单片集成石墨烯–准连续域束缚态谐振器实现电调谐太赫兹调制

研究背景

太赫兹波段通常指0.1至10 THz的频率范围，介于微波与远红外之间，兼具独特的光谱学与电磁学特性，在高分辨成像、生物医学传感以及下一代无线通信中具有重要应用价值。这些技术的实用化依赖于能够动态调控振幅、相位与偏振的高效太赫兹调制器。作为太赫兹系统中的基本功能单元，调制器需要同时响应入射太赫兹辐射与外部电学激励。然而，基于微机电系统或相变材料的传统方案调制速度受限，而基于半导体的方案则往往体积过大，难以满足兼具高速与高集成密度的频率选择型器件需求。

石墨烯因其高载流子迁移率、可电学调控的载流子浓度以及与大面积CMOS工艺的兼容性，成为极具吸引力的有源材料。但本征单层石墨烯在太赫兹波段表现为非谐振的Drude型带内响应，光学截面有限，调制效率不足以支撑实际应用。将石墨烯与亚波长谐振结构集成是增强光与物质相互作用的有效途径，此前研究已尝试电磁诱导透明结构、电荷转移等离激元模式以及表面等离激元–腔杂化态等方案。问题在于，太赫兹调制器需要用调制深度、开关速度、插入损耗、器件尺寸与品质因子（Q因子）等一组相互耦合的指标共同衡量，而优化其中一项往往以牺牲其他指标为代价：单层石墨烯调制器结构紧凑却受限于低Q谐振，体腔方案可提升Q因子却损失了集成度与紧凑性。因此，如何在同一平面架构中同时实现强谐振场增强、电学可调性与低耗散损耗，成为亟待解决的关键问题。

成果简介

近日，中山大学陈焕君教授、曹兆龙副教授在Nano Research上发表研究论文，提出并实现了一种单片集成的石墨烯–准连续域束缚态（qBIC）谐振器平台，用于电调谐太赫兹调制。研究团队将图案化石墨烯与对称性破缺的双棒金属微天线（DRMA）制备在同一物理层内，避免了传统的隔离层结构，通过静电栅控连续调节高Q qBIC谐振的耗散损耗，从而实现对透射太赫兹波的连续幅度调制。

器件的核心设计思想在于：对称双棒结构支持一种与自由空间辐射几乎解耦的对称性保护连续域束缚态；通过引入两根金棒的长度差（不对称度定义为两棒长度之差与长棒长度之比），理想束缚态被转化为可被辐射通道激发的高Q准束缚态。团队采用时域耦合模理论对该体系进行解析描述，将其视为两个耦合谐振模，对角化哈密顿量后得到杂化的明模与暗模；理论预言暗模的辐射衰减率随不对称度呈平方标度关系，这一规律在全波仿真与实测谱的拟合中均得到验证。值得注意的是，石墨烯的图案化处理至关重要：对照实验表明，采用连续未图案化石墨烯的器件因严重的欧姆损耗使谐振模式过阻尼，qBIC模式几乎被完全淬灭，而图案化石墨烯在保留电学可调性的同时大幅抑制了寄生吸收。

器件制备在500 μm厚双面抛光的p型掺杂硅衬底上，表面带有300 nm二氧化硅层，采用湿法转移的大面积CVD单层石墨烯，经紫外无掩模光刻与氧等离子体刻蚀定义石墨烯图案，再经第二次光刻、热蒸发Cr/Au（10/90 nm）与剥离工艺形成金属谐振器与电极，背面涂覆银浆作为背栅电极。当栅压由0扫描至−150 V时，1.1 THz处的透射率由61.9%降至40.2%，对应调制深度35.0%、绝对调制深度22%，实测Q因子为9.28。时域耦合模理论拟合显示，载流子注入过程中暗态qBIC模式的吸收速率由0.22 meV增至0.34 meV，而谐振频率几乎保持不变，证实栅控引入的是可调的耗散损耗通道，而非对谐振模式本身的重构。同一器件中，qBIC模式在1.11 THz处的绝对调制深度达21.8%，而常规偶极天线模式在1.25 THz处仅为6.3%，凸显了qBIC架构对外界微扰的高敏感性。调制速度方面，3 dB截止频率约为14 kHz，主要受背栅结构RC常数限制，与由器件几何参数计算得到的13.94 kHz吻合良好。综合来看，该器件在1.1 THz处同时实现了35%的调制深度、9.28的Q因子、0.12 THz的谐振带宽、14 kHz的调制速度与2.08 dB的低插入损耗，在紧凑的平面架构中取得了各项关键指标的均衡优化。

图1 石墨烯DRMA调制器的器件架构。(a) 石墨烯基太赫兹调制器示意图。(b) 混合qBIC架构的单元结构几何参数，其中间隙参数表示双棒微天线与石墨烯窗口边缘之间的横向距离。(c) 制备器件的俯视光学显微照片与扫描电子显微镜图像。

图2 DRMA的qBIC响应的数值与实验表征。(a) 孤立金微天线的仿真与实测透射谱，插图为谐振频率处的电场分量分布。(b) 不同不对称度DRMA的仿真透射谱，不对称度定义为两根金棒长度之差与长棒长度之比；圆点为时域耦合模理论的解析拟合结果，与实线所示的全波仿真高度吻合，插图为非对称qBIC模式的电场分量分布。(c) 提取的衰减率与辐射Q因子随结构不对称度的变化，红色虚线标示对称性保护qBIC模式的特征标度关系。(d) DRMA总Q因子的仿真值与实验值对比。(e) 不同不对称度DRMA的实测透射谱，插图为不对称度0.26器件的扫描电镜图像。(f) 由实验谱提取的衰减率随结构不对称度的变化。

图3 石墨烯–DRMA混合调制器的主动太赫兹调制与时域耦合模理论分析。(a–c) 数值结果，包括不同石墨烯费米能级下的仿真透射谱、特定频率处的透射率变化以及理论提取的衰减率。(d–f) 实验结果，包括不同栅压下的实测透射谱、特定频率处的透射率变化以及理论提取的衰减率随外加栅压的变化。

图4 调制速度与性能对比。(a) 太赫兹调制速度测量实验装置示意图。(b) 归一化调制深度随调制频率的变化关系。(c) 本工作与代表性太赫兹调制器在调制深度、调制速度、Q因子、集成度与损耗五个维度上的性能对比。

总结展望

本工作展示了一种将图案化石墨烯与对称性破缺双棒谐振器相结合的单片集成石墨烯–qBIC太赫兹调制器。qBIC谐振在抑制辐射损耗的同时增强了太赫兹波与电学可调石墨烯之间的相互作用，静电栅控则通过调节谐振的耗散损耗实现连续幅度调制。器件在1.1 THz处实现了35%的调制深度、9.28的Q因子、0.12 THz的谐振带宽、14 kHz的3 dB调制速度与2.08 dB的插入损耗，在调制深度、谐振品质、插入损耗、开关速度与器件集成度之间提供了紧凑而实用的平衡方案。

研究团队同时指出了后续优化方向：当前约150 V的工作电压主要源于300 nm二氧化硅栅介质与背栅结构本身效率有限，改用氧化铪、氧化铝等高介电常数材料或采用顶栅设计有望在不显著增加器件厚度的前提下大幅降低驱动电压；Q因子可通过提升光刻精度、优化金属沉积工艺或采用布里渊区折叠型qBIC等更稳健的构型进一步提高；调制深度则可借助干法转移、六方氮化硼封装等手段改善石墨烯质量与载流子输运来提升；而缩小有源面积或采用更薄的高k栅介质则可直接改善调制速度。器件制备方面，团队共制备20个样品、获得14个可用器件，成品率为70%，失效主要源于大横向尺寸与高背栅电压下的电学击穿。这些结果确立了qBIC增强石墨烯超构表面作为有源太赫兹光子器件平台的可行性。

来源：低维昂维