CN106019433A - 基于石墨烯的太赫兹宽带可调吸波器 - Google Patents

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Abstract

基于石墨烯的太赫兹宽带可调吸波器，涉及吸波器。呈三层结构，从上至下依次为周期性网状石墨烯层、介质层和金属层；所述周期性网状石墨烯层的单元结构，横向周期为Px，纵向周期为Py，石墨烯宽度具有连续渐变调制的特点，周期性网状石墨烯层的边缘具有正弦型、余弦型、抛物线型、椭圆型或其它能够实现石墨烯宽度渐变调制的曲线，且其最大宽度Wmax与Px一致，最小宽度为Wmin介于0和Px之间；所述介质层的材料为二氧化硅等绝缘体，介质层的厚度td与吸波频段相关；所述金属层的材料为金或银等良导体，金属层的厚度tm大于入射波的趋肤深度。能实现对太赫兹波的宽带强吸收，在大范围内调节入射宽带太赫兹波的吸收率，结构简单。

Description

基于石墨烯的太赫兹宽带可调吸波器
技术领域
本发明涉及吸波器，具体是涉及一种基于石墨烯的太赫兹宽带可调吸波器。
背景技术
太赫兹波(Terahertz waves)一般是指频率介于0.1THz～10THz、波长介于3～0.03mm范围内的电磁波，太赫兹宽带吸波技术在太赫兹探测、传感、调制、储能、隐身等方面具有重要应用前景，是当前太赫兹技术领域研究的热点之一。石墨烯(graphene)是由单层六边形原胞碳原子组成的蜂窝状二维材料，具有独特的二维结构和零带隙电子能带，优异的力学、电学、光学性能和良好的电导率可调特性，能够支持太赫兹至中红外波段内表面等离激元谐振，是一种性能可调、极富潜力的太赫兹表面离激元吸波器的新材料。通常，表面等离激元吸波器具有金属-介质-金属三明治状结构：顶层为亚波长金属阵列层，中间为介质基板层，底层为厚金属层，通过抑制透射和反射通道，入射电磁波主要由亚波长金属阵列层结构欧姆损耗吸收。然而，常规金属材料吸波器结构形式一旦确定，其吸收特性便不具有可调性，而应用具有特定周期性形状结构的石墨烯材料替代顶层金属层，则设计出具有吸波性能可调的新型吸波器。例如，2012年Sukosin等人(Thongrattanasiri,Sukosin,Frank HL Koppens,andF.Javier García de Abajo."Complete optical absorption in periodically patterned graphene."Physical review letters 108.4,047401,2012.)发表在Physics Review Letters上的论文表明，采用掺杂单层石墨烯周期性纳米圆盘形状结构能够实现红外波段窄带全光吸收；同年RasoulAlaee等人发表在Optics Express上的论文(Alaee Rasoul,Mohamed Farhat,Carsten Rockstuhl,and Falk Lederer."A perfect absorber made of a graphene micro-ribbon metamaterial."Opticsexpress 20,no.27:28017-28024,2012.)表明，采用微条带石墨烯结构可以实现对窄带太赫兹波的完美吸收，且其吸波性能可通过改变石墨烯材料参数来调节。然而，目前多数基于石墨烯的吸波器采用周期性独立条带状、圆盘、方形、十字型或其它形状的石墨烯阵列，其结构尺度较为单一，造成完美吸收入射电磁波的带宽较窄，且其周期性结构单元彼此独立，需要较为复杂的静态偏置电压结构才能够吸波特性调节，极大限制了它们在太赫兹领域的实际应用，因此寻求结构简单、特性可调、易于调控的新型太赫兹波宽带吸波器受到广泛的关注。
发明内容
本发明的目的在于为了实现对宽带太赫兹波的可调吸收，提供一种基于石墨烯的太赫兹宽带可调吸波器。
本发明呈三层结构，从上至下依次为周期性网状石墨烯层、介质层和金属层；所述周期性网状石墨烯层的单元结构，横向周期为Px，纵向周期为Py，石墨烯宽度具有连续渐变调制的特点，周期性网状石墨烯层的边缘具有正弦型、余弦型、抛物线型、椭圆型或其它能够实现石墨烯宽度渐变调制的曲线，且其最大宽度Wmax与Px一致，最小宽度为Wmin介于0和Px之间；所述介质层的材料为二氧化硅等绝缘体，介质层的厚度td与吸波频段相关；所述金属层的材料为金或银等良导体，金属层的厚度tm大于入射波的趋肤深度。
本发明的工作原理为：
本发明为一种周期性网状石墨烯层-介质层-金属层三层结构器件，能够抑制透射和反射通道，其石墨烯宽度具有连续渐变调制的特点，不同宽度的石墨烯可以支持不同频率入射太赫兹波的表面等离激元谐振，从而实现对太赫兹波宽带吸收；利用石墨烯的电可调性，改变石墨烯表面等激元的束缚性能，从而实现对入射宽带太赫兹波吸收率的调节。
本发明的有益效果是：
(1)本发明具有周期性宽度调制的网状石墨烯层结构，能够实现对太赫兹波的宽带强吸收，合理设置参数，本发明对太赫兹波的吸收率大于90％的相对带宽可达60％以上。
(2)本发明利用石墨烯的电可调性，能够在大范围内调节入射宽带太赫兹波的吸收率。
(3)本发明的石墨烯层为网状结构，易于施加偏置电压，方便实现吸收率的灵活调控。
(4)本发明结构简单，具有一般性，通过尺度变换能够用于中红外、远红外、可见光或其它频段的电磁波的吸收。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是本发明实施例的单元结构示意图。
图3是本发明实施例0.7eV化学势吸收曲线图。
图4是本发明实施例0～1eV不同化学势的吸收曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例，进一步阐述说明本发明。
根据本发明的一个实施例如图1和2所示，其主要由三层结构构成，从上至下依次为周期性网状石墨烯层1、介质基板2以及金属层3；
所述周期性网状石墨烯层的单元结构11，横向周期为Px，纵向周期为Py，石墨烯宽度具有连续渐变调制的特点，周期性网状石墨烯层的边缘12具有正弦型、余弦型、抛物线型、椭圆型或其它能够实现石墨烯宽度渐变调制的曲线，且其最大宽度Wmax与Px一致，最小宽度为Wmin介于0和Px之间；所述介质层的材料为二氧化硅等绝缘体，介质层的厚度td与吸波频段相关；所述金属层的材料为金或银等良导体，金属层的厚度tm大于入射波的趋肤深度。
被调制成正弦形状的石墨烯层的周期单元结构11如图2所示，横向周期为Px，纵向周期为Py，最大宽度为Wmax，最小宽度为Wmin，单层石墨烯厚度为tg；最大宽度Wmax与横向周期px保持一致，形成网状结构，最小宽度为Wmin介于0和Px之间；所述介质层可采用二氧化硅介质基板，厚度为td；所述金属层可选用金或银等良导体，厚度为tm。当选取所述单元结构尺寸参数为：Px＝32μm，Py＝60μm，tg＝1nm，td＝26μm，tm＝0.5μm，化学势取0.7eV时，电磁仿真得到所述太赫兹吸波器的吸收曲线如图3所示，可见本实施例对垂直入射太赫兹波具有较强吸收特性，吸收率大于90％的带宽达1.35THz，相对带宽约为68％。通过改变加载在石墨烯层上的偏置电压可以改变石墨烯的化学势，进而能够实现吸收率的调节，如图4所示，当维持本实施例几何参数固定时，将石墨烯的化学势EF从0eV增加到1.0eV，所述太赫兹宽带可调吸波器的吸收率能够可在10％～100％范围内调节，且化学势越大，所述吸波器的吸收率也越大，是一种性能良好的吸收率可调的新型太赫兹宽带吸波器。

Claims (1)

1.基于石墨烯的太赫兹宽带可调吸波器，其特征在于呈三层结构，从上至下依次为周期性网状石墨烯层、介质层和金属层；所述周期性网状石墨烯层的单元结构，横向周期为Px，纵向周期为Py，石墨烯宽度具有连续渐变调制的特点，周期性网状石墨烯层的边缘具有正弦型、余弦型、抛物线型、椭圆型或其它能够实现石墨烯宽度渐变调制的曲线，且其最大宽度Wmax与Px一致，最小宽度为Wmin介于0和Px之间；所述介质层的材料为二氧化硅等绝缘体，介质层的厚度td与吸波频段相关；所述金属层的材料为金或银良导体，金属层的厚度tm大于入射波的趋肤深度。
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