编辑推荐：
多晶金刚石薄膜通过激光加工形成一维石墨化沟槽光栅，首次实现了太赫兹频段导模共振效应。实验证实该结构可独立调控不同共振模式，并实现电场平行（TE）与垂直（TM）于光栅的极化敏感特性。数值模拟验证了光栅周期、宽度等参数对电磁响应的调控作用，为低成本太赫兹光电器件开发提供了新途径。
Alesia G. Paddubskaya | Olga V. Sedelnikova | Dmitriy V. Gorodetskiy | Nadzeya I. Valynets | Mikita A. Rusanau | Sergey A. Maksimenko | Olivier Deparis | Philippe Lambin | Lyubov G. Bulusheva | Alexander V. Okotrub
白俄罗斯国立大学核问题研究所，11 Bobruiskaya街，220006，明斯克，白俄罗斯
摘要
尽管多晶金刚石（PCD）薄膜具有固有的晶粒结构，但它们正成为先进光子应用中单晶材料的有希望的替代品，特别是在太赫兹（THz）频段。在这项工作中，我们首次实验性地展示了配置为波导片的PCD薄膜中的导模共振（GMR）效应。通过激光处理，我们在PCD表面制造了一维石墨化沟槽光栅，使得入射的THz辐射能够有效地耦合到导模中，从而在THz范围内实现了共振传输现象。我们阐明了能够独立调节不同共振模式并对基于PCD的设备的电磁响应进行精确控制的机制。我们的发现确立了PCD薄膜作为THz光子应用的可行且有优势的平台，包括滤波器、传感器和偏振选择性组件。
引言
在过去二十年中，太赫兹（THz）频段（从0.1到10 THz）作为一个快速发展的领域脱颖而出，具有广泛的应用潜力，包括生物医学技术[1]、爆炸物和药物的安检[2]、下一代无线通信（如6G）[2]以及材料表征[3]。阻碍这一频段实际发展的一个关键限制是THz波与材料的相互作用与在成熟的射频（或微波）和近红外光学范围内的相互作用有显著不同[4]。因此，开发用于高效检测和主动控制的必要组件，包括对THz波的相位、幅度和偏振的精确操控，仍然是一项具有挑战性的任务。
虽然二氧化硅、结晶石英和蓝宝石等材料常用于THz应用，但金刚石因其卓越的固有特性而脱颖而出[5]、[6]。这些特性包括辐射硬度[7]、[8]、出色的热导率[9]、高晶格德拜温度和高声速[10]、[11]。此外，金刚石较大的带隙导致其在高频下的介电损耗极低[5]、[12]，这使其成为高频电子学和光子学中最合适的晶体之一[13]、[14]、[15]。据报道，单晶金刚石的介电损耗正切（tanδ）的理论预测极限在1 THz时约为10^?8[16]。在参考文献[17]中，对大尺寸单晶金刚石晶片的微波和THz范围内的介电特性进行了首次测量，结果显示tanδ的值在10^?5至10^?6之间。
另一方面，金刚石的物理和光学特性的独特组合强烈表明它是一个理想的先进超材料设计平台[15]。特别是，基于金刚石的超表面的可行性及其在未来的光子应用中的潜力已经得到了讨论[18]。在参考文献[19]中报道了使用光栅结构作为CO2激光器的波片。此外，在标准环境条件下对金刚石表面进行激光处理可以将其热转化为具有相对较高直流导电性的石墨层。这一过程为直接在金刚石表面制造各种形状的导电结构提供了简便的一步法[20]、[21]，大大简化了基于超表面的设备的制造。最近，激光写入技术被用于在 mid-红外和通信频段内制造金刚石内部的光栅波导[22]。此外，毫无疑问，基于金刚石的组件与现有的硅技术兼容，这是现代电子学和THz光子学的一个基本方面。所有这些独特的特性使得金刚石成为全碳器件制造的有希望的平台，也是未来THz光学发展的理想候选材料。然而，据我们所知，只有有限的出版物研究了基于激光处理的金刚石的THz特性及其潜在应用，特别是在THz光子学中[23]、[24]、[25]、[26]。这一事实进一步突显了我们研究的相关性和新颖性。
大规模单晶金刚石晶片的高成本和低制造产量对其实际应用构成了重大限制。在这种情况下，通过化学气相沉积（CVD）合成的多晶金刚石（PCD）薄膜成为了一个有希望的替代品，能够生产出厚度约为100 μm、横向尺寸为几厘米的高质量独立薄膜[5]、[27]。尽管它们是多晶结构，但这些金刚石薄膜展示出的热、电子和光学特性与其单晶对应物非常接近，使其成为电子学和光子学中相对成本效益高的材料。特别是，这些薄膜在THz范围内的性能令人满意，确立了它们作为单晶材料的有力替代品[5]、[27]、[28]。同时，它们保留了单晶类似物的一个关键优势——可以使用激光处理直接制造基于金刚石的超表面。
在这项工作中，我们证明了通过激光处理制造的简单光栅层的PCD薄膜适合用于观察THz范围内的导模传播现象。通过改变超表面晶格参数（如周期、宽度、填充因子和金刚石薄膜的厚度），可以调节这些结构的电磁特性。我们的实验数据显示，对于TE偏振（电场平行于光栅），透射光谱中出现了两个不同的共振峰，分别对应于导模共振（GMR）和瑞利-伍德异常[29]、[30]。相比之下，对于TM偏振（电场垂直于光栅），观察到一个共振峰。两种偏振之间的差异与入射波与超表面之间的耦合条件不同有关。观察到的现象的偏振敏感性证实了共振特性取决于电磁场相对于光栅图案的方向。这使得所报告的方法对于开发对入射辐射的偏振和环境介电特性敏感的相对便宜、紧凑的THz无源组件具有前景。
共振光栅结构：简单设计
GMR发生在衍射波与介电片中的导模之间满足相位匹配条件时[31]、[32]、[33]。这种共振耦合在透射或反射光谱中产生强烈的共振。典型的GMR配置由沉积在介电波导上的薄的一维金属光栅层组成。观察到的共振效应归因于泄漏模式，即这些模式在传播过程中会辐射能量。
GMR超表面的制造
PCD金刚石薄膜是通过等离子体增强CVD（PECVD）在“ASTEX”低压微波等离子体反应器中，使用氢气（500 ml/min）和戊烷（10 ml/min）的混合物合成的。等离子体是通过频率为2.45 GHz的微波辐射产生的，功率输出为3 kW，工作压力为110 mbar。合成是在厚度为500 μm、电阻率约为10 Ω/□的n型掺杂硅晶片上进行的。
实验数据
图3展示了独立PCD薄膜的典型SEM图像。薄膜的生长表面粗糙，平均晶粒尺寸约为15–20 μm（图3b）。相比之下，成核表面由初始sp3碳相的种子在合成过程中融合而成（见图3c）。成核表面一侧受到硅基底的约束，因此比生长表面更加光滑。
结论
总结来说，我们的实验发现首次证明了使用CVD合成的PCD薄膜可以轻松制造在THz频段工作的GMR结构。具体来说，研究了总厚度为90–140 μm的PCD薄膜，其表面通过激光处理形成了周期从250到400 μm的简单光栅，并在0.1–1 THz频段内使用TD-THz光谱学进行了研究。数值模拟证实了...
CRediT作者贡献声明
Alesia G. Paddubskaya：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，研究，数据管理。
Olga V. Sedelnikova：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，监督，资源管理，项目管理，研究，资金获取，形式分析，数据管理，概念化。
Dmitriy V. Gorodetskiy：写作 – 审稿与编辑，资源管理，研究，形式分析。
Nadzeya I. Valynets：研究。
Mikita A. Rusanau：写作 – 审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
该研究得到了俄罗斯科学基金会（授权号：22-72-10097-P）的资助。作者感谢O.V. Korolik博士提供的拉曼测量以及V.S. Sulyaeva女士提供的SEM图像。
