[发明专利]光控太赫兹波调制芯片及其制备方法

说明书

本发明提供了一种光控太赫兹波调制芯片及其制备方法。该光控太赫兹波调制芯片包括：半导体衬底；以及形成于半导体衬底上的杂化结构，该杂化结构包括：微纳耦合结构，以及分散至微纳耦合结构的多个的金纳米双锥；其中，所述金纳米双锥的长径比大于等于1。本发明中，集成了金纳米材料非凡的等离子体共振特性以及纳米双锥的独特结构特征，金纳米双锥具有更大的局部电场增强、更大的光学截面、更窄的线宽、更好的形状和尺寸均匀性以及更高的折射率灵敏度，大大提升了光控太赫兹调控芯片的适用范围。

技术领域

本发明涉及光学调制芯片技术领域，尤其涉及一种光控太赫兹波调制芯片及其制备方法。

背景技术

太赫兹(THz)技术以其在成像、通信和传感等方面的突出特点正发挥着越来越重要的作用。这些进展在很大程度上取决于对太赫兹调制元件的探索，以及在源和探测器方面的巨大进步。在调制深度、插入损耗、空间分辨率、速度和带宽等方面具有优异性能的功能器件，如调制器，对THz波的幅度、频率和相位进行有效地控制和操作，是当前迫切需要的。由于缺乏有效的策略和合适的材料，在太赫兹波段制备功能器件方面仍然是一个挑战。

在实现本发明的过程中，申请人发现传统技术中太赫兹波调制芯片的调制率较低，无法实现大幅度调制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明以期至少部分地解决以上技术问题中的至少之一。

(二)技术方案

为了实现如上目的，根据本发明的一个方面，提供了一种光控太赫兹波调制芯片，包括：半导体衬底；以及形成于半导体衬底上的杂化结构，该杂化结构包括：微纳耦合结构，以及分散至微纳耦合结构的多个的金纳米双锥；其中，金纳米双锥的长径比大于等于1。

在本发明的一些实施例中，金纳米双锥为五孪晶结构；五孪晶结构包括对称堆叠的两个五边形金字塔结构；五边形金字塔结构的尖端角介于26°～32°之间，五边形金字塔结构的侧面为{100}晶面，且其晶面沿锥轴方向步进，向{111}晶面倾斜。

在本发明的一些实施例中，微纳耦合结构为纳米线层；金纳米双锥嵌入到纳米线层的纳米线中。

在本发明的一些实施例中，半导体衬底为单晶n型的硅晶片；纳米线层为对硅晶片的表层进行刻蚀而形成的硅纳米线层。

在本发明的一些实施例中，微纳耦合结构为超材料阵列；其中，超材料阵列包括：M×N个超材料单元；M≥1，N≥1，金纳米双锥附着在超材料单元表面。

在本发明的一些实施例中，超材料单元选自于以下形式中的一种或者多种：单圆劈裂谐振环、双圆劈裂谐振环、单劈裂谐振环和双劈裂谐振环。

在本发明的一些实施例中，在高度方向上，超材料单元包括：形成于半导体衬底上的Cr层；以及形成于Cr层上的Au层；其中，Cr层的厚度介于1nm～10nm之间；Au层的厚度介于50nm～1000nm之间；在长度和宽度方向上，超材料单元在半导体衬底面上的尺度介于20μm～100μm之间。

为了实现如上目的，根据本发明的第二个方面，还提供了一种制备方法，用于制备如上的光控太赫兹波调制芯片，包括：步骤A，在半导体衬底上形成微纳耦合结构；以及步骤B，在形成有微纳耦合结构的半导体衬底上合成多个的金纳米双锥。

在本发明的一些实施例中，微纳耦合结构为纳米线层；半导体衬底为单晶n型的硅晶片；步骤A包括：通过金属辅助化学刻蚀方法在硅晶片上制备硅纳米线层。

在本发明的一些实施例中，微纳耦合结构为超材料阵列；步骤A包括：通过光学刻蚀方法在半导体衬底上制备光刻胶掩模；利用光刻胶掩膜在半导体衬底上形成M×N个超材料单元，构成超材料阵列。