本發(fā)明涉及半導(dǎo)體光電材料與器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器及其制備和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

太赫茲(terahertz,THz)波在電磁波譜中介于微波和紅外輻射之間，處于電子學(xué)向光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)域，在基礎(chǔ)研究和實(shí)際應(yīng)用中都具有廣闊的前景。調(diào)制器作為波導(dǎo)技術(shù)的關(guān)鍵元器件，對(duì)促進(jìn)THz技術(shù)在物體成像、生物樣品分析和短程無(wú)線通信等方面的發(fā)展具有非常重要的價(jià)值和意義。在THz波段，由于波長(zhǎng)較長(zhǎng)，載流子的吸收非常嚴(yán)重(自由載流子的吸收與波長(zhǎng)平方成正比)，對(duì)波長(zhǎng)的操控束縛也會(huì)變得很困難，傳統(tǒng)的微波和介質(zhì)波導(dǎo)技術(shù)都很難得到應(yīng)用。

目前的THz波調(diào)制器，根據(jù)調(diào)制方法不同可分為電致調(diào)制、光致調(diào)制和機(jī)械重構(gòu)調(diào)制等，其中電致調(diào)制是通過(guò)外加電流或電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)入射THz波的控制；根據(jù)被調(diào)制電磁波的特點(diǎn)可分為幅值調(diào)制、共振頻率調(diào)制和相位調(diào)制；而根據(jù)調(diào)制器件材質(zhì)則主要包括量子阱調(diào)制器、光子晶體調(diào)制器和液晶調(diào)制器。但是，上述調(diào)制器還有很多不足之處。例如，量子阱調(diào)制器需在低溫下工作；光子晶體調(diào)制器的性能主要依賴于半導(dǎo)體層所產(chǎn)生的光生載流子濃度，不利于調(diào)制深度和速度的提高；而液晶調(diào)制器對(duì)溫度敏感、調(diào)制速度較慢(KHz)、頻率調(diào)節(jié)范圍較小(液晶材料在THz波段的雙折射率較低)。

為提高調(diào)制器性能，迫切需要探索對(duì)THz波產(chǎn)生強(qiáng)烈電磁響應(yīng)的基質(zhì)和器件，但是自然界中的大部分材質(zhì)都難以滿足要求。周期性超材料(超結(jié)構(gòu)，Metamaterials,MMs)在很大程度上緩解了此難題，其性質(zhì)和功能主要取決于結(jié)構(gòu)單元的幾何形狀及空間分布，可以根據(jù)實(shí)際需求人工設(shè)計(jì)出不同與自然媒質(zhì)物理性能的功能材料器件。另外，為擴(kuò)展超材料器件的功能和工作范圍，可將液晶或半導(dǎo)體材料引入微結(jié)構(gòu)單元中，然后通過(guò)外加泵浦光或電場(chǎng)來(lái)操控THz波。超材料常見的構(gòu)成材質(zhì)(基質(zhì))主要有金屬(Ag,Au)、超導(dǎo)體(YBCO)和半導(dǎo)體(如InSb，VO₂)，不過(guò)它們的電磁和光學(xué)性質(zhì)較難調(diào)節(jié)。石墨烯(graphene)是典型的二維納米材料，具有眾多優(yōu)點(diǎn)，如遷移率高、光生載流子的產(chǎn)生和弛豫時(shí)間快(在ps量級(jí))，其光電性質(zhì)也可通過(guò)外加電場(chǎng)或磁場(chǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，是研究超材料和表面等離子激元(surface plasmons,SPs)器件的良好平臺(tái)。石墨烯SPs可增強(qiáng)入射波與石墨烯間的相互作用，具有低損耗、模式限制作用強(qiáng)和良好的電致可調(diào)性。此外，在THz波段石墨烯中的帶內(nèi)躍遷起主導(dǎo)作用，載流子濃度隨費(fèi)米能級(jí)有顯著改變，對(duì)提高調(diào)制深度非常有利。因此，石墨烯很適合用來(lái)制作THz波調(diào)制器。

Fano共振效應(yīng)最早由U.Fano在1961年提出，被用來(lái)解釋He原子中的自發(fā)離化現(xiàn)象，即當(dāng)分立的激發(fā)態(tài)能級(jí)與連續(xù)態(tài)能級(jí)重疊時(shí),兩者之間通過(guò)量子干涉相長(zhǎng)或相消，使光譜呈非對(duì)稱線型。后來(lái)Fano共振現(xiàn)象在很多領(lǐng)域廣泛存在，如納米顆粒陣列、Aharonov-Bohm環(huán)狀結(jié)構(gòu)和表面等離子激元體系。與對(duì)稱Lorentz譜線相比，F(xiàn)ano的非對(duì)稱的共振譜線較窄，對(duì)周圍介質(zhì)的變化也很敏感，微小的擾動(dòng)即可導(dǎo)致譜線發(fā)生明顯的位移，在設(shè)計(jì)調(diào)制器件和慢光器件等方面有很好的應(yīng)用。近來(lái)研究還表明，在超材料器件中引入非對(duì)稱微結(jié)構(gòu)中也可產(chǎn)生與Fano效應(yīng)類似的Plasmonic Induced Transparency(PIT)現(xiàn)象。PIT是基于“明態(tài)”和“暗態(tài)”兩種模式在共振透明窗口內(nèi)耦合而形成高的透射峰，具有帶寬高和整合回路強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并可能在室溫下實(shí)現(xiàn)。

目前已有的THz石墨烯調(diào)制器一般采用整片石墨烯作為有源區(qū)結(jié)構(gòu)。例如，Deglinnocenti等人采用頂柵壓(top-gated)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)THz波的低偏壓調(diào)制，調(diào)制偏壓僅為0.5V，幅值調(diào)制深度達(dá)到18％。但是這些THz石墨烯調(diào)制器的共振譜線較寬，品質(zhì)因子很低；對(duì)入射波幅值的調(diào)制深度不是太高(調(diào)制深度一般低于20％)，器件的響應(yīng)速度和靈敏度也較低，石墨烯調(diào)制器的優(yōu)勢(shì)沒有充分體現(xiàn)出來(lái)；在工作帶寬和響應(yīng)速度等方面都不能滿足THz技術(shù)發(fā)展的要求，特別是在成像、生物樣品分析和無(wú)線通訊等眾多實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。因此，研究開發(fā)性能良好(品質(zhì)因子高、可調(diào)性能好和調(diào)制深度大)的調(diào)制器件對(duì)THz技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展非常重要。

中國(guó)專利201410416956.X公開了一種種基于高Q環(huán)形諧振腔的石墨烯電光調(diào)制器，包括高Q環(huán)形諧振系統(tǒng)，在其環(huán)形波導(dǎo)上取周長(zhǎng)的一部分覆蓋制作雙層石墨烯薄膜調(diào)制系統(tǒng)，雙層石墨烯薄膜調(diào)制系統(tǒng)包括底層電介質(zhì)層、底層石墨烯、中間電介質(zhì)層和頂層石墨烯，在頂層石墨烯和底層石墨烯之間加入電壓V(t)。該專利采用整片石墨烯作為有源區(qū)結(jié)構(gòu)，品質(zhì)因子、可調(diào)性能和調(diào)制深度均不是特別理想。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器及其制備。

本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器，包括：

聚合物柔性襯底層；

摻雜半導(dǎo)體外延層：生長(zhǎng)在聚合物柔性襯底層上，并作為THz調(diào)制器的背電極；

Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層：生長(zhǎng)在摻雜半導(dǎo)體外延層上，由至少一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)疊加組成，所述的Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)包括位于下方的Al₂O₃絕緣層，以及生長(zhǎng)在Al₂O₃絕緣層上的石墨烯微結(jié)構(gòu)層和金屬微結(jié)構(gòu)層，所述的金屬微結(jié)構(gòu)層置于石墨烯微結(jié)構(gòu)層內(nèi)部，并與石墨烯微結(jié)構(gòu)層間隔設(shè)置形成THz的有源區(qū)子結(jié)構(gòu)；

金屬層：蒸鍍于最上方的一個(gè)有源區(qū)子結(jié)構(gòu)上，并處理形成金屬上電極。

進(jìn)一步的，所述的聚合物柔性襯底層由塑料柔性襯底溶液制成，其厚度為1-50μm；優(yōu)選的，厚度為2-10μm。

進(jìn)一步的，所述的摻雜半導(dǎo)體外延層為摻雜Si層，其厚度為1-10μm，載流子摻雜濃度為10^15-10¹⁸cm^-3，電導(dǎo)率為1-10Ω·cm；優(yōu)選的，摻雜半導(dǎo)體外延層的厚度為1-5μm，摻雜濃度為10¹⁶-5×10¹⁶cm^-3。摻雜Si層中的載流子濃度可以通過(guò)擴(kuò)散和離子注入等常見半導(dǎo)體摻雜方法實(shí)現(xiàn)并確定。

進(jìn)一步的，所述的Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層由3-5個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)疊加而成。此種結(jié)構(gòu)的Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層可以提高調(diào)制波形的調(diào)制深度和速度。

進(jìn)一步的，每個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)中：

進(jìn)一步的，所述的Al₂O₃絕緣層的厚度為10-200nm，優(yōu)選的，厚度為60-80nm。

進(jìn)一步的，石墨烯微結(jié)構(gòu)層為單層石墨烯，其厚度為0.34nm；

金屬微結(jié)構(gòu)層為Au、Ag或Cu微結(jié)構(gòu)層，其厚度為150-250nm。

進(jìn)一步的，所述的石墨烯微結(jié)構(gòu)層和金屬微結(jié)構(gòu)層均呈方框狀；

同一Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)中，石墨烯微結(jié)構(gòu)層和金屬微結(jié)構(gòu)層之間的間隔為5-30μm。

進(jìn)一步的，所述的金屬層包括蒸鍍于最上方的一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上的Au薄層，以及蒸鍍于Au薄層上的Cr薄層。

更進(jìn)一步的，所述的Au薄層的厚度為80-120nm，所述的Cr薄層的厚度為5-15nm。

進(jìn)一步的，基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器的制備方法，包括以下步驟：

(1)制作聚合物柔性襯底層

以普通Si作為犧牲層，將含有塑料柔性襯底的溶液噴涂在犧牲層上，烘干固化后，得到聚合物柔性襯底層；

(2)制作摻雜半導(dǎo)體外延層

通過(guò)外延生長(zhǎng)法在聚合物柔性襯底層上形成摻雜半導(dǎo)體外延層；

(3)制作Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層

(3-1)在摻雜半導(dǎo)體外延層上原子層沉積Al₂O₃，沖洗干凈，制得Al₂O₃絕緣層；

(3-2)將整片石墨烯沉積到Al₂O₃絕緣層上，去除多余石墨烯，得到石墨烯微結(jié)構(gòu)層；

(3-3)繼續(xù)在Al₂O₃絕緣層上制作的金屬微結(jié)構(gòu)層，保證石墨烯微結(jié)構(gòu)層包圍金屬微結(jié)構(gòu)層，且石墨烯微結(jié)構(gòu)層與金屬微結(jié)構(gòu)層之間間隔設(shè)置，形成一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)；

(3-4)在上述Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)上重復(fù)步驟(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層；

(4)制作金屬區(qū)

清洗Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層，干燥后，在Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層最上方的一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)中的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上蒸鍍金屬層，再處理形成金屬上電極；

(5)剝離犧牲層，即得到在聚合物柔性襯底層上的石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)THz調(diào)制器。

更進(jìn)一步的，步驟(1)中：

烘干的工藝條件為：在150-200℃內(nèi)干燥20-40min，固化的工藝條件為：在惰性氣體保護(hù)下加熱到300-400℃；

步驟(3-1)中：原子層沉積Al₂O₃的溫度為180-220℃。

本發(fā)明基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的Fano共振效應(yīng)的THz調(diào)制工作原理如圖2所示，具體如下：

金屬上電極可以為Cr 10nm/Au 100nm等復(fù)合組成，以摻雜半導(dǎo)體(如Si等)外延層作為背電極，當(dāng)入射THz波進(jìn)入石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)調(diào)制器后，金屬微結(jié)構(gòu)層與石墨烯微結(jié)構(gòu)層中的共振模式相互耦合，從而形成譜線較窄的Fano共振譜線，其中，石墨烯微結(jié)構(gòu)作為有源區(qū)，其費(fèi)米能級(jí)可以通過(guò)外加偏壓來(lái)加以調(diào)節(jié)。當(dāng)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)較大時(shí)，如1.0eV，石墨烯具有較好的金屬特性，石墨烯微結(jié)構(gòu)的共振特性顯著，F(xiàn)ano共振增強(qiáng)；反之，當(dāng)石墨烯費(fèi)米能級(jí)較低，其金屬特性不是很明顯，共振特性較弱，F(xiàn)ano共振減弱；同時(shí)透射峰的共振位置也會(huì)隨著費(fèi)米能級(jí)的改變而不同。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明通過(guò)將石墨烯微結(jié)構(gòu)與金屬微結(jié)構(gòu)復(fù)合起來(lái)，保持適當(dāng)距離間隔設(shè)置的石墨烯微結(jié)構(gòu)層與金屬微結(jié)構(gòu)層可以形成非對(duì)稱的Fano共振譜線，這樣通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)在石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體背電極層之間施加外電壓，從而改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，進(jìn)而調(diào)節(jié)Fano共振的波形。

(2)本發(fā)明還可以對(duì)柔性襯底的材料尺寸，背電極中的摻雜濃度電阻，絕緣層的厚度等進(jìn)行選擇優(yōu)化，從而進(jìn)一步獲得較大的調(diào)制深度和較低的損耗。

(3)最后制得的調(diào)制器的品質(zhì)因子高、可調(diào)性能好和調(diào)制深度大。

(4)制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，適合于規(guī)?；a(chǎn)應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

圖1為Fano共振效應(yīng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)中Fano共振效應(yīng)的THz調(diào)制器原理示意圖；

圖3為本發(fā)明基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)中Fano共振效應(yīng)的THz調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖；

圖4為本發(fā)明基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)中Fano共振效應(yīng)的THz調(diào)制器件結(jié)構(gòu)示意圖的側(cè)視圖；

圖5為本發(fā)明基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的Fano共振效應(yīng)的THz調(diào)制器的制作工藝流程示意圖；

圖6為本發(fā)明的基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)中Fano共振效應(yīng)的THz調(diào)制器件的模擬結(jié)果圖；

圖中，01-犧牲層，02-聚合物柔性襯底層，03-摻雜半導(dǎo)體外延層，04-Al₂O₃絕緣層，05-石墨烯微結(jié)構(gòu)層，06-金屬微結(jié)構(gòu)層，07-Au薄層，08-Cr薄層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

參見圖1～圖5所示，石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器通過(guò)以下步驟制成：

(1)制作聚合物柔性襯底層02：以普通Si片作為犧牲層01，通過(guò)自旋噴涂(spin coated)的方法將含有塑料聚合物柔性襯底層02的溶液噴涂在上面，然后在烘箱中烘干30分鐘左右，溫度范圍在150-200度，再采用高溫爐在惰性氣體(或者N₂)的保護(hù)氣氛內(nèi)加熱至300-400(優(yōu)選350度)，形成均勻的聚合物柔性襯底層02薄層；

(2)制作摻雜Si的外延層：通過(guò)外延生長(zhǎng)方法形成1-10μm厚度的摻雜半導(dǎo)體外延層03，摻雜濃度為3×10¹⁶cm^-3，Si層電導(dǎo)率為1-10Ω·cm，絕緣性較好，以達(dá)到降低損耗的目的；

(3)采用原子層沉積技術(shù)在p-Si上形成Al₂O₃ 10-200nm薄層，最佳厚度約為60-80nm，形成溫度為200度，然后用蒸餾水沖洗干凈；

(4)制作石墨烯微結(jié)構(gòu)層05的有源區(qū)：首先通過(guò)傳統(tǒng)的石墨烯轉(zhuǎn)移技術(shù)將整片石墨烯轉(zhuǎn)移到Al₂O₃絕緣層04上，然后根據(jù)具體設(shè)計(jì)要求，如圖3和4所示，采用光刻方法或者氧等離子體刻蝕的方法除去多余的石墨烯，從而形成滿足設(shè)計(jì)要求的石墨烯微結(jié)構(gòu)層05有源區(qū)；

(5)然后采用傳統(tǒng)的光刻技術(shù)制作成金屬微結(jié)構(gòu)層06，金屬微結(jié)構(gòu)層06的形狀根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求，如圖3所示，金屬微結(jié)構(gòu)層06的厚度200nm左右，同時(shí)控制好與上述石墨烯微結(jié)構(gòu)層05的間距，以便形成強(qiáng)烈的Fano共振譜線；

(6)重復(fù)步驟(4)和(5)形成多層石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的調(diào)制器有源區(qū)；

(7)采用去離子水將聚合物柔性襯底層02支撐的基于石墨烯復(fù)合微結(jié)構(gòu)的Fano共振效應(yīng)的THz調(diào)制器有源區(qū)清洗干凈，3-5遍以上，然后在保護(hù)性氣氛下(Ar或者N₂)內(nèi)吹洗干凈烘干，然后在多層石墨烯微結(jié)構(gòu)層05有源區(qū)結(jié)構(gòu)上蒸鍍形成金屬層(Cr 10nm/Au 100nm)；

(8)通過(guò)刻蝕的方法除去多余的光刻膠，制作太赫茲石墨烯復(fù)合微結(jié)構(gòu)調(diào)制器的金屬上電極，但是腐蝕速度要精確控制，以避免對(duì)石墨烯復(fù)合微結(jié)構(gòu)的光電性能產(chǎn)生明顯的影響。

(9)將基于Fano共振效應(yīng)的石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)太赫茲調(diào)制器從Si襯底上剝離，得到在聚合物柔性襯底層02上的太赫茲石墨烯器件。

圖1為本發(fā)明所涉及的Fano共振的原理圖，其中圖1(a)為通常Fano體系的機(jī)制原理，即在入射光的作用下離散態(tài)|d>與連續(xù)態(tài)|c>相互作用，形成非對(duì)稱的Fano共振譜線；圖1(b)為本發(fā)明基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)中Fano共振效應(yīng)的原理圖，在入射波的作用下，金屬微結(jié)構(gòu)層06與石墨烯微結(jié)構(gòu)層05所形成的共振模式相互耦合形成非對(duì)稱的Fano共振譜線。通過(guò)改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)調(diào)節(jié)其共振模式，從而引起復(fù)合微結(jié)構(gòu)的Fano共振譜線的波形調(diào)制。

圖2為本發(fā)明基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的Fano共振效應(yīng)的THz調(diào)制器的原理示意圖，上電極由(Cr 10nm/Au 100nm)組成，以摻雜Si外延層作為背電極，當(dāng)入射THz波進(jìn)入石墨烯復(fù)合微結(jié)構(gòu)調(diào)制器后，金屬微結(jié)構(gòu)層06與石墨烯微結(jié)構(gòu)層05中的共振模式相互耦合，從而形成譜線較窄的Fano共振譜線。其中，石墨烯微結(jié)構(gòu)層05作為有源區(qū)，其費(fèi)米能級(jí)可以通過(guò)外加偏壓來(lái)加以調(diào)節(jié)。如圖2所示，當(dāng)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)較大時(shí)，如1.0eV，石墨烯具有較好的金屬特性，石墨烯微結(jié)構(gòu)層05的共振特性顯著，F(xiàn)ano共振增強(qiáng)；反之，當(dāng)石墨烯費(fèi)米能級(jí)較低，其金屬特性不是很明顯，共振特性較弱，F(xiàn)ano共振減弱；同時(shí)透射峰的共振位置也會(huì)隨著費(fèi)米能級(jí)的改變而不同。

圖3為本發(fā)明基于石墨烯復(fù)合微結(jié)構(gòu)THz調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖的俯視圖，即石墨烯微結(jié)構(gòu)層05與金屬微結(jié)構(gòu)層06形成的復(fù)合微結(jié)構(gòu)，兩者的間距為g。

圖4為本發(fā)明基于石墨烯復(fù)合微結(jié)構(gòu)THz調(diào)制器結(jié)構(gòu)示意圖的側(cè)視圖，為提高THz石墨烯微結(jié)構(gòu)層05調(diào)制器的性能，調(diào)制器有源區(qū)采用Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)所組成的復(fù)合層結(jié)構(gòu)，最佳周期層數(shù)為3-5層，這樣可以在不增加工藝難度的情況下獲得很高的調(diào)制深度。

圖5中，聚合物柔性襯底層02的制作通過(guò)自選噴涂的方法制得，為降低聚合物柔性襯底層02的影響，其厚度控制在1-10μm左右，最好低于5μm；

圖6為本發(fā)明基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)中Fano共振效應(yīng)的THz調(diào)制器件的模擬結(jié)果；圖中Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層由3個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)疊加而成。當(dāng)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)在0.1-1.0eV之間調(diào)節(jié)的情況下，低頻透射譜線谷值的幅值調(diào)制深度為83.69％，頻率調(diào)制深度為27.2％；Fano共振峰的頻率調(diào)制深度為10.6％，幅值調(diào)制深度為6.86％，其中，幅值調(diào)制深度的定為(T_max-T_min)/T_max，頻率調(diào)制深度的定為：(f_max-f_min)/f_max。

背電極Si層(即摻雜半導(dǎo)體外延層)通過(guò)外延生長(zhǎng)方法獲得，厚度在1-5μm之間，電導(dǎo)率在1-10Ω·cm，載流子濃度不能太高，摻雜濃度在3×10¹⁶cm^-3左右，以免造成太大的損耗。

Al₂O₃絕緣層通過(guò)原子層沉積的方法制作，厚度在10-200nm，最好在60-80nm左右；

整片石墨烯轉(zhuǎn)移，即將石墨烯從金屬襯底上轉(zhuǎn)移到Al₂O₃/Si層上；具體為：先把石墨烯從金屬襯底上轉(zhuǎn)移到PDMS和PMMA上，然后用FeCl₃酸洗除去金屬襯底，再轉(zhuǎn)移到Al₂O₃/Si層上，最后再用醋酸除去聚合物薄層；

石墨烯微結(jié)構(gòu)層05有源區(qū)制作完成以后，在去離子水中沖洗3-5遍，然后在烘箱中烘干；

在制作好石墨烯微結(jié)構(gòu)層05的基礎(chǔ)上，采用光刻和電子束曝光方法制作金屬微結(jié)構(gòu)層06，石墨烯微結(jié)構(gòu)層05與金屬微結(jié)構(gòu)層06的間距控制在5-30μm之間；

金屬上電極Cr 10nm 08/Au 100nm 07的制作：首先將Cr和Au薄層蒸鍍到石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)上面，然后通過(guò)光刻的方法形成金屬電極；

在形成上金屬電極以后，將器件從Si片01上剝離，得到在聚合物柔性襯底層02上的石墨烯微結(jié)構(gòu)層05調(diào)制器件。

實(shí)施例2

基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器的制備方法，包括以下步驟：

(1)制作聚合物柔性襯底層

以普通Si作為犧牲層，將含有塑料柔性襯底的溶液噴涂在犧牲層上，在150℃內(nèi)干燥40min烘干，再在惰性氣體保護(hù)下加熱到400℃固化處理，得到厚度為1μm的聚合物柔性襯底層；

(2)制作摻雜半導(dǎo)體外延層

通過(guò)外延生長(zhǎng)方法形成1μm厚度的摻雜Si層，摻雜濃度為10¹⁵cm^-3，Si層電導(dǎo)率為1Ω·cm；

(3)制作Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層

(3-1)在摻雜半導(dǎo)體外延層上原子層沉積Al₂O₃，形成溫度為200攝氏度，然后用蒸餾水沖洗干凈，制得厚度為10nm的Al₂O₃絕緣層；

(3-2)將整片石墨烯沉積到Al₂O₃絕緣層上，去除多余石墨烯，得到呈方框狀的厚度為0.34nm的石墨烯微結(jié)構(gòu)層；

(3-3)繼續(xù)在Al₂O₃絕緣層上制作厚度為200nm左右的金屬微結(jié)構(gòu)層，保證石墨烯微結(jié)構(gòu)層包圍金屬微結(jié)構(gòu)層，且石墨烯微結(jié)構(gòu)層與金屬微結(jié)構(gòu)層之間間隔設(shè)置，保證間隔在5μm左右，形成一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)；

(3-4)在上述Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)上重復(fù)步驟(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層；

(4)制作金屬區(qū)

清洗Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層，干燥后，在Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層最上方的一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)中的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上蒸鍍金屬層，再通過(guò)刻蝕的方法處理金屬層，形成金屬上電極；

(5)剝離犧牲層，即得到在聚合物柔性襯底層上的石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)THz調(diào)制器。

實(shí)施例3

基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器的制備方法，包括以下步驟：

(1)制作聚合物柔性襯底層

以普通Si作為犧牲層，將含有塑料柔性襯底的溶液噴涂在犧牲層上，在200℃內(nèi)干燥20min烘干，再在惰性氣體保護(hù)下加熱到300℃固化處理，得到厚度為50μm的聚合物柔性襯底層；

(2)制作摻雜半導(dǎo)體外延層

通過(guò)外延生長(zhǎng)方法形成10μm厚度的摻雜Si層，摻雜濃度為10¹⁸cm^-3，Si層電導(dǎo)率為10Ω·cm；

(3)制作Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層

(3-1)在摻雜半導(dǎo)體外延層上原子層沉積Al₂O₃，形成溫度為200攝氏度，然后用蒸餾水沖洗干凈，制得厚度為200nm的Al₂O₃絕緣層；

(3-2)將整片石墨烯沉積到Al₂O₃絕緣層上，去除多余石墨烯，得到呈方框狀的厚度為0.34nm的石墨烯微結(jié)構(gòu)層；

(3-3)繼續(xù)在Al₂O₃絕緣層上制作厚度為200nm左右的金屬微結(jié)構(gòu)層，保證石墨烯微結(jié)構(gòu)層包圍金屬微結(jié)構(gòu)層，且石墨烯微結(jié)構(gòu)層與金屬微結(jié)構(gòu)層之間間隔設(shè)置，保證間隔在30μm左右，形成一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)；

(3-4)在上述Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)上重復(fù)步驟(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層；

(4)制作金屬區(qū)

清洗Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層，干燥后，在Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層最上方的一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)中的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上蒸鍍金屬層，再通過(guò)刻蝕的方法處理金屬層，形成金屬上電極；

(5)剝離犧牲層，即得到在聚合物柔性襯底層上的石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)THz調(diào)制器。

實(shí)施例4

基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器的制備方法，包括以下步驟：

(1)制作聚合物柔性襯底層

以普通Si作為犧牲層，將含有塑料柔性襯底的溶液噴涂在犧牲層上，在180℃內(nèi)干燥30min烘干，再在惰性氣體保護(hù)下加熱到350℃固化處理，得到厚度為10μm的聚合物柔性襯底層；

(2)制作摻雜半導(dǎo)體外延層

通過(guò)外延生長(zhǎng)方法形成5μm厚度的摻雜Si層，摻雜濃度為10¹⁶cm^-3，Si層電導(dǎo)率為5Ω·cm；

(3)制作Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層

(3-1)在摻雜半導(dǎo)體外延層上原子層沉積Al₂O₃，形成溫度為200攝氏度，然后用蒸餾水沖洗干凈，制得厚度為60nm的Al₂O₃絕緣層；

(3-2)將整片石墨烯沉積到Al₂O₃絕緣層上，去除多余石墨烯，得到呈方框狀的厚度為0.34nm的石墨烯微結(jié)構(gòu)層；

(3-3)繼續(xù)在Al₂O₃絕緣層上制作厚度為200nm左右的金屬微結(jié)構(gòu)層，保證石墨烯微結(jié)構(gòu)層包圍金屬微結(jié)構(gòu)層，且石墨烯微結(jié)構(gòu)層與金屬微結(jié)構(gòu)層之間間隔設(shè)置，保證間隔在15μm左右，形成一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)；

(3-4)在上述Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)上重復(fù)步驟(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層；

(4)制作金屬區(qū)

清洗Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層，干燥后，在Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層最上方的一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)中的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上蒸鍍金屬層，再通過(guò)刻蝕的方法處理金屬層，形成金屬上電極；

(5)剝離犧牲層，即得到在聚合物柔性襯底層上的石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)THz調(diào)制器。

實(shí)施例5

基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器的制備方法，包括以下步驟：

(1)制作聚合物柔性襯底層

以普通Si作為犧牲層，將含有塑料柔性襯底的溶液噴涂在犧牲層上，在170℃內(nèi)干燥25min烘干，再在惰性氣體保護(hù)下加熱到340℃固化處理，得到厚度為2μm的聚合物柔性襯底層；

(2)制作摻雜半導(dǎo)體外延層

通過(guò)外延生長(zhǎng)方法形成2μm厚度的摻雜Si層，摻雜濃度為5×10¹⁶cm^-3，Si層電導(dǎo)率為4Ω·cm；

(3)制作Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層

(3-1)在摻雜半導(dǎo)體外延層上原子層沉積Al₂O₃，形成溫度為200攝氏度，然后用蒸餾水沖洗干凈，制得厚度為80nm的Al₂O₃絕緣層；

(3-2)將整片石墨烯沉積到Al₂O₃絕緣層上，去除多余石墨烯，得到呈方框狀的厚度為0.34nm的石墨烯微結(jié)構(gòu)層；

(3-3)繼續(xù)在Al₂O₃絕緣層上制作厚度為200nm左右的金屬微結(jié)構(gòu)層，保證石墨烯微結(jié)構(gòu)層包圍金屬微結(jié)構(gòu)層，且石墨烯微結(jié)構(gòu)層與金屬微結(jié)構(gòu)層之間間隔設(shè)置，保證間隔在10μm左右，形成一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)；

(3-4)在上述Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)上重復(fù)步驟(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層；

(4)制作金屬區(qū)

清洗Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層，干燥后，在Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層最上方的一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)中的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上蒸鍍金屬層，再通過(guò)刻蝕的方法處理金屬層，形成金屬上電極；

(5)剝離犧牲層，即得到在聚合物柔性襯底層上的石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)THz調(diào)制器。

實(shí)施例6

基于石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)的THz調(diào)制器的制備方法，包括以下步驟：

(1)制作聚合物柔性襯底層

以普通Si作為犧牲層，將含有塑料柔性襯底的溶液噴涂在犧牲層上，在190℃內(nèi)干燥35min烘干，再在惰性氣體保護(hù)下加熱到360℃固化處理，得到厚度為6μm的聚合物柔性襯底層；

(2)制作摻雜半導(dǎo)體外延層

通過(guò)外延生長(zhǎng)方法形成2μm厚度的摻雜Si層，摻雜濃度為3×10¹⁶cm^-3，Si層電導(dǎo)率為4Ω·cm；

(3)制作Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層

(3-1)在摻雜半導(dǎo)體外延層上原子層沉積Al₂O₃，形成溫度為200攝氏度，然后用蒸餾水沖洗干凈，制得厚度為70nm的Al₂O₃絕緣層；

(3-2)將整片石墨烯沉積到Al₂O₃絕緣層上，去除多余石墨烯，得到呈方框狀的厚度為0.34nm的石墨烯微結(jié)構(gòu)層；

(3-3)繼續(xù)在Al₂O₃絕緣層上制作厚度為200nm左右的金屬微結(jié)構(gòu)層，保證石墨烯微結(jié)構(gòu)層包圍金屬微結(jié)構(gòu)層，且石墨烯微結(jié)構(gòu)層與金屬微結(jié)構(gòu)層之間間隔設(shè)置，保證間隔在20μm左右，形成一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)；

(3-4)在上述Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)上重復(fù)步驟(3-1)～(3-3)0到多次，制得Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層；

(4)制作金屬區(qū)

清洗Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層，干燥后，在Al₂O₃絕緣-有源區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)合層最上方的一個(gè)Al₂O₃絕緣-有源區(qū)子結(jié)構(gòu)中的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上的石墨烯微結(jié)構(gòu)層上蒸鍍金屬層，再通過(guò)刻蝕的方法處理金屬層，形成金屬上電極；

(5)剝離犧牲層，即得到在聚合物柔性襯底層上的石墨烯-金屬?gòu)?fù)合微結(jié)構(gòu)THz調(diào)制器。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和使用發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。