CN105338798A - 红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置及其使用方法 - Google Patents

红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置及其使用方法，包括金属基板，设置于金属基板上的中间层，所述金属基板和中间层均为正方形，且长宽尺寸相同；所述中间层设置上有五个圆盘，每个圆盘的材料设置相同，自下而上均由石墨烯层、金属层、聚合物层组成。该装置具有电调谐性能，同时具备极化不敏感和大角度吸收的特性。

Description

红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种可调双频/三频吸收装置及其使用方法，属于光电领域。
背景技术
红外波段(Infrared)是指波长介于微波与可见光之间的电磁波，波长在760纳米(nm)至1毫米(mm)之间，比红光长的非可见光。红外波具有穿透性强等特点，在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。
超材料作为一种新型的人工电磁材料已经得到越来越多的关注，由于其具备常规材料所不具备的负折射率等特性，在通信系统、电磁隐身等方面有着极其重要的应用。
石墨烯(Graphene)作为一种具有蜂窝状二维晶体结构半金属材料，其特殊的特性很快被人们所关注。研究结果显示，单层石墨烯对可见光的吸收率为2.3％，石墨烯层数对吸收率有明显的影响。石墨烯优越的电特性使得其在透光导体、光伏器件、发光设备等方面有十分强大的潜在应用。
发明内容
发明目的：本发明的目的时提供一种可调双频/三频石墨烯超材料吸收器装置，该装置具有电调谐性能，同时具备极化不敏感和大角度吸收的特性。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置，包括金属基板，设置于金属基板上的中间层，所述金属基板和中间层均为正方形，且长宽尺寸相同；所述中间层上设置有五个圆盘，每个圆盘均由自下而上的石墨烯层、金属层、聚合物层组成。
进一步的，所述金属基板的材质为金，中间层的材质为氟化镁，石墨烯层的材质为少层石墨烯，金属层的材质为金属金，聚合物层的材质为聚酰亚胺。
进一步的，所述的五个圆盘包括第一圆盘、第二圆盘、第三圆盘、第四圆盘、第五圆盘，所述第一圆盘位于中间层上的中央，第二圆盘、第三圆盘、第四圆盘、第五圆盘分别设置于第一圆盘的圆心与中间层的四个角的连线上。
进一步的，所述金属基板和中间层的长宽均为300nm，金属基板的厚度为100nm，中间层的厚度为20nm，石墨烯层的厚度为0.5nm，金属层和聚合物层的厚度均为10nm。
进一步的，所述第二圆盘、第三圆盘、第四圆盘、第五圆盘的直径相同，且小于第一圆盘的直径。优选的，所述第一圆盘的直径为120nm，第二圆盘、第三圆盘、第四圆盘、第五圆盘的直径均为80nm。
进一步的，所述第二圆盘和第四圆盘位于斜向相对的两个对角，且直径相同；第三圆盘和第五圆盘位于斜向相对的两个对角，且直径相同；且第一圆盘的直径大于第二圆盘的直径，第二圆盘的直径大于第三圆盘。优选的，所述第一圆盘的直径为100nm，第二圆盘、第四圆盘的直径为80nm，第三圆盘和第五圆盘的直径均为60nm。
本发明还提供了上述装置的使用方法，技术方案如下：
一种红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置的使用方法，分别在五个圆盘的石墨烯层与金属基板之间加载电压，记为V1-V5，分别表示第一圆盘至第五圆盘与金属基板之间的电压，V1-V5的电压值相互独立，设置为相同或者不同值；
红外波段的吸收分以下几种情况：
(1)选择第一圆盘的直径为120nm，第二圆盘、第三圆盘、第四圆盘、第五圆盘的直径均为80nm；设置V1-V5的值相同，入射波沿本装置顶层入射，改变入射角从0度到80度之间变化，用于在大角度入射的条件下的双频吸收；
(2)选择第一圆盘的直径为100nm，第二圆盘、第四圆盘的直径为80nm，第三圆盘、第五圆盘的直径均为60nm，；改变V1-V5的电压值，电压值的增加会使得第一吸收频点的吸收率发生变化；设置V1-V5值相同时，改变电磁波入射角从0度到80度之间变化，用于大角度三频吸收。
有益效果：与现有技术相比，本发明有以下优势：
(1)本发明具有电调谐特性，即在该结构上装置电压时，吸收频段会
随电压变化而改变；
(2)本发明中电调谐可单独调谐，也可以实现联调；
(3)本发明与现有的单频、双频吸收器相比，频带要更加丰富，与现有三频吸收器相比，由于本发明的工作原理是基于两种谐振产生的吸收特性，因此吸收性能更加稳定；
(4)本发明具有极化不敏感和大角度吸收的特性，满足更多应用场合；
(5)本发明结构简单，尺寸小，便于小型化制作。
附图说明
图1是本发明的吸收器结构单元正视图；
图2是本发明的吸收器结构单元侧视图；
图3是本发明在不同电压下双频吸收的调谐特性；
图4是在不同角度入射的电磁波的双频吸收的仿真结果；
图5是本发明在不同电压下三频吸收的调谐特性；
图6是在不同角度入射的电磁波的三频吸收的仿真结果；
图7是在不同极化方式下的双频吸收特性。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1和2所示为本发明的红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置，包括金属基板1，设置于金属基板1上的中间层2，金属基板1和中间层2均为正方形，且长宽尺寸相同；所述中间层2设置有五个圆盘6，每个圆盘6均由自下而上的石墨烯层3、金属层4、聚合物层5组成；金属基板1的材质优选为金，中间层2的材质为氟化镁，石墨烯层3的材质为单层石墨烯，金属层4的材质优选为金，聚合物层5的材质优选为聚酰亚胺。
五个圆盘6包括第一圆盘61、第二圆盘62、第三圆盘63、第四圆盘64、第五圆盘65，所述第一圆盘61位于中间层2上的中央，第二圆盘62、第三圆盘63、第四圆盘64、第五圆盘65分别设置于第一圆盘61的圆心与中间层2的四个角的连线上。
金属基板1和中间层2的长宽均为300nm，金属基板1的厚度为100nm，中间层2的厚度为20nm，石墨烯层3的厚度为0.5nm，金属层4和聚合物层5的厚度均为10nm。
本发明通过设计一种多层堆叠结构，实现双频/三频红外波段吸收装置，通过控制石墨烯层调控电压，可以调节吸收频点位置及吸收率大小。如图3,5所示。
第二圆盘62、第三圆盘63、第四圆盘64、第五圆盘65的直径相同，且小于第一圆盘61的直径。具体的，第一圆盘61的直径为120nm，第二圆盘62、第三圆盘63、第四圆盘64、第五圆盘65的直径均为80nm。可实现双频吸收，如图3所示。
第二圆盘62和第四圆盘64位于斜向相对的两个对角，且直径相同；第三圆盘63和第五圆盘65位于斜向相对的两个对角，且直径相同；且第一圆盘61的直径大于第二圆盘62的直径，第二圆盘62的直径大于第三圆盘63。具体的，第一圆盘61的直径为100nm，第二圆盘62、第四圆盘64的直径为80nm，第三圆盘63和第五圆盘65的直径均为60nm。可实现三频吸收，如图5所示。
图1和图2中，V1-V5分别是加载在第一圆盘61至第五圆盘65的石墨烯层与金属基板之间的电压，V1-V5的电压值相互独立，可设置相同，也可为不同值。
下面具体说明本发明的使用方法和使用条件：
选择第一圆盘61的直径为120nm，第二圆盘62、第三圆盘63、第四圆盘64、第五圆盘65的直径均为80nm。如图3所示，设置V1-V5的值相同，当选择电压值为0.1eV时，吸收频点有两个，分别为195THz，275THz，当增加V1-V5的电压值为0.3eV时，吸收频点产生蓝移，当电压值增加为0.8eV时，吸收频点基本不变，吸收率略有减小。如图4所示，在调谐电压V1-V5值为0.1eV时，入射波沿本装置顶层入射，当改变入射角从0度到80度之间变化，第一吸收频点基本无变化，第二吸收频点会随着入射角的变化略有波动。因此可用在大角度入射的条件下的双频吸收。
选择第一圆盘61的直径为100nm，第二圆盘62、第四圆盘64的直径为80nm，第三圆盘63、第五圆盘65的直径均为60nm，此时吸收频点变为3个，频率分别为195.25、274.5和338THz。改变V1-V5的电压值，电压值的增加会使得第一吸收频点的吸收率发生变化，具体来说，所加电压越大，吸收率越小，如图5所示。
选择V1-V5值相同为0.05eV时，改变电磁波入射角从0度到80度之间变化，如图6所示，第一吸收频点在大角度时吸收率略有减小，吸收频点值基本不变，第二吸收频点产生了红移现象，第三频点变化变化较小，因此可用于大角度三频吸收。
选择第一圆盘61的直径为120nm，第二圆盘62、第三圆盘63、第四圆盘64、第五圆盘65的直径均为80nm。如图3所示，设置V1-V5的值相同，当选择电压值为0.1eV，对比电磁波的两种模式，分别为TE和TM模式，可发现该双频/三频吸收装置，对入射电磁波的模式是不敏感的，这事由于本装置的结构关于x,y轴是对称的，因此对于电磁波的极化方式不敏感。该装置可用与两种极化方式的电磁波的吸收。
本发明具有极化不敏感和大角度吸收的特点，其工作原理如下：
本发明存在两种谐振方式，一种是圆盘中的第四层中的金与第一层中的金之间产生类似于谐振腔的结构，另一种是5个圆盘之间存在的谐振，当圆盘直径不同时，会产生不同的谐振频率，当满足一定条件时，在谐振点产生吸收。
本发明通过金、石墨烯的电阻损耗和聚合物的介质损耗来实现对电磁波的吸收，通过这种简单的结构实现多频点的吸收，同时吸收频点可受电参数调谐在特定结构下。另外，由于本发明的结构在x,y方向是对称的，因而还可实现极化不敏感和大角度吸收。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置，其特征在于：包括金属基板(1)，设置于金属基板(1)上的中间层(2)，所述金属基板(1)和中间层(2)均为正方形，且长宽尺寸相同；所述中间层(2)上设置有五个圆盘(6)，每个圆盘(6)均由自下而上的石墨烯层(3)、金属层(4)、聚合物层(5)组成。
2.如权利要求1所述的红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置，其特征在于：所述金属基板(1)的材质为金，中间层(2)的材质为氟化镁，石墨烯层(3)的材质为单层石墨烯，金属层(4)的材质为金，聚合物层(5)的材质为聚酰亚胺。
3.如权利要求1所述的红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置，其特征在于：所述的五个圆盘(6)包括第一圆盘(61)、第二圆盘(62)、第三圆盘(63)、第四圆盘(64)、第五圆盘(65)，所述第一圆盘(61)位于中间层(2)上的中央，第二圆盘(62)、第三圆盘(63)、第四圆盘(64)、第五圆盘(65)分别设置于第一圆盘(61)的圆心与中间层(2)的四个角的连线上。
4.如权利要求1所述的红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置，其特征在于：所述金属基板(1)和中间层(2)的长宽均为300nm，金属基板(1)的厚度为100nm，中间层(2)的厚度为20nm，石墨烯层(3)的厚度为0.5nm，金属层(4)和聚合物层(5)的厚度均为10nm。
5.如权利要求3所述的红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置，其特征在于：所述第二圆盘(62)、第三圆盘(63)、第四圆盘(64)、第五圆盘(65)的直径相同，且小于第一圆盘(61)的直径。
6.如权利要求5所述的红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置，其特征在于：所述第一圆盘(61)的直径为120nm，第二圆盘(62)、第三圆盘(63)、第四圆盘(64)、第五圆盘(65)的直径均为80nm。
7.如权利要求3所述的红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置，其特征在于：所述第二圆盘(62)和第四圆盘(64)位于斜向相对的两个对角，且直径相同；第三圆盘(63)和第五圆盘(65)位于斜向相对的两个对角，且直径相同；且第一圆盘(61的直径大于第二圆盘(62)的直径，第二圆盘(62)的直径大于第三圆盘(63)。
8.如权利要求7所述的红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置，其特征在于：所述第一圆盘(61)的直径为100nm，第二圆盘(62)、第四圆盘(64)的直径为80nm，第三圆盘(63)和第五圆盘(65)的直径均为60nm。
9.一种权利要求1-8任一所述的红外波段可调双频/三频石墨烯超材料吸收装置的使用方法，其特征在于：分别在五个圆盘的石墨烯层与金属基板之间加载电压，记为V1-V5，分别表示第一圆盘(61)至第五圆盘(65)与金属基板之间的电压，V1-V5的电压值相互独立，设置为相同或者不同值；
红外波段的吸收分以下几种情况：
(1)选择第一圆盘(61)的直径为120nm，第二圆盘(62)、第三圆盘(63)、第四圆盘(64)、第五圆盘(65)的直径均为80nm；设置V1-V5的值相同，入射波沿本装置顶层入射，改变入射角从0度到80度之间变化，用于在大角度入射的条件下的双频吸收；
(2)选择第一圆盘(61)的直径为100nm，第二圆盘(62)、第四圆盘(64)的直径为80nm，第三圆盘(63)、第五圆盘(65)的直径均为60nm，；改变V1-V5的电压值，电压值的增加会使得第一吸收频点的吸收率发生变化；设置V1-V5值相同时，改变电磁波入射角从0度到80度之间变化，用于大角度三频吸收。
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