[发明专利]一种基于石墨烯/超材料协同驱动的电控液晶可调太赫兹波吸收器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹光电子技术领域，特别是一种基于石墨烯/超材料协同驱动的电控液晶可调太赫兹波吸收器及其制备方法。

背景技术

液晶材料兼具液体的流动性及晶体的有序性，由于其优异的外场（电场、磁场、光场、声场、温场等）调谐特性，在信息显示及可调光子器件中发挥着重要的应用。向列相液晶是最常用的一种相态，在所有向列相液晶应用中，取向是首要环节。传统的取向方式以摩擦取向应用最为广泛，其存在易对表面造成机械损伤、静电荷残留及颗粒污染物，不易实现多畴结构取向等缺陷。而新兴的光取向技术则可以完全克服上述不足，被视为最有竞争力的下一代液晶取向技术。

近年来，人们对太赫兹频段的研究和应用日益增多，但适用于太赫兹频段的光子学器件，尤其是可调控器件仍十分稀少。液晶作为常用的可调控电光材料，在可见及红外波段的光子学器件已得到广泛开发和应用。但应用于太赫兹频段时，一方面，通常采用的透明导电薄膜氧化铟锡将不再适用，而单纯的金属层也无法满足要求，因此需要寻求新的电极设计。另一方面大多数液晶材料的双折射在太赫兹频段会比较小，因此可调控量也较小，在一般的设计中很难达到实用的要求。而一些用以增加调制量的特殊手段如叠层结构等则在透明电极缺乏的条件下，损耗会严重增加。

发明内容

解决的技术问题： 针对上述技术问题，本发明提供了一种基于石墨烯/超材料协同驱动的电控液晶可调太赫兹波吸收器及其制备方法，制备方法简便高效，能够任意设计亚波长单元结构阵列，制备的太赫兹波吸收器具有良好的电场分布和控制液晶的能力，同时具备调制频段宽、调制速度快等优点。

技术方案：一种基于石墨烯/超材料协同驱动的电控液晶可调太赫兹波吸收器，所述吸收器包括石英基板a、液晶层和石英基板b，石英基板a和石英基板b通过框胶结合构成液晶盒，液晶层设于石英基板a和石英基板b相接处；石英基板a的内侧从里到外依次包括周期亚波长金属单元阵列、多孔石墨烯层和光取向层a；所述石英基板b的内侧从里到外依次包括金属反射镜和光取向层b；所述液晶层包括二氧化硅微球衬垫材料和液晶材料，所述二氧化硅微球衬垫材料设于所述液晶层四周，分别与石英基板a和石英基板b的内侧相接，所述液晶材料为太赫兹波段大双折射率液晶材料，待石英基板a、二氧化硅微球衬垫材料和石英基板b框胶结合成液晶盒后注入二氧化硅微球衬垫材料形成的中间空气层中。

作为优选，所述多孔石墨烯层中石墨烯的层数是2-5层，其表面分布有直径为微米级的孔洞。

作为优选，所述周期亚波长金属单元阵列的周期小于入射光太赫兹的波长，为100~200 μm。

作为优选，所述周期亚波长金属单元阵列为十字形或圆盘形，厚度为100~500 nm。

作为优选，所述金属反射镜为金属平板，厚度为100-500 nm。

作为优选，所述液晶材料在0.5-2.5 THz时的双折射率为0.25-0.4。

本发明的另一个技术方案为所述一种基于石墨烯/超材料协同驱动的电控液晶可调太赫兹波吸收器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤一.取石英基板a和石英基板b熔融，在熔融石英基板a内侧通过光刻和镀膜工艺设置周期亚波长金属单元阵列，在石英基板b内侧通过镀膜工艺设置金属反射镜；

步骤二.在铜箔衬底上生长2~5层化学气相沉积法（CVD）生长的石墨烯，然后将石墨烯薄膜通过常规转移法从铜箔衬底上转移至周期亚波长金属单元阵列表面，然后对其表面进行紫外臭氧方法处理，制得表面带有微米级孔洞的多孔石墨烯层；

步骤三.在多孔石墨烯层表面涂敷光控取向剂薄膜制得光取向层a，在金属反射镜的表面涂敷光控取向剂薄膜制得光取向层b，所述光控取向剂薄膜为取向在光敏取向剂的薄膜制得；

步骤四.选取液晶材料，根据所选取的液晶材料的折射率参数和目标吸收器类型计算出所需要的液晶层厚度d，液晶层厚度d取λ/(40n)到λ/(20n)之间，并选择直径对应液晶层厚度值的二氧化硅微球作为四周衬垫材料，λ是波长，n是液晶折射率；

步骤五.在光取向层b表面的四周放置二氧化硅微球衬垫材料后，将石英基板a内侧光取向层a所在面和石英基板b内侧光取向层b所在面相对放置，然后曝光赋予光控取向剂薄膜分子均匀指向，再使用框胶将石英基板a、二氧化硅微球衬垫材料和石英基板b从上到下封装成液晶盒；

步骤六.将液晶材料注入液晶盒内二氧化硅微球衬垫形成的中间空气层中，最终利用液晶的电控双折射特性，通过电压调节液晶的折射率来实现超宽带太赫兹波的调控。