非線性太赫茲超材料研究與展望

劉姍姍，李 泉，王 爽，陳 泰

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)電子工程學(xué)院，天津 300222）

太赫茲頻段，一般定義在0.1～10 THz（1 THz =1012Hz）范圍，在電磁波譜中位于微波與紅外線波之間。太赫茲有光子能量低、脈寬窄、穿透性強(qiáng)、相干性較高等一系列獨(dú)特的性質(zhì)，因此許多科研小組在此領(lǐng)域展開相關(guān)研究。目前，隨著太赫茲技術(shù)的發(fā)展，太赫茲技術(shù)已經(jīng)在宇宙探索、軍事國防、醫(yī)學(xué)診斷、材料特性檢測、通信和雷達(dá)等多個(gè)重要領(lǐng)域顯示出了獨(dú)特的優(yōu)越性和重要的應(yīng)用前景[1]。太赫茲技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，不僅需要高性能的太赫茲發(fā)射源和探測器，還需要大量配套功能器件，如濾波器、傳感器和調(diào)制器等。而這些功能器件，目前在太赫茲波段非常匱乏，限制了太赫茲技術(shù)的實(shí)用化。出現(xiàn)這個(gè)狀況的一個(gè)重要原因就是許多常規(guī)的材料以及現(xiàn)有技術(shù)并不適用于太赫茲波段。近年來，超材料的出現(xiàn)為解決這一現(xiàn)狀提供了有效途徑。

目前利用石墨烯電導(dǎo)率可調(diào)的特性調(diào)制太赫茲波是太赫茲領(lǐng)域中備受矚目的研究方向，尤其是利用石墨烯和超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)來調(diào)制太赫茲，極大地優(yōu)化了相應(yīng)調(diào)制器件的性能，有望實(shí)現(xiàn)新一代主動式太赫茲調(diào)制器件。然而，在以往的研究中，主要用到的是低太赫茲入射場下石墨烯的線性性質(zhì)，關(guān)于強(qiáng)太赫茲入射場下石墨烯非線性效應(yīng)的研究工作還鮮有報(bào)道，且已報(bào)道的相關(guān)太赫茲調(diào)制深度也有待提高。本文旨在采用石墨烯和超材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用超材料微結(jié)構(gòu)的近場增強(qiáng)效應(yīng)增強(qiáng)石墨烯的非線性效應(yīng)，研究強(qiáng)場太赫茲入射下非線性石墨烯和超材料相互作用的物理過程，為推動太赫茲波段可調(diào)諧非線性太赫茲調(diào)制器件的發(fā)展提供參考。

1 基于超材料的太赫茲功能器件

超材料（metamaterials），是由亞波長的微結(jié)構(gòu)陣列排布而成，是一種可以高效調(diào)控電磁波的新型人工材料，且適用于各個(gè)波段。超材料的一個(gè)重要特點(diǎn)就是其任意可設(shè)計(jì)性，通過改變其組成微結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸，便可以改變其對電磁波的調(diào)控方式，這為實(shí)現(xiàn)新一代電磁波功能器件，尤其是太赫茲功能器件，創(chuàng)造了巨大的空間和可能[2]。

近年來，國內(nèi)外眾多科研小組圍繞基于超材料的太赫茲功能器件開展了系統(tǒng)的研究工作，太赫茲超材料作為實(shí)現(xiàn)太赫茲功能器件的主要方式，使得此類功能器件的研究有了重大的突破和創(chuàng)新。目前，相關(guān)功能器件有很多種，包括隱身衣、完美吸收體、偏振控制器、傳感器、濾波器和調(diào)制器等[3-9]。其中，太赫茲調(diào)制器在實(shí)現(xiàn)太赫茲通訊、雷達(dá)和成像等方面有著非常重要的應(yīng)用前景，尤其是高調(diào)制深度的主動式太赫茲調(diào)制器。

目前關(guān)于主動式太赫茲調(diào)制器的研究有很多，主要是將太赫茲超材料與功能材料相結(jié)合，如半導(dǎo)體和超導(dǎo)體等，通過光泵、電壓和溫度等調(diào)控手段，改變功能材料的性質(zhì)，進(jìn)而改變超材料微結(jié)構(gòu)的諧振，從而調(diào)制太赫茲波[8，10-12]。

2 超材料微結(jié)構(gòu)的近場增強(qiáng)效應(yīng)

超材料的微結(jié)構(gòu)單元，一般由金屬構(gòu)成，在外加電磁波激勵(lì)下，會激發(fā)出特定的等離子體諧振，諧振的近場在振蕩過程中會逐漸被散射和吸收，散射出去的場即為向遠(yuǎn)場輻射的電磁波。因此，通過設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)的諧振方式，可以設(shè)計(jì)遠(yuǎn)場處電磁波的傳輸行為，這也是主動式調(diào)制器件的工作原理。微結(jié)構(gòu)的諧振近場一般都會局域在微結(jié)構(gòu)表面很小的距離內(nèi)，這相當(dāng)于場在空間上被極度壓縮，因此微結(jié)構(gòu)的近場電磁場強(qiáng)度要明顯高于外加的電磁場強(qiáng)度，這就是超材料微結(jié)構(gòu)的近場增強(qiáng)效應(yīng)。

超材料微結(jié)構(gòu)的近場增強(qiáng)效應(yīng)在光波和紅外波段研究較多，利用該效應(yīng)，可以進(jìn)行微量物質(zhì)的分析、傳感和拉曼增強(qiáng)等[13-15]。在太赫茲波段，也有關(guān)于近場增強(qiáng)的研究。2009 年，韓國首爾國立大學(xué)Seo 等[16]研究了金屬縫微結(jié)構(gòu)的太赫茲近場增強(qiáng)效應(yīng)，當(dāng)縫寬為70 nm 時(shí)，將0.1 THz 的電場增強(qiáng)了近1 000 倍。2016年，天津大學(xué)太赫茲研究中心Zhang 等[17]，研究了不同形狀雙金屬環(huán)微結(jié)構(gòu)的近場增強(qiáng)效應(yīng)，在開口間距為5 μm 時(shí)，開口處電場最高增強(qiáng)了33.59 倍。在應(yīng)用方面，2016 年，日本大阪大學(xué)Nakajima 等[18]將超材料微結(jié)構(gòu)的近場增強(qiáng)效應(yīng)應(yīng)用到了太赫茲探測和法拉第旋光效應(yīng)增強(qiáng)領(lǐng)域。

3 太赫茲波段石墨烯的非線性效應(yīng)

3.1 石墨烯的基本特性

石墨烯是一種單層碳原子排列而成的二維平面材料，其狄拉克狀的能帶結(jié)構(gòu)決定了這種材料具有非常優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，如較高的電子遷移率、可調(diào)的光學(xué)電導(dǎo)率等。經(jīng)過十多年的發(fā)展，石墨烯的應(yīng)用已拓展到傳感器、晶體管、柔性顯示屏、新能源電池、感光元件、復(fù)合材料、航天航空和生物材料等方面。在光學(xué)方面，通過外加電控或光控，可以控制石墨烯的費(fèi)米能級和載流子散射率等，進(jìn)而控制石墨烯的光學(xué)電導(dǎo)率，而不同的電導(dǎo)率對應(yīng)不同的光學(xué)反射率和透過率，從而達(dá)到調(diào)制的目的。利用該機(jī)制，石墨烯已在紅外和太赫茲波段顯示出了卓越的調(diào)制性能[19]。

3.2 石墨烯線性效應(yīng)的應(yīng)用

目前，利用石墨烯來調(diào)制太赫茲波的相關(guān)工作有很多，主要是基于石墨烯在外加激勵(lì)（光泵、偏壓）下其電導(dǎo)率會發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對太赫茲透射或反射的主動式調(diào)控，包括石墨烯單獨(dú)調(diào)控和石墨烯結(jié)合超材料調(diào)控。關(guān)于石墨烯單獨(dú)調(diào)控，代表性的有：2011年，Ju 等[20]研究了石墨烯光柵結(jié)構(gòu)在外加偏壓下對太赫茲透射的調(diào)制情況，結(jié)合石墨烯的金屬性引入等離子體諧振，在3 THz 頻率處，2 V 的偏壓下實(shí)現(xiàn)了對太赫茲波的13%的調(diào)制深度。2012 年，美國圣母大學(xué)Sensalrodriguez 等[21]，研究了單層石墨烯-SiO2層-硅結(jié)構(gòu)對太赫茲透射的調(diào)制情況，在外加50 V 偏壓下實(shí)現(xiàn)了對太赫茲透射的16%的調(diào)制。2013 年，美國哥倫比亞大學(xué)Jnawali 等[22]，研究了石英基底上單層石墨烯在外加飛秒激光光泵下對太赫茲波的調(diào)制情況，發(fā)現(xiàn)太赫茲透射隨光泵強(qiáng)度的增強(qiáng)逐漸升高，在160 μJ/cm2的泵浦下，得到了約4%的太赫茲調(diào)制深度。關(guān)于石墨烯結(jié)合超材料調(diào)控，代表性的有：2012 年，韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究院Lee 等[23]，研究了雙層金屬光柵夾雜下單層石墨烯與金屬環(huán)微結(jié)構(gòu)在外加電壓下對太赫茲透射的調(diào)制情況，在微結(jié)構(gòu)諧振頻率處，得到了最高47%的太赫茲調(diào)制深度。2015 年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Liu 等[24]，研究了互補(bǔ)金屬開口諧振環(huán)與石墨烯微帶線的復(fù)合結(jié)構(gòu)對太赫茲波的調(diào)制情況，在10 THz 處實(shí)現(xiàn)了60%的太赫茲調(diào)制深度?？梢?，較同等類型的調(diào)制方式來說，與超材料結(jié)合得到的調(diào)制深度要明顯高于石墨烯單獨(dú)調(diào)制的效果。

近年來，研究人員為提高對太赫茲波的調(diào)制深度，又額外引入了其他功能材料，如半導(dǎo)體。通過外加光泵激發(fā)半導(dǎo)體中的載流子，作為石墨烯中載流子的補(bǔ)充源，以進(jìn)一步提高石墨烯電導(dǎo)率的變化范圍。2014 年，中國電子科技大學(xué)Wen 等[25]，在外加紅外激光泵浦下，研究了石墨烯和鍺的復(fù)合結(jié)構(gòu)對太赫茲透射的調(diào)制情況，得到了最高94%的太赫茲調(diào)制深度。2015 年，Li 等[26]采用石墨烯和硅的復(fù)合結(jié)構(gòu)，同時(shí)在外加綠光光泵和電壓條件下，實(shí)現(xiàn)了對太赫茲的類二極管式調(diào)制，在420 MW 泵光功率和-4 V 電壓下實(shí)現(xiàn)了83%的太赫茲調(diào)制深度；之后又進(jìn)一步與超材料結(jié)合，在諧振頻率處實(shí)現(xiàn)了60%的太赫茲調(diào)制深度[27]。

3.3 石墨烯非線性效應(yīng)的應(yīng)用

不難發(fā)現(xiàn)，以上工作在調(diào)制太赫茲方面取得了很好的效果，但這些研究都是利用石墨烯的線性效應(yīng)特性進(jìn)行的研究，入射太赫茲強(qiáng)度不高。與線性效應(yīng)的研究對比，石墨烯非線性效應(yīng)研究表現(xiàn)得滯后一些。這里的非線性效應(yīng)，指的是石墨烯在強(qiáng)太赫茲電場入射下，不同強(qiáng)度太赫茲波對應(yīng)不同的石墨烯電導(dǎo)率變化，導(dǎo)致太赫茲波的透射率和反射率不同，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)制太赫茲的目的?？梢?，相關(guān)調(diào)制器件本身就是一種主動式調(diào)制器件。此種調(diào)制與傳統(tǒng)的光控、電控方法相比，具有獨(dú)特的優(yōu)勢：①現(xiàn)有利用石墨烯線性效應(yīng)調(diào)控太赫茲波的方法已經(jīng)很成熟，可以在這些方法上再附加非線性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的非線性效應(yīng)。②在調(diào)制速度方面，非線性效應(yīng)基本上是瞬間產(chǎn)生的，因此可用于實(shí)現(xiàn)對太赫茲的快速調(diào)控[28]。然而，目前關(guān)于石墨烯在太赫茲波段下的非線性效應(yīng)研究還很匱乏，主要研究是在國外展開。

2013 年，美國俄勒岡州立大學(xué)Paul 等[29]，研究了強(qiáng)場太赫茲下石墨烯的非線性響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)石墨烯在太赫茲電場強(qiáng)度高10 kV/cm 時(shí)會展現(xiàn)出非線性行為，太赫茲的透過率隨太赫茲強(qiáng)度的增加而逐漸升高，在電場強(qiáng)度為70 kV/cm 時(shí)太赫茲透過增加了15%。2015 年，加拿大國家科學(xué)研究院的Hafez 等[30]，研究了石墨烯在外加飛秒激光泵浦下的非線性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)光泵強(qiáng)度越高，對太赫茲透射的調(diào)制深度越小。同年，該組研究人員與其合作者又研究了外加偏壓下石墨烯的非線性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)外加電壓越大，對太赫茲透射的調(diào)制深度越大[31]。2016 年，美國馬里蘭大學(xué)Suess 等[32]，研究了7 THz 處多層石墨烯在太赫茲泵浦下的非線性效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著泵浦太赫茲強(qiáng)度升高，探測太赫茲光束的反射和透射變化趨勢不同。

以上在太赫茲波段對石墨烯非線性效應(yīng)的研究，從近幾年才開始，主要集中在利用石墨烯單獨(dú)調(diào)制，調(diào)制的深度還不高，只有15%左右。超材料微結(jié)構(gòu)的近場增強(qiáng)效應(yīng)為打破這一研究局面提供了很好的解決途徑。

4 太赫茲非線性超材料

根據(jù)以上介紹可得到：①超材料微結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)近場增強(qiáng)效應(yīng)，能夠?qū)⑷肷涮掌濍妶鰪?qiáng)度進(jìn)行數(shù)量級式的提升，非常有利于研究材料的非線性特性。②超材料的遠(yuǎn)場調(diào)控行為是由其近場諧振決定的，當(dāng)諧振的近場增強(qiáng)效應(yīng)使得材料光學(xué)參數(shù)發(fā)生非線性變化時(shí)，該變化又會反過來影響超材料微結(jié)構(gòu)的諧振特性，從而實(shí)現(xiàn)對太赫茲波的遠(yuǎn)場調(diào)制。③石墨烯材料已經(jīng)被證實(shí)在太赫茲波段具有非線性效應(yīng)，但相關(guān)研究還很少，得到的調(diào)制深度也不高，將石墨烯材料與超材料微結(jié)構(gòu)的近場增強(qiáng)效應(yīng)相結(jié)合，能夠進(jìn)一步增強(qiáng)石墨烯的非線性效應(yīng)，進(jìn)而提高調(diào)制深度。④石墨烯的非線性效應(yīng)并不與現(xiàn)有的調(diào)控手段沖突，可以在結(jié)合超材料的基礎(chǔ)上外加光泵和電壓，實(shí)現(xiàn)對石墨烯非線性效應(yīng)的主動調(diào)諧。

目前，把超材料微結(jié)構(gòu)的近場增強(qiáng)效應(yīng)應(yīng)用于增強(qiáng)石墨烯非線性效應(yīng)，進(jìn)而增強(qiáng)太赫茲調(diào)制性能的相關(guān)研究工作還很少。在國外，有研究小組把石墨烯刻蝕成微結(jié)構(gòu)，利用其本身的等離子諧振近場增強(qiáng)效應(yīng)來增強(qiáng)石墨烯的非線性效應(yīng)：2016 年，美國馬里蘭大學(xué)Jadidi 等[33]，研究了石墨烯光柵微結(jié)構(gòu)的非線性效應(yīng)，非線性強(qiáng)度比無結(jié)構(gòu)的石墨烯高了近2 個(gè)數(shù)量級。在太赫茲波段，不同于金屬微結(jié)構(gòu)，石墨烯微結(jié)構(gòu)的諧振響應(yīng)在實(shí)驗(yàn)上很難直接被觀測到，而且石墨烯厚度很薄，模式體積也很小[34]。因此，石墨烯微結(jié)構(gòu)近場增強(qiáng)效應(yīng)往往要比金屬微結(jié)構(gòu)的弱，所以有望采用超材料微結(jié)構(gòu)來進(jìn)一步增強(qiáng)石墨烯的非線性效應(yīng)。利用超材料微結(jié)構(gòu)諧振對周圍環(huán)境敏感的特性，在諧振頻率處可得到更高的非線性太赫茲調(diào)制深度。在國內(nèi)，天津大學(xué)Li 等[35]應(yīng)用石墨烯-金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種非線性超材料，該種非線性超材料相關(guān)參數(shù)如圖1所示。

圖1 非線性超材料相關(guān)參數(shù)

從圖1（a）可知，該超材料結(jié)構(gòu)由3 個(gè)開口諧振環(huán)組合而成，既有對稱的部分，又有不對稱的部分，經(jīng)過電磁耦合產(chǎn)生對稱共振模式和非對稱共振模式，從而得到較好的局部場增強(qiáng)效應(yīng)。從圖1（b）可知，當(dāng)沒有石墨烯覆蓋時(shí)，2 個(gè)模式對應(yīng)的諧振谷都很深；轉(zhuǎn)移一層石墨烯后，2 個(gè)諧振谷均變淺，隨著太赫茲場強(qiáng)增加，2 個(gè)谷又逐漸加深，當(dāng)太赫茲場強(qiáng)上升到305 kV/cm時(shí)，太赫茲透射系數(shù)的調(diào)至深度高達(dá)23%，整個(gè)過程展示出了較好的非線性調(diào)制現(xiàn)象。從圖1（c）可知，通過理論計(jì)算和CST 軟件仿真，實(shí)驗(yàn)中觀察到的調(diào)制規(guī)律被較好地重現(xiàn)出來。對比圖1（b）和（c）可以看出，當(dāng)太赫茲場強(qiáng)增加時(shí)，載流子閃射時(shí)間τ 在不斷減小，最低可達(dá)到3.76 fs。

目前，此種方法已經(jīng)在其他非線性材料的相關(guān)研究中發(fā)揮了作用。2012 年，美國波士頓大學(xué)Liu 等[36]，發(fā)現(xiàn)金屬開口諧振環(huán)微結(jié)構(gòu)的近場增強(qiáng)效應(yīng)可以引起開口處基底材料VO2的非線性效應(yīng)，使其逐漸從介質(zhì)態(tài)相變到金屬態(tài)，實(shí)現(xiàn)了對微結(jié)構(gòu)LC 諧振強(qiáng)度的調(diào)制。2013 年，該組研究人員又利用同樣方法研究了n 型摻雜GaAs 和本征GaAs 的非線性效應(yīng)[37]?？砂l(fā)現(xiàn)隨著入射太赫茲強(qiáng)度的增加：n 型GaAs 的電導(dǎo)率先減小后增大，使得諧振頻率處太赫茲透射振幅先降低后升高；而本征GaAs 的電導(dǎo)率則一直增大，使得諧振頻率處太赫茲透射振幅一直升高。這些工作在增強(qiáng)材料非線性效應(yīng)和太赫茲調(diào)制方面都取得了很好的效果，為非線性超材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。

5 結(jié) 語

本文針對太赫茲非線性調(diào)制的實(shí)現(xiàn)瓶頸，分析國內(nèi)外超材料和石墨烯調(diào)控太赫茲的研究方法和現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)結(jié)合超材料微結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)近場增強(qiáng)效應(yīng)，而該效應(yīng)對激發(fā)石墨烯的非線性效應(yīng)有積極作用。因此，將石墨烯和超材料結(jié)合起來，設(shè)計(jì)出一種復(fù)合型的超材料，將有望增強(qiáng)石墨烯非線性效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧非線性太赫茲調(diào)制器件。另外，該種復(fù)合型超材料也可以降低實(shí)現(xiàn)非線性效應(yīng)的太赫茲場強(qiáng)閾值，這為非線性超材料的實(shí)際應(yīng)用拓寬了道路。