一种太赫兹自旋选择性传输全硅超构器件设计方法
阅读说明：本技术 一种太赫兹自旋选择性传输全硅超构器件设计方法 (Design method of terahertz spin selective transmission all-silicon super-structure device ) 是由 李继涛 岳震 李�杰 郑程龙 于 2021-05-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种太赫兹自旋选择性传输全硅超构器件设计方法,包括S1、基于全硅有损材料构建基本结构,基本结构包括三个几何分布的椭圆条；S2、将S1中的基本结构进行周期延伸形成超表面。本发明强化太赫兹波与硅的相互作用,设计了自旋选择性透射全硅超表面,在太赫兹波段获得了优良的自旋选择性传输特性,圆二色性可达0.4,相比现有技术,本发明将自旋选择透射全硅超表面的圆二色性提高了30％左右。(The invention discloses a design method of a terahertz spin selective transmission all-silicon super-structure device, which comprises the steps of S1, constructing a basic structure based on all-silicon lossy materials, wherein the basic structure comprises three geometrically distributed elliptical strips; and S2, periodically extending the basic structure in the S1 to form a super surface. The invention strengthens the interaction between the terahertz wave and the silicon, designs the spin selective transmission all-silicon super-surface, obtains excellent spin selective transmission characteristic in the terahertz wave band, and has circular dichroism reaching 0.4, compared with the prior art, the invention improves the circular dichroism of the spin selective transmission all-silicon super-surface by about 30 percent.)
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料和太赫兹科学技术的
技术领域
，具体涉及一种太赫兹自旋选择性传输全硅超构器件设计方法。背景技术
近年来，研究人员通过设计具有特定结构的超表面，实现了不同自旋方向圆偏振光的选择性透射和反射，这种特性可以用于制备非对称滤波器和光学防伪器件，并可应用于光通信、量子光学和光学传感。圆二色性是评价自旋选择性传播特性的关键指标，一般来说，通过使用一层金属材料来构建手性结构，可以实现透射超表面的自旋选择性透射。然而，为了获得强圆二色性，通常需要进一步依赖多层金属设计。此外，复合全介质(例如，硅与二氧化硅的体系，或二氧化硅与二氧化钛的体系)微纳米结构也是实现强圆二色性的良好选择。全硅超表面(无需复合其他材料)是全介质超表面的一种，不仅具有折射率高、损耗低的优点，而且具有丰富的来源和成熟的加工技术。与复合全介质超表面相比，全硅超表面的制备工艺简单，成本低。与多层金属框架的超表面相比，全硅超表面不需要繁琐的工艺。然而，在太赫兹波段，硅材料与太赫兹的相互作用较弱，一般难以形成良好的圆二色性，因此，目前对基于全硅超表面的自旋选择性传输的器件研究较少，现有文献报道的自旋选择透射全硅超表面的圆二色性最高仅为0.3。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种太赫兹自旋选择性传输全硅超构器件设计方法，以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种太赫兹自旋选择性传输全硅超构器件设计方法，其包括以下步骤：
S1、基于全硅有损材料构建基本结构，基本结构包括三个几何分布的椭圆条；
S2、将S1中的基本结构进行周期延伸形成超表面。
进一步地，全硅为高阻硅。
进一步地，三个椭圆条中有两个椭圆条尺寸完全相同，两个相同尺寸的椭圆条成对排列，并与第三个椭圆条呈现45°倾斜夹角；第三个椭圆条的长轴与另外两个椭圆条长轴相同，短轴不同。
本发明提供的太赫兹自旋选择性传输全硅超构器件设计方法，具有以下有益效果：
本发明强化太赫兹波与硅的相互作用，设计了自旋选择性透射全硅超表面，在太赫兹波段获得了优良的自旋选择性传输特性，圆二色性可达0.4，相比现有报道，本发明将自旋选择透射全硅超表面的圆二色性提高了30％左右。
除此，本发明不依赖于传统的复合全介质体系和多层金属体系，在全硅材料上通过巧妙的结构设计实现了高性能太赫兹自旋选择性传输，制备工艺更简单，易于批量生产，成品率高，产品误差小。
与已有的同类产品相比，本发明报道的圆二色性提高了30％以上，意味着更强的自旋选择性传输特性。
附图说明
图1为基本结构的二维和三维示意图。
图2为基本结构按周期延伸形成的超构器件功能示意图。
图3为超构器件性能特性图，其中，(a)不同圆偏振分量的透射幅度，(b)圆二色性曲线。
具体实施方式
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。
实施例一，参考图1，本方案的太赫兹自旋选择性传输全硅超构器件设计方法，包括以下步骤：
S1、基于全硅有损材料设计基本结构，基本结构由三个椭圆条按一定几何规则排布。
S2、将步骤一中设计好的基本结构进行周期延伸形成超表面。
上述设计全部基于高阻硅。
硅总厚度为500μm，结构深度均为200μm，步骤一中所述基本结构的周期常数为160μm；三个椭圆条中有两个椭圆条尺寸完全相同，长轴为90-100μm，短轴为20-25μm，第三个椭圆条长轴尺寸也为90-100μm，但短轴为50-60μm。两个相同尺寸的椭圆条成对排列，中心距离为80μm，并与第三个椭圆条呈现45°倾斜夹角。若令整个结构中心为坐标原点，两个相同尺寸的椭圆条的中心坐标分别为(40，40)和(40，-40)；第三个椭圆条的中心与另外一对椭圆条的整体几何中心相距80μm，中心坐标为(-40，0)。本发明中器件的中心工作频带为1.05THz。
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例二
S1、基于全硅有损材料设计基本结构，基本结构由三个椭圆条组成。如图1，所选硅材料为高阻硅。硅总厚度为500μm，其中衬底部分厚度h2＝300μm，结构深度h1＝200μm，结构的周期常数为P＝160μm；三个椭圆条中有两个椭圆条尺寸完全相同，长轴为L＝100μm，短轴为W2＝20μm，第三个椭圆条长轴尺寸也为L＝100μm，但短轴为W1＝60μm。两个相同尺寸的椭圆条成对排列，中心距离为80μm，并与第三个椭圆条呈现θ＝45°倾斜夹角。若令整个结构中心为坐标原点，两个相同尺寸的椭圆条的中心坐标分别为(40，40)和(40，-40)；第三个椭圆条的长轴平行于坐标y轴，短轴平行于坐标x轴，其中心坐标为(-40，0)。
S2、将步骤一中设计好的基本结构进行周期延伸形成超表面。如图2，本发明中器件的中心工作频带为1.05THz。具备的功能描述如下：当右旋圆偏振(RCP)太赫兹波从器件正面入射时，将顺利透射，并被转换为左旋圆偏振(LCP)太赫兹波，然而，左旋圆偏振(LCP)太赫兹波从器件正面入射时，将被反射而不能被顺利透射。各圆偏振分量的透射幅度展示如图3(a)，其圆二色性展示如图3(b)；可以看到，器件的圆二色性在1.05THz高达0.4，这一值比现有报道至少提高30％。
综上所述，本发明在不依赖传统的复合全介质体系和多层金属体系情况系，在全硅材料上通过巧妙的结构设计实现了高性能太赫兹自旋选择性传输，获得了高达0.4的圆二色性值，比较现有纪录至少提高了30％。本发明所述器件制备工艺更简单，易于批量生产，成品率高，产品误差小。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。
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