1.本发明属于太赫兹探测器设计技术领域，尤其涉及一种单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法。
背景技术：2.太赫兹探测器是太赫兹领域基础研究之一，越来越多的太赫兹探测原理已经被报道，其中较广泛使用的是热电效应。热电探测器的工作原理主要基于材料温差电势，这些材料一般具有合适的导热系数和导电性，其中石墨烯材料尤其受欢迎。石墨烯太赫兹热电探测器按照电极分类可分为对称电极和不对称电极。对称电极石墨烯热电探测器使用的正负电极为同种金属，电信号的产生主要是通过太赫兹波照射石墨烯不同位置形成温差；此探测器工作时要求光束光斑不能覆盖整个感光区，也不能照射到中心区，仅能照射到其中一个电极的一侧；当感光沟道较窄时，需要精确控制光束的照射位置，光斑位置控制难度极大，因此这类探测器应用基本只适合于实验室。不对称电极石墨烯热电探测器使用的正负电极为异种金属，太赫兹光束可以照射到整个器件上，异种金属具有不同的导热系数，因此在两个金属电极间形成温差电势；然而，同一个器件上不同金属电极的制备工艺难度较大、成本高。
技术实现要素：3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，提供了构造区域化电磁吸收增强的单层石墨烯太赫兹电探测器的方法，并通过单层石墨烯的不同区域对太赫兹波能量吸收产生差异，从而在不同区域间形成温差电势。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
5.本发明提供一种单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，包括如下步骤：
6.s1、构造全介质基底；
7.s2、获取单层石墨烯，并基于全介质基底构造单层石墨烯太赫兹热电探测器；
8.s3、利用x偏振太赫兹波验证单层石墨烯太赫兹热电探测器。
9.本发明的有益效果为：本发明提供的一种单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，通过常规刻蚀技术将高阻硅分成两个区域，一个区域保留完整的高阻硅，另一个区域被刻蚀成特殊图形化的超表面阵列，得到全介质基底，并将单层石墨烯平铺到全介质基底上，随后，将两个金电极蒸镀到单层石墨烯表面，两个金电极的位置分别位于完整高阻硅区和超表面高阻硅区形成一个单层石墨烯太赫兹热电探测器，使得单层石墨烯的不同区域对太赫兹波能量吸收产生差异，从而在不同区域间形成温差电势，本方案提供的单层石墨烯太赫兹热电探测器使用对称电极，易于制作，且允许太赫兹光斑覆盖整个感光区，本发明不需要传统对称电极热电探测器对入射光斑位置进行精确操控，也无需不对称电极热电
探测器复杂的电极制备工艺。
10.进一步地，所述步骤s1包括如下步骤：
11.s11、利用紫外固化胶将高阻硅粘合于石英上，得到初始全介质基底；
12.s12、刻蚀高阻硅，得到全介质基底。
13.采用上述进一步方案的有益效果为：通过刻蚀工艺刻蚀高阻硅，使得高阻硅形成两个区域，一个区域保留完整的高阻硅，另一个区域被刻蚀成特殊图形化的超表面阵列，为平铺石墨烯得到单层石墨烯太赫兹热电探测器提供基础。
14.进一步地，所述全介质基底包括具有完整高阻硅的第一区域和具有图形化超表面阵列的第二区域；
15.所述第二区域由20
×
20个元胞构成；
16.各所述元胞的结构均为一个椭圆两端均被切割半圆切割后的不完整椭圆条。
17.采用上述进一步方案的有益效果为：通过20
×
20个元胞构成的第二区域明显增强单层石墨烯对1.2thz的x偏振太赫兹波的吸收率。
18.进一步地，所述元胞的结构参数如下；
19.高度h为80μm；
20.晶格周期p为160μm；
21.椭圆长轴i为160μm；
22.椭圆短轴w为60μm；
23.切割半圆半径r为30μm。
24.采用上述进一步方案的有益效果为：各图形单元为一个两端被半圆所切割的不完整椭圆条，实现对从底部入射的太赫兹波的强局域效应，增强了单层石墨烯对太赫兹波的吸收，引起第二区域上的单层石墨烯的温度升高，从而与第一区域上的单层石墨烯形成温差电势。
25.进一步地，所述步骤s2包括如下步骤：
26.s21、通过化学气相沉积法将单层石墨烯沉积到铜衬底上侧；
27.s22、将铜衬底上的单层石墨烯转移到全介质基底上侧；
28.s23、分别蒸镀第一金属电极和第二金属电极至单层石墨烯表面的两端，得到单层石墨烯太赫兹热电探测器。
29.采用上述进一步方案的有益效果为：通过对称蒸镀电极，易于制作，且允许太赫兹光斑覆盖整个感光区，得到单层石墨烯太赫兹热电探测器，不需要传统对称电极热电探测器对入射光斑位置进行精确操控，也无需不对称电极热电探测器复杂的电极制备工艺。
30.进一步地，所述第一金属电极和第二金属电极间沟道距离为5mm。
31.采用上述进一步方案的有益效果为：
32.进一步地，所述步骤s3包括如下步骤：
33.s31、将频率为1.2thz的x偏振太赫兹波从底部入射进单层石墨烯太赫兹热电探测器，得到第一区域的太赫兹能量吸收率和第二区域的太赫兹能量吸收率；
34.s32、分别将电压表和电流表均分别接入第一金属电极和第二金属电极，得到第一金属电极电信号和第二金属电极电信号；
35.s33、判断第一区域的太赫兹能量吸收率是否小于第一预设太赫兹能量吸收率阈
值，若是则进入步骤s34，否则返回步骤s1；
36.s34、判断第二区域的太赫兹能量吸收率是否大于第二预设太赫兹能量吸收率阈值，若是则进入步骤s35，否则返回步骤s1；
37.s35、基于第一区域的太赫兹能量吸收率和第二区域的太赫兹能量吸收率，并归一化第一金属电极电信号和第二金属电极电信号，得到温差电势和光电压信号，完成单层石墨烯太赫兹热电探测器的验证。
38.采用上述进一步方案的有益效果为：x偏振太赫兹波从器件底部入射，在第一区域太赫兹的吸收仅有单层石墨烯单独作用，单层石墨烯的吸收率有限，在第二区域，全介质超表面本身的损耗非常微弱，几乎无吸收，但超表面的加入明显增强了单层石墨烯在1.2thz的吸收率，超表面将太赫兹能量局域在介质柱中，由于超表面介质本身几乎不损耗电磁能量，因此这些能量将被传导至超表面上方的石墨烯中，基于第一区域的太赫兹能量吸收率和第二区域的太赫兹能量吸收率，并归一化第一金属电极电信号和第二金属电极电信号，得到温差电势和光电压信号，即可完成对单层石墨烯太赫兹热电探测器的验证。
附图说明
39.图1为本发明实施例中单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法的步骤流程图。
40.图2(a)为本发明实施例中第二区域的元胞结构的俯视图。
41.图2(b)为本发明实施例中第二区域的元胞结构的侧视图。
42.图3为本发明实施例中单层石墨烯太赫兹热电探测器的示意图。
43.图4为本发明实施例中单层石墨烯在有图形化超表面和无图形化超表面时的吸收率对比图。
44.图5(a)为本发明实施例中图形化超表面中太赫兹波磁场局域分布图。
45.图5(b)为本发明实施例中图形化超表面中太赫兹波电场局域分布图。
46.图6为本发明实施例中单层石墨烯太赫兹热电探测器的归一化电压响应曲线图。
具体实施方式
47.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
48.当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包括有”时，这些术语指明了所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是也不排除一个以上其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在和/或附加。
49.如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，包括如下步骤：
50.s1、构造全介质基底；
51.所述步骤s1包括如下步骤：
52.s11、利用紫外固化胶将电阻率为0.03s/m的高阻硅粘合于石英(二氧化硅)上，得
到初始全介质基底；
53.s12、刻蚀高阻硅，得到全介质基底；
54.所述全介质基底包括具有完整高阻硅的第一区域和具有图形化超表面阵列的第二区域；
55.所述第二区域由20
×
20个元胞构成；
56.各所述元胞的结构均为一个椭圆两端均被切割半圆切割后的不完整椭圆条；
57.如图2(a)和图2(b)所示，所述元胞的结构参数如下；
58.高度h为80μm；
59.晶格周期p为160μm；
60.椭圆长轴i为160μm；
61.椭圆短轴w为60μm；
62.切割半圆半径r为30μm；
63.s2、获取单层石墨烯，并基于全介质基底构造单层石墨烯太赫兹热电探测器；
64.所述步骤s2包括如下步骤：
65.s21、通过化学气相沉积法将单层石墨烯沉积到铜衬底上侧；
66.s22、将铜衬底上的单层石墨烯转移到全介质基底上侧；
67.s23、分别蒸镀第一金属电极和第二金属电极至单层石墨烯表面的两端，得到单层石墨烯太赫兹热电探测器，如图3所示；
68.所述第一金属电极和第二金属电极间沟道距离为5mm；
69.s3、利用x偏振太赫兹波验证单层石墨烯太赫兹热电探测器，得到温差电势和光电压信号；
70.所述步骤s3包括如下步骤：
71.s31、将频率为1.2thz的x偏振太赫兹波从底部入射进单层石墨烯太赫兹热电探测器，得到第一区域的太赫兹能量吸收率和第二区域的太赫兹能量吸收率；
72.s32、分别将电压表和电流表均分别接入第一金属电极和第二金属电极，得到第一金属电极电信号和第二金属电极电信号；
73.如图4所示，x偏振太赫兹波从单层石墨烯太赫兹热电探测器底部入射，在具有完整高阻硅的第一区域，太赫兹的吸收仅有单层石墨烯单独作用，可以看到在1.2thz处单层石墨烯的吸收率仅为25％；在具有图形化超表面的第二区域，全介质超表面本身的损耗非常微弱，几乎无吸收，但超表面的加入明显增强了单层石墨烯在1.2thz的吸收率至90％；
74.如图5(a)和图5(b)所示，用1.2thz波照射超表面，监测超表面上石墨烯结构的电磁场分布，监测1.2thz时超表面上石墨烯结构的电磁场分布可以看出，超表面将太赫兹能量局域在介质柱中，由于超表面介质本身几乎不损耗电磁能量，因此这些能量将被传导至超表面上方的石墨烯中，这是石墨烯太赫兹能量吸收增强的主要来源，单层石墨烯在具有完整高阻硅的第一区域和具有超表面高阻硅的第二区域的太赫兹能量吸收的巨大差异将造成两个区域的温差电势；
75.s33、判断第一区域的太赫兹能量吸收率是否小于第一预设太赫兹能量吸收率阈值，若是则进入步骤s34，否则返回步骤s1；
76.本实施例中第一预设太赫兹能量吸收率阈值为25％；
77.s34、判断第二区域的太赫兹能量吸收率是否大于第二预设太赫兹能量吸收率阈值，若是则进入步骤s35，否则返回步骤s1；
78.本实施例中第二预设太赫兹能量吸收率阈值为90％；
79.s35、基于第一区域的太赫兹能量吸收率和第二区域的太赫兹能量吸收率，并归一化第一金属电极电信号和第二金属电极电信号，得到温差电势和光电压信号；
80.如图6所示，用1.2thz照射从底部照射器件并检测输出电信号，伴随着太赫兹波的开关，电压明显增强；作为对比，本发明展示了一个基底无超表面阵列的器件性能，石墨烯平铺在一个完整的高阻硅上，这正是一个传统对称电极热电探测结构，可以看到太赫兹波从底部照射时，此时电信号无任何变化。
81.本发明提供的一种单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，将单层石墨烯被平铺到特殊设计的全介质基底上，并在石墨烯表面两端均采用金电极；所述全介质基底由一个无任何图形的完整区域和一个特定图形化的超表面区域构成，超表面区具有对从底部入射的太赫兹波的强局域效应，所局域的太赫兹电磁能量被传导至上方单层石墨烯中，增强石墨烯对太赫兹波的吸收，引起对应区域的石墨烯的温度升高，从而与完整介质区域上的石墨烯形成温差电势；本发明提供的单层石墨烯太赫兹热电探测器结构简单，不需要传统对称电极热电探测器那样对入射光斑位置进行精确操控，也不涉及到不对称电极热电探测器那样复杂的电极制备工艺。
82.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
技术特征：1.一种单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、构造全介质基底；s2、获取单层石墨烯，并基于全介质基底构造单层石墨烯太赫兹热电探测器；s3、利用x偏振太赫兹波验证单层石墨烯太赫兹热电探测器，得到温差电势和光电压信号。2.根据权利要求1所述的单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，其特征在于，所述步骤s1包括如下步骤：s11、利用紫外固化胶将高阻硅粘合于石英上，得到初始全介质基底；s12、刻蚀高阻硅，得到全介质基底。3.根据权利要求2所述的单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，其特征在于，所述全介质基底包括具有完整高阻硅的第一区域和具有图形化超表面阵列的第二区域；所述第二区域由20
×
20个元胞构成；各所述元胞的结构均为一个椭圆两端均被切割半圆切割后的不完整椭圆条。4.根据权利要求3所述的单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，其特征在于，所述元胞的结构参数如下；高度h为80μm；晶格周期p为160μm；椭圆长轴i为160μm；椭圆短轴w为60μm；切割半圆半径r为30μm。5.根据权利要求4所述的单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，其特征在于，所述步骤s2包括如下步骤：s21、通过化学气相沉积法将单层石墨烯沉积到铜衬底上侧；s22、将铜衬底上的单层石墨烯转移到全介质基底上侧；s23、分别蒸镀第一金属电极和第二金属电极至单层石墨烯表面的两端，得到单层石墨烯太赫兹热电探测器。6.根据权利要求5所述的单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，其特征在于，所述第一金属电极和第二金属电极间沟道距离为5mm。7.根据权利要求6所述的单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，其特征在于，所述步骤s3包括如下步骤：s31、将频率为1.2thz的x偏振太赫兹波从底部入射进单层石墨烯太赫兹热电探测器，得到第一区域的太赫兹能量吸收率和第二区域的太赫兹能量吸收率；s32、分别将电压表和电流表均分别接入第一金属电极和第二金属电极，得到第一金属电极电信号和第二金属电极电信号；s33、判断第一区域的太赫兹能量吸收率是否小于第一预设太赫兹能量吸收率阈值，若是则进入步骤s34，否则返回步骤s1；s34、判断第二区域的太赫兹能量吸收率是否大于第二预设太赫兹能量吸收率阈值，若是则进入步骤s35，否则返回步骤s1；
s35、基于第一区域的太赫兹能量吸收率和第二区域的太赫兹能量吸收率，并归一化第一金属电极电信号和第二金属电极电信号，得到温差电势和光电压信号。
技术总结本发明公开了一种单层石墨烯太赫兹热电探测器的构造及验证方法，属于太赫兹探测器设计技术领域，包括如下步骤：构造全介质基底；获取单层石墨烯，并基于全介质基底构造单层石墨烯太赫兹热电探测器；利用X偏振太赫兹波验证单层石墨烯太赫兹热电探测器，得到温差电势和光电压信号；所述全介质基底由一个无任何图形的完整区域和一个特定图形化的超表面区域构成，超表面局域增强了石墨烯对太赫兹波的吸收，形成温差电势；本发明提供的探测器结构简单，不需要传统对称电极热电探测器对入射光斑位置进行精确操控，也不涉及到不对称电极热电探测器复杂的电极制备工艺。本发明受到“中央引导地方科技发展项目(编号：2021ZYD0039)”支持。持。持。
技术研发人员：李继涛 杨定宇 朱兴华 田海波 贾浩铎 唐鑫
受保护的技术使用者：四川文理学院
技术研发日：2022.06.23
技术公布日：2022/11/1
