基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件及其制备方法与应用

摘要

本发明涉及太赫兹超材料功能器件技术领域，尤其涉及基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件及其制备方法与应用。所述太赫兹器件包括以下部分：周期结构的单层超材料；所述周期结构的单元结构为圆环结构，其由两个对称设置的金属材质的半圆形分裂环组成，每个分裂环均由环体和延伸臂组成，所述延伸臂从环体开始向环体的圆心方向延伸；两个分裂环之间设置有一条开口，所述开口贯穿两个半圆形分裂环组成的圆环结构的直径，且延伸臂垂直开口；所述环体和延伸臂处的开口中填充有石墨烯。本发明通过静电掺杂调节石墨烯的费米能，从而调谐石墨烯的电导率，实现对太赫兹anapole响应动态调谐。

权利要求

1.一种基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件，其特征在于，主要包括周期结构的单层超材料；所述单层超材料为圆环结构，其由两个对称设置的金属材质的半圆形分裂环组成，每个分裂环均由环体和延伸臂组成，所述延伸臂从环体开始向环体的圆心方向延伸；两个分裂环之间设置有一条开口，所述开口贯穿两个半圆形分裂环组成的圆环结构的直径，且延伸臂垂直开口；所述环体和延伸臂处的开口中填充有石墨烯。

2.如权利要求1所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件，其特征在于，所述环体处的开口宽度为0.5μm‑10μm，延伸臂处的开口宽度为0.5μm‑10μm。

3.如权利要求1所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件，其特征在于，所述石墨烯的宽度和开口宽度一致，石墨烯长度为0.5μm‑10μm。

4.如权利要求1所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件，其特征在于，所述圆环结构的直径为10μm‑100μm；

或者，所述周期结构的单层超材料的厚度为1μm‑10μm；

或者，所述周期性排列的分裂环的周期为10μm‑100μm，且两个相邻分裂环边缘之间的距离为5μm‑50μm。

5.如权利要求1‑4任一项所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件，其特征在于，所述分裂环的材质为Au、Al、Ag、Pt、Cu中的任意一种。

6.权利要求1‑5任一项所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)利用机械旋涂法在高阻硅上旋涂一层光刻胶，烘干、冷却后进行曝光、显影和定影工艺，形成所述周期结构的光刻胶掩膜结构，周期结构中的每个单元结构均由两个对称设置的半圆形分裂环组成，两个分裂环之间形成有一条开口，所述开口贯穿两个半圆形分裂环组成的圆环结构的直径，且延伸臂垂直开口；

(2)利用材料生长工艺在步骤(1)所得所述周期结构的光刻胶掩膜结构上淀积金属，完成后剥离金属，并去除光刻胶，清洗后吹干，获得图形化的金属材质的所述圆环结构；

(3)将石墨烯转移到上述图形化的金属材质圆环结上，然后利用机械旋涂法在石墨烯表面上旋涂一层光刻胶，烘干、冷却后进行曝光、显影和定影，获得石墨烯带的光刻胶掩膜结构；

(4)对步骤(3)的石墨烯带的光刻胶掩膜结构进行氧等离子刻蚀，以刻蚀掉没有被光刻胶掩膜的石墨烯，然后除去光刻胶掩膜，清洗后吹干，即得。

7.权利要求6所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述机械旋涂法的步骤为：先以450‑550r/min的转速旋涂

15‑25s，然后以3900‑4100r/min的转速旋涂55‑65s，再以450‑550r/min的转速旋涂15‑25s；

或者，步骤(1)中，所述烘干的条件为：在100‑105℃下烘55‑65秒；

或者，步骤(1)和(3)中，所述光刻胶均为SU‑8光刻胶、PMMA光刻胶、AZ光刻胶中的任意一种。

8.权利要求6所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述将石墨烯转移到上述图形化的金属材质圆环结上的过程如下：利用机械旋涂法将PMMA溶液旋涂到生长在铜箔上的石墨烯表面，以500‑510r/min的转速预转20‑25秒，然后以3000‑3050r/min的转速转100‑110秒，再以500‑510r/min的转速转20‑25秒，然后放置在烘干台上，120‑130℃下烘干13‑17分钟，获得带有聚甲基丙烯酸甲酯膜的铜箔；放入氧等离子刻蚀机中对背面的铜箔上的石墨烯进行刻蚀，其功率为

90％，时间为30秒，压强为0.2Pa；再将处理过的铜箔放入氯化铁饱和溶液中浸泡4‑4.5小时，将铜全部刻蚀掉；当仅剩石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯漂浮在溶液中时用去离子水反复置换4‑5次，将氯化铁全部置换；最后已经进行金属图形化的硅片将带有聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯从溶液中捞出，烘干后放入丙酮溶液中浸泡9‑9.5小时去除PMMA，去离子水清洗，即得。

9.权利要求6所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法，其特征在于，步骤(2)和(4)中，所述除去光刻胶掩膜的方法为采用丙酮溶液浸泡至光刻胶被除去；

或者，步骤(2)中，所述剥离金属的方法为采用丙酮溶液浸泡至光刻胶被除去，金属即可剥离；

或者，步骤(3)中，所述材料生长工艺包括电子束蒸发、真空蒸镀、溅射、化学气相淀积中的任意一种。

10.权利要求6‑9任一项所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述石墨烯采用CVD法制备。

11.权利要求10所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法，其特征在于，所述CVD法的步骤为：先用硝酸铁对铜箔衬底进行预处理，然后以甲烷为碳源，氩气和氢气分别作为保护和还原气体，在预处理后的铜箔衬底进行热处理生长石墨烯，即得。

12.权利要求11所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法，其特征在于，所述热处理的方法为：将预处理后的铜箔衬底加热至1050‑1100℃，然后将温度降至1000‑1050℃，再继续降温至室温。

13.权利要求1‑5任一项所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件在微电子技术、太赫兹超材料功能器件领域中的应用。

说明书

基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件

及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明涉及太赫兹超材料功能器件技术领域，尤其涉及基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件及其制备方法与应用。

背景技术

[0002] 公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技
术。

[0003] 太赫兹波是指频率在0.1‑10THz的电磁波谱，处于电子学与光子学的交叉领域，是人类最后一个尚未完全开发的电磁波段。依靠其独特的高透射性、宽带性、低能量等性质，
在大容量通讯、生物成像、安全检查等众多领域发挥了重大作用。

[0004] 在经典电动力学中，为了方便研究空间局部范围的电荷‑电流分布体系激发的远场而引入电多极子和磁多极子这两大多极子系统。作为第三类辐射源，环偶极子是由环形
电流诱导产生一对方向相反的磁偶极子，并呈现首尾相接状态，但由于其对入射电磁波响
应很弱，经常被更强的传统电/磁极子所掩盖，严重阻碍了它的检测和应用。超材料的发展
为研究环偶极子提供了一种全新的方法。超材料是一种人工设计的周期性排列结构单元，
通过合理地设计结构单元的几何形状、大小及排列方式，可实现自然材料不具备的超常电
磁特性。因此，通过合理地设计超材料的结构单元，可使其环偶极子的响应强度达到可观测
量级，这对深入研究物质的电磁特性具有重要里程碑意义。

[0005] 当电偶极子和环形偶极矩形成非平凡的破坏性干涉时，会产生具有非辐射性质的anapole模式。作为当前研究的重点，利用anapole模式与太赫兹超材料之间的特性，在获得
丰富的生物和材料信息方面展现了出色的性能。近年来，基于anapole模式的超材料已经在
微波波段、光波段、太赫兹波段实现，由于能够产生的高Q因子，它可以作为近乎理想的谐振
器。然而，现有的基于平面超材料结构的谐振响应主要取决于结构单元，其形状和尺寸一旦
确定，所对应的谐振工作波长、幅度和带宽也固定，只能在有限的工作带宽内实现单一功
能，很难实现大规模的应用。为了克服上述缺陷，研究者们希望通过在平面太赫兹超材料结
构单元中集成活性材料，实现对谐振的动态调控。例如，2017年，A.A.Basharin等人提出了
可调谐太赫兹超材料的模型，利用与硅结合的平面金属的电感耦合，实现共振蓝移和相位
可调谐(参见文献1)。2019年，Z.Song等人提出了用于太赫兹的环形开关，其谐振的传输深
度可以通过VO2的电导率来调控，但实现谐振的连续调谐仍然存在很大的困难(参见文献
2)。

[0006] 现有技术文献：

[0007] 文献1：Cojocari M V,Schegoleva K I,Basharin A A.Blueshift and phase tunability in planar THz metamaterials:the role of losses and toroidal dipole 
contribution[J].Opt.Lett.,2017,42(9):1700‑1703.

[0008] 文献2：Song Z,Deng Y,Zhou Y,et al.Tunable toroidal dipolar resonance for terahertz wave enabled by a vanadium dioxide metamaterial[J].IEEE 
Photonics Journal,2019,11(2):1‑5.

发明内容

[0009] 本发明的目的是解决anapole模式激发的太赫兹超材料谐振调制深度小且不连续，激励方式复杂以及制备工艺繁琐的问题。为此，本发明提供基于anapole模式的可动态
调控的石墨烯超材料太赫兹器件及其制备方法。本发明通过静电掺杂调节石墨烯的费米
能，从而调谐石墨烯的电导率，实现对太赫兹anapole响应动态调谐。

[0010] 本发明第一目的：提供基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件。

[0011] 本发明第二目的：提供基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法。

[0012] 本发明第三目的：提供所述基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的应用。

[0013] 为实现上述发明目的，具体地，本发明公开了以下技术方案：

[0014] 首先，本发明公开一种基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件，主要包括以下部分：周期结构的单层超材料；所述单层超材料为圆环结构，其由两个对
称设置的金属材质的半圆形分裂环组成，每个分裂环均由环体和延伸臂组成，所述延伸臂
从环体开始向环体的圆心方向延伸。两个分裂环之间设置有一条开口，所述开口贯穿两个
半圆形分裂环组成的圆环结构的直径，且延伸臂垂直开口；所述环体和延伸臂处的开口中
填充有石墨烯。

[0015] 进一步地，所述分裂环的材质为Au、Al、Ag、Pt或Cu中的任意一种。这几类金属的电导率和磁导率较高，趋肤深度更小，因而光在金属中的损耗就更小，有助于形成更窄带的选
择性吸收。

[0016] 进一步地，所述周期性排列的分裂环的周期为10μm‑100μm，且两个相邻分裂环边缘之间的距离为5μm‑50μm。

[0017] 进一步地，所述圆环结构的直径为10μm‑100μm。

[0018] 进一步地，所述环体处的开口宽度为0.5μm‑10μm，延伸臂处的开口宽度为0.5μm‑10μm。通过在环体和延伸臂处设置开口并填充石墨烯，石墨烯可分别结合两种开口形成两
种调控模式。

[0019] 进一步地，所述石墨烯的宽度和开口宽度一致，石墨烯长度为0.5μm‑10μm。

[0020] 进一步地，所述周期结构的单层超材料的厚度为1μm‑10μm。金属层过厚会导致器件尺寸增大，不利于集成，且会增加器件制备成本；而金属层过薄则会导致在趋肤深度尺度
上有较大的能量损耗，不利于器件性能的提高。

[0021] 其次，本发明公开所述基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法，包括如下步骤：

[0022] (1)利用机械旋涂法在高阻硅上旋涂一层光刻胶，烘干、冷却后进行曝光、显影和定影工艺，形成所述周期结构的光刻胶掩膜结构，周期结构中的每个单元结构均由两个对
称设置的半圆形分裂环组成，两个分裂环之间形成有一条开口，所述开口贯穿两个半圆形
分裂环组成的圆环结构的直径，且延伸臂垂直开口。

[0023] (2)利用材料生长工艺在步骤(1)所得所述周期结构的光刻胶掩膜结构上淀积金属，完成后剥离金属，并去除光刻胶，清洗后吹干，获得图形化的金属材质的所述圆环结构。

[0024] (3)将石墨烯转移到上述图形化的金属材质圆环结上，然后利用机械旋涂法在石墨烯表面上旋涂一层光刻胶，烘干、冷却后进行曝光、显影和定影，获得石墨烯带的光刻胶
掩膜结构。

[0025] (4)对步骤(3)的石墨烯带的光刻胶掩膜结构进行氧等离子刻蚀，以刻蚀掉没有被光刻胶掩膜的石墨烯，然后除去光刻胶掩膜，清洗后吹干，即得。

[0026] 进一步地，步骤(1)中，所述机械旋涂法的步骤为：先以450‑550r/min的转速旋涂15‑25s，然后以3900‑4100r/min的转速旋涂55‑65s，再以450‑550r/min的转速旋涂15‑25s。

[0027] 进一步地，步骤(1)和(3)中，所述光刻胶均为SU‑8光刻胶、PMMA光刻胶、AZ光刻胶等中的任意一种。

[0028] 进一步地，步骤(1)中，所述烘干的条件为：在100‑105℃下烘55‑65秒。

[0029] 进一步地，步骤(2)和(4)中，所述除去光刻胶掩膜的方法为采用丙酮溶液浸泡至光刻胶被除去。

[0030] 进一步地，步骤(2)中，所述剥离金属的方法为采用丙酮溶液浸泡至光刻胶被除去，金属即可剥离。

[0031] 进一步地，步骤(2)中，所述材料生长工艺包括电子束蒸发、真空蒸镀、溅射、化学气相淀积等中的任意一种。

[0032] 进一步地，步骤(3)中，所述石墨烯采用CVD法制备。具体方法为：先用硝酸铁对铜箔衬底进行预处理，然后以甲烷为碳源，氩气和氢气分别作为保护和还原气体，在预处理后
的铜箔衬底进行热处理生长石墨烯，即得。

[0033] 进一步地，所述热处理的方法为：将预处理后的铜箔衬底加热至1050‑1100℃，然后将温度降至1000‑1050℃，再继续降温至室温。

[0034] 进一步地，步骤(3)中，所述将石墨烯转移到上述图形化的金属材质圆环结上的过程如下：利用机械旋涂法将PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)溶液旋涂到生长在铜箔上的石墨烯表
面，以500‑510r/min的转速预转20‑25秒，然后以3000‑3050r/min的转速转100‑110秒，再以
500‑510r/min的转速转20‑25秒，然后放置在烘干台上，在120‑130℃下烘干13‑17分钟，获
得带有聚甲基丙烯酸甲酯膜的铜箔；然后将其放入氧等离子刻蚀机中对背面的铜箔上的石
墨烯进行刻蚀，其功率为90％，时间为30秒，压强为0.2Pa；再将处理过的铜箔放入氯化铁饱
和溶液中浸泡4‑4.5小时，将铜全部刻蚀掉；当仅剩石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯漂浮在溶液
中时用去离子水反复置换4‑5次，将氯化铁全部置换；最后已经进行金属图形化的硅片将带
有聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯从溶液中捞出，烘干后放入丙酮溶液中浸泡9‑9.5小时去除
PMMA，去离子水清洗3次，即完成石墨烯转移到上述图形化的金属材质圆环结上。

[0035] 最后，由于本发明公开所述基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件在微电子技术、太赫兹超材料功能器件等领域中的应用。

[0036] 与现有技术相比，本发明取得的有益效果是：

[0037] (1)本发明采用平面太赫兹超材料结构，与传统的三维结构相比，不仅结构简单、制备方便、结构可靠性高、开发成本低；而且可实现连续性双模式调控，调控方式灵活方便。

[0038] (2)而本发明设计的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯太赫兹超材料将石墨烯带贯穿金属分裂环结构的开口处，通过静电掺杂调节石墨烯的费米能，从而调谐石墨
烯的电导率，实现对太赫兹anapole响应动态调谐。

[0039] (3)由于石墨烯具有高载流子迁移率和强相互作用的显著优点，它可以通过控制电磁场或化学掺杂来提供超宽带可调谐性，可明显增强和改进太赫兹超材料谐振调制深
度，以及改变太赫兹超材料的工作模式，解决传统太赫兹超材料anapole谐振调谐深度小且
不连续，激励方式复杂、制备工艺繁琐等问题。

附图说明

[0040] 构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

[0041] 图1为本发明第一实施例中石墨烯超材料太赫兹器件的结构示意图。其中，a图为三维结构示意图；b图为分裂环的俯视图；c图为分裂环的剖视图。

[0042] 图中标记分别代表：1‑分裂环、2‑环体、3‑延伸臂、4‑开口、4.1‑环体处的开口、4.2‑延伸臂处的开口。

[0043] 图2为本发明第二实施例中石墨烯结合在周期性排列的单元结构的中间间隙时费米能Ef1从0eV变化到1eV时，在8.5THz到11.5THz频段的透射曲线的变化。

[0044] 图3为本发明第二实施例中石墨烯结合在周期性排列的单元结构的两侧间隙时费米能Ef2从0eV变化到1eV时，在8.0THz到11.0THz频段的透射曲线的变化。

[0045] 图4为本发明第二实施例中未结合石墨烯时周期性排列的单元结构7.6THz到8.8THz频段的透射曲线的变化。

[0046] 图5为本发明第二实施例中未结合石墨烯时周期性排列的单元结构在7.0THz到9.0THz频段的五种主要多级子的散射能量。

具体实施方式

[0047] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常
理解的相同含义。

[0048] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式
也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包
括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0049] 正如前文所述，研究者们希望通过在平面太赫兹超材料结构单元中集成活性材料实现对谐振的动态调控，但目前的一些用于太赫兹的环形开关实现谐振的连续调谐仍然存
在很大的困难。为此，本发明提出了一种基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太
赫兹器件及其制备方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

[0050] 第一实施例

[0051] 参考图1，一种基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件，主要包括以下部分：呈周期排列结构的单层超材料，其厚度为2μm。所述周期排列结构的单元结
构为直径15μm的圆环结构，其由两个对称设置的金材质的半圆形分裂环1组成，每个分裂环
1均由环体2和延伸臂3组成，所述延伸臂3从环体开始向环体的圆心方向延伸。两个分裂环
之间设置有一条开口4，所述开口贯穿两个半圆形分裂环1组成的圆环结构的直径，且延伸
臂2垂直开口4；所述环体2处的开口4.1宽度为1μm，延伸臂3处的开口4.2宽度为0.75μm。所
述环体2和延伸臂3处的开口中填充有石墨烯。所述石墨烯的宽度和开口宽度一致，石墨烯
长度为2μm，石墨烯的厚度为2μm，即石墨烯和圆环结构齐平，从而形成平面太赫兹超材料结
构单元。两个相邻分裂环边缘之间的距离为20μm，且两个相邻分裂环边缘之间的距离为5μ
m‑50μm。

[0052] 除此以外，所述基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件中各部件的尺寸、分裂环的材质等还可以根据需要在前文中公开的范围中任意选择，从而得到
不同规格的器件。需要说明的是，传统的太赫兹anapole模式超材料是基于周期性排列的图
形化的金属结构，由于金属电导率固定不变，金属结构单元的结构参数一旦固定，所对应的
谐振点与谐振方式也被固定，导致其工作频率与特性被固定，不能灵活调控电磁特性；传统
的调控方法是将太赫兹超材料与活性材料集成，通过外部激励改变结构单元活性材料或周
围材料的属性，从而灵活有效地调控太赫兹超材料环偶谐振。传统较为常用的活性材料为
半导体材料、相变材料、超导材料、石墨烯和液晶材料，其调谐能力明显依赖于活性材料的
非线性特性，导致调谐范围有限，且活性材料可选范围窄。而本发明设计的基于anapole模
式的可动态调控的石墨烯太赫兹超材料将石墨烯带贯穿金属分裂环结构的开口处，通过静
电掺杂调节石墨烯的费米能，从而调谐石墨烯的电导率，实现对太赫兹anapole响应动态调
谐。

[0053] 第二实施例

[0054] 第一实施例所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法，包括如下步骤：

[0055] 步骤一、利用机械旋涂法(先以500r/min的转速旋涂20s，然后以4000r/min的转速旋涂60s，再以500r/min的转速旋涂20s)在高阻硅上旋涂PMMA光刻胶，并在100℃下烘60秒，
冷却后进行曝光、显影和定影工艺(利用汞灯曝光18秒，然后静置于空气中，让光刻胶反应5
分钟；上述反应完成后再置于显影液中反应13秒，然后洗去多余的光刻胶，再放入去离子水
中清洗显影液和定影，最后吹干)，形成所述周期结构的光刻胶掩膜结构，周期结构中的每
个单元结构均由两个对称设置的半圆形分裂环组成，两个分裂环之间形成有一条开口，所
述开口贯穿两个半圆形分裂环组成的圆环结构的直径，且延伸臂垂直开口。

[0056] 步骤二、利用材料生长工艺(用真空热蒸镀法在光刻胶层表面镀上一层大于两倍‑5
趋肤深度的Au膜。蒸镀的真空环境高于5×10 mB，蒸镀速率约10nm/s)在步骤一的周期结构
的光刻胶掩膜结构上淀积一层厚度为2μm的Au，再置于丙酮溶液中浸泡24小时剥离Au和去
除光刻胶，然后去离子水清洗3次后吹干，获得图形化的所述圆环结构，即未结合石墨烯时
周期性排列的单元结构。

[0057] 步骤三、CVD法制备石墨烯：先用硝酸铁对铜箔衬底进行预处理，然后以甲烷为碳源，氩气和氢气分别作为保护和还原气体，在预处理后的铜箔衬底进行热处理(将铜箔衬底
加热至1050℃，然后将温度降至1000℃，再继续降温至室温)，完成后再铜箔上得到石墨烯，
备用。

[0058] 步骤四、将石墨烯转移到上述图形化的金属材质圆环结上：利用机械旋涂法将PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)溶液旋涂到生长在铜箔上的石墨烯表面，以500r/min的转速预转
20秒，然后以3000r/min的转速转100秒，再以500r/min的转速转20秒，然后放置在烘干台
上，120℃下烘干15分钟，获得带有聚甲基丙烯酸甲酯膜的铜箔；放入氧等离子刻蚀机中对
背面的铜箔上的石墨烯进行刻蚀，其功率为90％，时间为30秒，压强为0.2Pa；再将处理过的
铜箔放入氯化铁饱和溶液中浸泡4小时，将铜全部刻蚀掉；当仅剩石墨烯和聚甲基丙烯酸甲
酯漂浮在溶液中时用去离子水反复置换5次，将氯化铁全部置换；最后已经进行金属图形化
的硅片将带有聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯从溶液中捞出，烘干后放入丙酮溶液中浸泡9小
时去除PMMA，去离子水清洗3次，即完成石墨烯转移到上述图形化的金属材质圆环结上。

[0059] 步骤五、利用机械旋涂法在步骤二的图形化的圆环结构上旋涂厚度为1.4μm的PMMA光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影(利用汞灯曝光18秒，然后
静置于空气中，让光刻胶反应5分钟；上述反应完成后再置于显影液中反应13秒，然后洗去
多余的光刻胶，再放入去离子水中清洗显影液和定影，最后吹干)，获得石墨烯带的光刻胶
掩膜结构。

[0060] 步骤六、对步骤五的石墨烯带的光刻胶掩膜结构进行氧等离子刻蚀，以刻蚀掉没有被光刻胶掩膜的石墨烯，然后用丙酮溶液浸泡24小时去除光刻胶掩膜，去离子水清洗3次
后吹干，即得所述基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件，即结合石墨
烯时周期性排列的单元结构。

[0061] 第三实施例

[0062] 第一实施例所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法，包括如下步骤：

[0063] 步骤一、利用机械旋涂法(先以550r/min的转速旋涂15s，然后以3900r/min的转速旋涂55s，再以550r/min的转速旋涂15s)在高阻硅上旋涂PMMA光刻胶，并在105℃下烘55秒，
冷却后进行曝光、显影和定影工艺(同第二实施例)，形成所述周期结构的光刻胶掩膜结构，
周期结构中的每个单元结构均由两个对称设置的半圆形分裂环组成，两个分裂环之间形成
有一条开口，所述开口贯穿两个半圆形分裂环组成的圆环结构的直径，且延伸臂垂直开口。

[0064] 步骤二、利用材料生长工艺(同第二实施例)在步骤一的周期结构的光刻胶掩膜结构上淀积一层厚度为10μm的Ag，再置于丙酮溶液中浸泡24小时剥离Ag和去除光刻胶，然后
去离子水清洗3次后吹干，获得图形化的所述圆环结构，即未结合石墨烯时周期性排列的单
元结构。

[0065] 步骤三、CVD法制备石墨烯：先用硝酸铁对铜箔衬底进行预处理，然后以甲烷为碳源，氩气和氢气分别作为保护和还原气体，在预处理后的铜箔衬底进行热处理(将铜箔衬底
加热至1100℃，然后将温度降至1050℃，再继续降温至室温)，完成后再铜箔上得到石墨烯，
备用。

[0066] 步骤四、将石墨烯转移到上述图形化的金属材质圆环结上：利用机械旋涂法将PMMA溶液旋涂到生长在铜箔上的石墨烯表面，以510r/min的转速预转25秒，然后以3050r/
min的转速转110秒，再以510r/min的转速转25秒，然后放置在烘干台上，125℃下烘干17分
钟，获得带有聚甲基丙烯酸甲酯膜的铜箔；放入氧等离子刻蚀机中对背面的铜箔上的石墨
烯进行刻蚀，其功率为90％，时间为30秒，压强为0.2Pa；再将处理过的铜箔放入氯化铁饱和
溶液中浸泡4小时，将铜全部刻蚀掉；当仅剩石墨烯和聚甲基丙烯酸甲酯漂浮在溶液中时用
去离子水反复置换4次，将氯化铁全部置换；最后已经进行金属图形化的硅片将带有聚甲基
丙烯酸甲酯的石墨烯从溶液中捞出，烘干后放入丙酮溶液中浸泡9.5小时去除PMMA，去离子
水清洗3次，即完成石墨烯转移到上述图形化的金属材质圆环结上。

[0067] 步骤五、利用机械旋涂法在步骤二的图形化的圆环结构上旋涂厚度为1.6μm的PMMA光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影(同第二实施例)，获得石墨
烯带的光刻胶掩膜结构。

[0068] 步骤六、对步骤五的石墨烯带的光刻胶掩膜结构进行氧等离子刻蚀，以刻蚀掉没有被光刻胶掩膜的石墨烯，然后用丙酮溶液浸泡24小时去除光刻胶掩膜，去离子水清洗3次
后吹干，即得所述基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件，即结合石墨
烯时周期性排列的单元结构。

[0069] 第四实施例

[0070] 第一实施例所述的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件的制备方法，包括如下步骤：

[0071] 步骤一、利用机械旋涂法(先以450r/min的转速旋涂25s，然后以4100r/min的转速旋涂65s，再以450r/min的转速旋涂25s)在高阻硅上旋涂PMMA光刻胶，并在100℃下烘65秒，
冷却后进行曝光、显影和定影工艺(同第二实施例)，形成所述周期结构的光刻胶掩膜结构，
周期结构中的每个单元结构均由两个对称设置的半圆形分裂环组成，两个分裂环之间形成
有一条开口，所述开口贯穿两个半圆形分裂环组成的圆环结构的直径，且延伸臂垂直开口。

[0072] 步骤二、利用材料生长工艺(同第二实施例)在步骤一的周期结构的光刻胶掩膜结构上淀积一层厚度为1μm的Cu，再置于丙酮溶液中浸泡24小时剥离Cu和去除光刻胶，然后去
离子水清洗5次后吹干，获得图形化的所述圆环结构，即未结合石墨烯时周期性排列的单元
结构。

[0073] 步骤三、CVD法制备石墨烯：先用硝酸铁对铜箔衬底进行预处理，然后以甲烷为碳源，氩气和氢气分别作为保护和还原气体，在预处理后的铜箔衬底进行热处理(将铜箔衬底
加热至1080℃，然后将温度降至1020℃，再继续降温至室温)，完成后再铜箔上得到石墨烯，
备用。

[0074] 步骤四、将石墨烯转移到上述图形化的金属材质圆环结上：利用机械旋涂法将PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)溶液旋涂到生长在铜箔上的石墨烯表面，以500r/min的转速预转
25秒，然后以3050r/min的转速转100秒，再以500r/min的转速转25秒，然后放置在烘干台
上，130℃下烘干13分钟，获得带有聚甲基丙烯酸甲酯膜的铜箔；放入氧等离子刻蚀机中对
背面的铜箔上的石墨烯进行刻蚀，其功率为90％，时间为30秒，压强为0.2Pa；再将处理过的
铜箔放入氯化铁饱和溶液中浸泡4小时，将铜全部刻蚀掉；当仅剩石墨烯和聚甲基丙烯酸甲
酯漂浮在溶液中时用去离子水反复置换5次，将氯化铁全部置换；最后已经进行金属图形化
的硅片将带有聚甲基丙烯酸甲酯的石墨烯从溶液中捞出，烘干后放入丙酮溶液中浸泡9小
时去除PMMA，去离子水清洗5次，即完成石墨烯转移到上述图形化的金属材质圆环结上。

[0075] 步骤五、利用机械旋涂法在步骤二的图形化的圆环结构上旋涂厚度为0.8μm的PMMA光刻胶，并在100℃下烘60秒，冷却后进行曝光、显影和定影(同第二实施例)，获得石墨
烯带的光刻胶掩膜结构。

[0076] 步骤六、对步骤五的石墨烯带的光刻胶掩膜结构进行氧等离子刻蚀，以刻蚀掉没有被光刻胶掩膜的石墨烯，然后用丙酮溶液浸泡24小时去除光刻胶掩膜，去离子水清洗3次
后吹干，即得所述基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件，即结合石墨
烯时周期性排列的单元结构。

[0077] 性能测试

[0078] 对第二实施例制备的结合以及未结合石墨烯的周期性排列的单元结构的性能进行测试，结果分别如图2、3以及4、5所示。

[0079] 首先，结合图4和图5可以看出，未结合石墨烯时周期性排列的单元结构可以在7.97THz处清楚地看到尖锐的高Q共振峰。垂直于间隙电场入射的电磁波与自由电子耦合，
使电子有规律地运动，这种运动会产生位移电流，电流的振荡会产生电偶极子P。电偶极子
沿着环路形成环路电流j，电流j的闭合涡流引起围绕分子中心的磁场H，从而激发了超材料
结构中上下振荡的环形偶极矩子T。在7.97THz共振峰处，环形偶极子T的功率散射能量几乎
等于电偶极矩子的能量。T和P模式的P＝ikT关系产生了anapole模式，从而得到了较高的Q
因子。

[0080] 然后，图2可以看出，对于结合石墨烯时周期性排列的单元结构，此时石墨烯与裸露结构结合，将其设置在中心间隙处。石墨烯会减小间隙的有效电容从而显著影响中心间
隙的电场，而且两个分裂环中环形电流j不能形成集中的封闭磁场涡流；P对能量的贡献逐
渐增加，而T却几乎不受影响，所以T和P之间的破坏性干扰模式被打破，anapole模式无法被
激发，导致共振幅度的急剧变化。可以观察到共振频率的蓝移，并且随着费米能级Ef的增
加，振幅变得更强。当Ef1从0.1eV增加到1.0eV时，谐振频率从8.67THz调谐到10.27THz。表明
每移动0.1eV可调控范围高达250GHz，即可以通过改变石墨烯的电压偏置或化学掺杂提供
超宽带可调谐性。

[0081] 再结合图3，可以看出：此时石墨烯与裸露结构结合，将其设置在两侧间隙处。由于石墨烯引起的电导率变化几乎不影响位移电流，因此T没有明显变化；而等离振子共振导致
P的明显变化。破坏性干扰的条件同样被打破，导致anapole模式无法被激发。可以观察到共
振频率发生蓝移，并且随着Ef的增加而变得更强。当Ef2从0.1增加到1.0eV时，共振频率从
8.6THz变化到到9.6THz。表明每0.1eV的费米能级变化引起100GHz的共振频率蓝移，调谐性
能略低于上一中情况，但仍然是非常可观的。

[0082] 综上，本发明本实施例中制备的基于anapole模式的可动态调控的石墨烯超材料太赫兹器件利用了添加石墨烯的方式代替传统调谐方式实现了谐振的超宽带连续调控，实
现对太赫兹anapole响应动态调谐，为探索太赫兹波段的可调谐和可重构器件提供了新的
可能。

[0083] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。