CN107799906A - 一种可调谐的太赫兹石墨烯超材料吸收器 - Google Patents

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姚远
杨玉强
杨文龙
吴丰民
姜久兴
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Abstract

本发明提出了一种可调谐的太赫兹石墨烯超材料吸收器，包括叠合在一起的四层结构：图形化的石墨烯超材料顶层、介质中间层、金属底层以及衬底；在所述的衬底上设置金属底层，在所述金属底层上设置介质中间层，在所述介质中间层上设置图形化的石墨烯超材料顶层。本发明采用石墨烯代替传统的金属结构构建太赫兹超材料吸收器，通过静电掺杂调谐两石墨烯圆盘的费米能，从而控制两石墨烯圆盘的谐振特性以及圆盘之间的近场耦合特性，实现对吸收器的吸收强度、带宽和频率灵活控制。

Description

一种可调谐的太赫兹石墨烯超材料吸收器
技术领域
本发明涉及一种基于静电掺杂可选择地同时实现吸收带宽、频率和强度调制的吸收器，特别涉及一种可调谐的太赫兹石墨烯超材料吸收器。
背景技术
超材料吸收器是在2008年被Landy首次提出的一类新型电磁波吸收器，它通常是由图形化的金属顶层、介质中间层以及金属地板层组成；与传统的电磁波吸收器相比，超材料吸收器具有重量轻、结构紧凑、完美吸收和容易调谐等特点。近年来，由于超材料吸收器在探测、成像和传感等领域具有潜在的应用前景受到广泛的关注。目前，不同种类的超材料吸收器被理论设计和实验制备出，工作频率从最初的微波频段到太赫兹，甚至到光频范围；其中，由于太赫兹波具有特殊的电磁性质，可广泛应用在太赫兹成像、毒品检测和爆炸物探测以及大容量通讯等领域，导致超材料吸收器在太赫兹受到特别的关注。不幸的是，由于超材料结构的本身谐振特性，目前所报道的太赫兹超材料吸收器仅能在狭窄的频率范围内工作。
为了调谐太赫兹超材料的吸收特性，在超材料结构中通过将图形化的金属结构与活性材料(例如，铁氧体材料、微流体、液晶、半导体以及MEMS技术)集成，可实现吸收强度调谐、吸收带宽调谐或吸收频率调制。然而，由于活性材料的频率依赖属性、加工工艺复杂性、以及外部激励的复杂性，不仅导致太赫兹超材料吸收器的调谐范围有限，而且不能同时选择地实现吸收强度、吸收带宽和吸收频率调制，严重地阻碍了太赫兹超材料吸收器的实际应用范围。
发明内容
本发明为了解决现有的太赫兹超材料吸收器的应用范围窄、结构及制备工艺复杂、以及吸收特性的不能任意调控等问题，而提出一种可调谐的太赫兹石墨烯超材料吸收器，可同时选择实现对强度、带宽和频率灵活调控。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种可调谐的太赫兹石墨烯超材料吸收器，包括叠合在一起的四层结构：图形化的石墨烯超材料顶层、介质中间层、金属底层以及衬底；在所述的衬底上设置金属底层，在所述金属底层上设置介质中间层，在所述介质中间层上设置图形化的石墨烯超材料顶层。
进一步地，所述图形化的石墨烯超材料顶层由周期性排列的结构单元组成，每个结构单元由第一石墨烯圆盘和第二石墨烯圆盘构成，所述第一石墨烯圆盘和第二石墨烯圆盘结构参数完全相同。
进一步地，沿第一金属电极pad1至第二金属电极pad2方向，各结构单元中对应的第一石墨烯圆盘通过石墨烯线互连，并与第一金属电极pad1连接形成第一栅电极；沿第二金属电极pad2至第一金属电极pad1方向，各结构单元中对应的第二石墨烯圆盘通过石墨烯线互连，并与第二金属电极pad2连接形成第二栅电极；其中，连接不同石墨烯圆盘的石墨烯线不同，所述第一栅电极与第二栅电极不同。
进一步地，在第一栅电极和第二栅电极与衬底之间加载电压可静电掺杂调控石墨烯的费米能，通过控制两栅电极电压大小可灵活调谐两石墨烯圆盘的费米能，形成不同的重构状态；通过改变两石墨烯圆盘费米能的重构状态，可灵活调控太赫兹吸收器的吸收带宽、强度和频率。
本发明优点主要体现在以下几个方面：
1、传统的太赫兹超材料是基于金属结构的周期性排列，由于金属电导率是固定不变的；当金属结构单元的结构参数固定时，超材料吸收器只能工作在确定的频率点或一定带宽范围内，不能任意调谐；本发明采用石墨烯代替传统的金属结构，通过静电掺杂调控石墨烯圆盘的费米能，可灵活调谐石墨烯的电导率，实现对吸收性能的灵活控制。
2、超材料结构中引入连接所有单元对应石墨烯圆盘的电隔离互联线，可选择性地加载电压静电掺杂石墨烯圆盘调谐费米能，从而选择性调控两石墨烯圆盘的费米能重构状态，可灵活控制超材料吸收器的吸收特性。
3、太赫兹超材料吸收器的结构单元由两结构参数一致的石墨烯圆盘构成，具有极化不敏感性、宽角度入射、工艺简单和成本低等特点。
附图说明
图1为可调谐的太赫兹石墨烯超材料吸收器结构图；
图2为图形化的石墨烯超材料结构单元图；
图3为可调谐的太赫兹石墨烯超材料吸收器剖面图；
图4为两石墨烯圆盘的费米能重构状态从(0.20eV and 0.20eV)变为(0.20eVand0.30eV)时性能图；
图5为两石墨烯圆盘的费米能重构状态从(0.26eV and 0.26eV)变为(0.10eVand1.40eV)时性能图；
图6为两石墨烯圆盘的费米能重构状态从(0.09eV and 0.12eV)变为(1.00eVand1.80eV)时性能图；
图7为两石墨烯圆盘的费米能重构状态在(0.09eV and 0.12eV)和(1.00eV and1.80eV)之间转换时性能图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1、图2和图3，本发明提供一种可调谐的太赫兹石墨烯超材料吸收器，包括叠合在一起的四层结构：图形化的石墨烯超材料顶层、介质中间层、金属底层以及衬底；在所述的衬底上设置金属底层，在所述金属底层上设置介质中间层，在所述介质中间层上设置图形化的石墨烯超材料顶层。
所述图形化的石墨烯超材料顶层由周期性排列的结构单元组成，每个结构单元由第一石墨烯圆盘和第二石墨烯圆盘构成，所述第一石墨烯圆盘和第二石墨烯圆盘结构参数完全相同，石墨烯圆盘半径为r,两圆盘中心点之间的距离为d。
沿第一金属电极pad1至第二金属电极pad2方向，各结构单元中对应的第一石墨烯圆盘通过石墨烯线互连，并与第一金属电极pad1连接形成第一栅电极；沿第二金属电极pad2至第一金属电极pad1方向，各结构单元中对应的第二石墨烯圆盘通过石墨烯线互连，并与第二金属电极pad2连接形成第二栅电极；其中，连接不同石墨烯圆盘的石墨烯线不同，所述第一栅电极与第二栅电极不同。
在第一栅电极和第二栅电极与衬底之间加载电压(Vg1和Vg2)可静电掺杂调控石墨烯的费米能，通过控制两栅电极电压大小可灵活调谐两石墨烯圆盘的费米能，形成不同的重构状态；通过改变两石墨烯圆盘费米能的重构状态，可灵活调控太赫兹吸收器的吸收带宽、强度和频率。
结合图4，当两石墨烯圆盘的费米能重构状态从(0.20eV and 0.20eV)变为(0.20eV and 0.30eV)，吸收器吸收谱的半波带带宽从64GHz变为96.8GHz，带宽增加了51％。
结合图5，当两石墨烯圆盘的费米能重构状态从(0.26eV and 0.26eV)变为(0.10eV and 1.40eV)，在1.461THz处，吸收器的吸收强度从94.6％变为5.8％，降低了88.8％，对应的强度调制深度Amod为94％，其中Amod＝ΔA/Amax。
结合图6，当两石墨烯圆盘的费米能重构状态从(0.09eV and 0.12eV)变为(1.00eV and 1.80eV)，吸收器吸收带的中心频率从1.313THz移到1.580THz，可实现267GHz的频率调谐范围。
结合图7，当两石墨烯圆盘的费米能重构状态在(0.09eV and 0.12eV)和(1.00eVand1.80eV)之间转换，在1.313THz处，吸收器可实现91.1％的强度变换和3961％的电光转换比SC，其中SC＝(Amax-Amin)/Amin。
本发明采用石墨烯代替传统的金属结构构建太赫兹超材料吸收器，通过静电掺杂调谐两石墨烯圆盘的费米能，从而控制两石墨烯圆盘的谐振特性以及石墨烯圆盘之间的近场耦合特性，可选择地实现对吸收器的吸收强度、带宽和频率灵活控制。
以上对本发明所提供的一种可调谐的太赫兹石墨烯超材料吸收器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种可调谐的太赫兹石墨烯超材料吸收器，其特征在于：包括叠合在一起的四层结构：图形化的石墨烯超材料顶层、介质中间层、金属底层以及衬底；在所述的衬底上设置金属底层，在所述金属底层上设置介质中间层，在所述介质中间层上设置图形化的石墨烯超材料顶层。
2.根据权利要求1所述的吸收器，其特征在于：所述图形化的石墨烯超材料顶层由周期性排列的结构单元组成，每个结构单元由第一石墨烯圆盘和第二石墨烯圆盘构成，所述第一石墨烯圆盘和第二石墨烯圆盘结构参数完全相同。
3.根据权利要求2所述的吸收器，其特征在于：沿第一金属电极(pad1)至第二金属电极(pad2)方向，各结构单元中对应的第一石墨烯圆盘通过石墨烯线互连，并与第一金属电极(pad1)连接形成第一栅电极；沿第二金属电极(pad2)至第一金属电极(pad1)方向，各结构单元中对应的第二石墨烯圆盘通过石墨烯线互连，并与第二金属电极(pad2)连接形成第二栅电极；其中，连接不同石墨烯圆盘的石墨烯线不同，所述第一栅电极与第二栅电极不同。
4.根据权利要求3所述的吸收器，其特征在于：在第一栅电极和第二栅电极与衬底之间加载电压可静电掺杂调控石墨烯的费米能，通过控制两栅电极电压大小可灵活调谐两石墨烯圆盘的费米能，形成不同的重构状态；通过改变两石墨烯圆盘费米能的重构状态，可灵活调控太赫兹吸收器的吸收带宽、强度和频率。
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