太赫兹元件阵列、频率选择器、太赫兹滤波器和太赫兹变焦镜等。

值得注意的是，石墨烯超表面在太赫兹领域的应用还面临着一些挑战。

首先，虽然石墨烯是一种非常优秀的导体，但在太赫兹频段内的电阻率相对较高，因此石墨烯超表面的耗散热效应需要被充分考虑。

其次，石墨烯超表面有着很大的制备难度，需要实现高精度的制备和表征过程。

此外，太赫兹领域的应用也需要大规模、可靠的制造流程和相应的传感器技术。

总的来说，石墨烯超表面在太赫兹领域中呈现出优越的性能，因此它在太赫兹波源、调制器、探测器和降噪器等领域都有很大的应用前景。

石墨烯超表面的研究和发展将继续向前推进，为太赫兹领域的进一步发展和应用提供强有力的支持。

石墨烯太赫兹芯片石墨烯太赫兹芯片是一种基于石墨烯材料的微型电子芯片，可以在太赫兹频段进行信号传输和处理。

石墨烯是一种由碳原子组成的单层蜂窝状结构，具有优异的导电性、热导性和机械强度，被广泛应用于各种领域的科技产品中。

太赫兹波段是指频率范围在0.1 THz到10 THz之间的电磁波。

这一频段的电磁波具有穿透力强、分辨率高、无辐射危害等优点，在生物医学、安全检测、通信等领域有着重要的应用前景。

然而，由于太赫兹波段的特殊性，传统的电子器件很难在该频段上进行高效的信号传输和处理。

石墨烯作为一种具有出色电子特性的材料，被认为是太赫兹应用领域的理想材料之一。

石墨烯的高载流子迁移率和宽带隙特性，使其能够在太赫兹频段实现高速、低噪声的信号传输和处理。

利用石墨烯材料制备的太赫兹芯片，可以实现更高的频率响应、更低的功耗和更小的尺寸，为太赫兹技术的发展提供了重要的支持。

石墨烯太赫兹芯片的制备主要包括两个关键步骤：石墨烯的制备和芯片的加工。

石墨烯的制备可以通过机械剥离、化学气相沉积、化学气相沉积还原等方法进行。

在制备过程中，需要控制石墨烯的层数、晶格缺陷等参数，以获得具有理想电子特性的石墨烯材料。

芯片的加工则包括沉积金属电极、制作微纳结构等步骤，用于实现电子器件的连接和信号传输。

石墨烯太赫兹芯片在各个领域都具有广泛的应用前景。

在生物医学领域，石墨烯太赫兹芯片可以用于皮肤病变的早期检测、癌症细胞的检测和治疗等。

在安全检测领域，石墨烯太赫兹芯片可以用于爆炸品和毒品的检测、隐蔽武器的探测等。

在通信领域，石墨烯太赫兹芯片可以用于高速无线通信、毫米波雷达等。

然而，石墨烯太赫兹芯片的商业化应用还面临一些挑战。

首先，石墨烯的制备成本较高，导致石墨烯太赫兹芯片的价格较高。

其次，石墨烯的稳定性和可靠性有待提高，以满足实际应用的需求。

此外，石墨烯太赫兹芯片的标准化和产业化程度较低，需要进一步加强研发与产业的结合，推动其商业化进程。

石墨烯太赫兹芯片作为一种具有巨大潜力的新型微电子器件，将在太赫兹应用领域发挥重要作用。