CN107978871A - 基于石墨烯多谐振结构的极化不依赖宽带太赫兹吸波器 - Google Patents

Abstract

基于石墨烯多谐振结构的极化不依赖宽带太赫兹吸波器，涉及太赫兹吸波器。由5层结构构成，从上至下依次为周期性石墨烯多谐振网状结构层、上介质层、偏压层、下介质层和金属层；所述周期性石墨烯多谐振网状结构层的单元结构的横向周期和纵向周期均为正方形，石墨烯多谐振结构分别是以周期正方形四边的中点连接组成的正方形样式的石墨烯、周期正方形四角半径的四分之一圆盘、周期正方形四条边上宽度的矩形条带组成。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。

Description

基于石墨烯多谐振结构的极化不依赖宽带太赫兹吸波器

技术领域

本发明涉及太赫兹吸波器，尤其是涉及基于石墨烯多谐振结构的极化不依赖宽带太赫兹吸波器。

背景技术

太赫兹波是指频率范围在0.1～10THz的电磁波，介于微波和红外之间处于宏观电子学和微观光子学的过渡区，相对于已经发展较为成熟的微波和光波技术，形成一个相对落后的“太赫兹间隙”，也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。随着太赫兹源和检测技术的发展，各种太赫兹器件也在近年来得到迅速发展。太赫兹吸波器是一种很重要的太赫兹功能器件，可以广泛应用于太赫兹传感、成像、探测、隐身等领域。2008年，Landy et al.发表在Physical Review Letters上的论文(Perfect MetamaterialAbsorber)研究设计了一款完美超材料吸波器，近年来人们研究了多种超材料吸波器新结构，然而大部分完美吸波器工作带宽较窄，有的甚至仅能在单个频点上达到接近全吸收的效果。考虑到实际应用需求，多带和宽带吸波器的研究受到广泛的关注。目前，超材料吸波器的特性往往是确定的，器件制作之后其吸收率便不具可调性，从而限制了其在需要调控场景下的实际应用，因此开展具有吸收特性可调的宽带吸波器研究具有十分重要的意义。石墨烯是由单层二维碳原子组成的蜂窝形状的材料，具有独特的电可调特性，即通过控制直流偏压的方式改变石墨烯的电导率，能够支持太赫兹和中红外频段的局域表面等离激元，是一种理想的可用于太赫兹的可调特性器件的新材料。现阶段，基于石墨烯的局域表面等离激元宽带吸波器一般由三部分组成，分别是底层金属反射层、中间介质层和顶层的石墨烯层，例如，Zhu et al.在Applied Physics Express上发表的论文(Broadband single-layered graphene absorber using periodic arrays of graphene ribbons withgradient width)提出了一款基于石墨烯的局域表面等离激元的吸波器结构，通过底面金属层的反射和石墨烯表面的连续局域表面等离激元共振的共同作用，能够达到一个相对带宽为43％的宽带的吸收效果。然而，目前常见的宽带太赫兹吸波器依然存在结构复杂、偏置施加困难、吸收率相对带宽仍较窄或存在对入射波的极化敏感的问题。因此，设计结构简单、施加容易、具有较宽相对带宽且对于极化不依赖的宽带太赫兹波器具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于为了减小入射太赫兹波的极化依赖和可调宽带吸收，提供设计结构简单、施加容易、具有较宽相对带宽且对于极化不依赖的宽带太赫兹波器具有重要意义的基于石墨烯多谐振结构的极化不依赖宽带太赫兹吸波器。

本发明由5层结构构成，从上至下依次为周期性石墨烯多谐振网状结构层、上介质层、偏压层、下介质层和金属层；所述周期性石墨烯多谐振网状结构层的单元结构的横向周期和纵向周期均为正方形，石墨烯多谐振结构分别是以周期正方形四边的中点连接组成的正方形样式的石墨烯、周期正方形四角半径的四分之一圆盘、周期正方形四条边上宽度的矩形条带组成。

所述上介质层和下介质层可采用聚乙烯环烯烃共聚物，所述聚乙烯环烯烃共聚物可选自Topas等介电常数较低的绝缘体。

所述导电层可采用多晶硅等介电常数接近介质的导电材料。

所述金属层的材料可采用银，其厚度大于入射波的趋肤深度。

周期内不同样式结构的石墨烯在吸收的频率范围内产生了多个不同的局域表面等离激元，实现对入射太赫兹波的宽带吸收。由于该周期性单元结构存在关于x轴和y轴的对称性质，在垂直入射的情况下能够对TE和TM极化波都达到同样的吸收效果。

所述周期性网状单层石墨烯层是连续的，易于施加偏置电压，从而可以通过调节偏置电压调控石墨烯的电磁特性，利用石墨烯良好的电导率可调性，能够在大范围内灵活调节入射宽带太赫兹波的吸收率。

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-偏压层-介质层-金属层5层结构器件，能够抑制透射和反射通道，由于石墨烯多谐振结构可以激发起连续的太赫兹局域表面等离激元，从而能够实现对太赫兹波的宽带吸收；由于该石墨烯层在x轴和y轴均具有轴对称的特性，可以达到对TE和TM极化入射波具有同样的吸收效果；利用石墨烯的电可调性，通过调节加载在偏置层上的电压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85％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连续网状结构，易于施加偏置电压，方便实现吸收率的灵活调控。

4)本发明的石墨烯层关于x轴和y轴均具有轴对称的结构，可以对TE和TM极化波得到同样的吸收曲线，具有对入射波极化不敏感的特性。

5)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是本发明实施例在0.7eV化学势下对TE和TM波的吸收曲线图。

图4是本发明实施例在0eV、0.2eV、0.4eV、0.6eV等不同化学势的吸收曲线图，且TE波和TM波吸收曲线完全重合。

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所示，其主要由5层结构构成，从上至下依次为周期性多谐振石墨烯层1、上介质层2、偏压层3和下介质层4和金属层5；所述多谐振的石墨烯层1的周期单元结构如图2所示，横向周期和纵向周期均为P，四分之一圆盘形石墨烯半径为R，单层石墨烯厚度为G_t；所述上介质层2和下介质层4可采用Topas，上介质层2和下介质层4的厚度分别为T_d和T_dd；所述金属层可选用金或银等良导体，厚度为t_m。当选取所述单元结构尺寸参数为：P＝40μm，R＝11μm,G＝0.25μm,G_t＝1nm,t_d＝20nm,t_g＝20nm，t_dd＝21μm，t_m＝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2.02THz，相对带宽约为85％,并且对TE和TM波具有极化不依赖的特性。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E_F从0eV增加到0.7eV，所述太赫兹宽带可调吸波器的吸收率能够可在20％～100％范围内调节，且化学势越大，所述吸波器的吸收率也越高，是一种性能良好的吸收率可调的新型太赫兹宽带吸波器。

本发明能够实现对太赫兹波90％以上吸收率的相对带宽达85％的宽带吸收且对TE和TM波具有极化不依赖的特性；利用石墨烯的电可调性，本发明吸收率可在20％～100％范围内调节，是一种性能优良的新型太赫兹吸波器。

Claims (6)

1.基于石墨烯多谐振结构的极化不依赖宽带太赫兹吸波器，其特征在于由5层结构构成，从上至下依次为周期性石墨烯多谐振网状结构层、上介质层、偏压层、下介质层和金属层；所述周期性石墨烯多谐振网状结构层的单元结构的横向周期和纵向周期均为正方形，石墨烯多谐振结构分别是以周期正方形四边的中点连接组成的正方形样式的石墨烯、周期正方形四角半径的四分之一圆盘、周期正方形四条边上宽度的矩形条带组成。

2.如权利要求1所述基于石墨烯多谐振结构的极化不依赖宽带太赫兹吸波器，其特征在于所述上介质层和下介质层采用聚乙烯环烯烃共聚物。

3.如权利要求2所述基于石墨烯多谐振结构的极化不依赖宽带太赫兹吸波器，其特征在于所述聚乙烯环烯烃共聚物选自Topas绝缘体。

4.如权利要求1所述基于石墨烯多谐振结构的极化不依赖宽带太赫兹吸波器，其特征在于所述导电层采用多晶硅介电常数接近介质的导电材料。

5.如权利要求1所述基于石墨烯多谐振结构的极化不依赖宽带太赫兹吸波器，其特征在于所述金属层的材料采用银。

6.如权利要求5所述基于石墨烯多谐振结构的极化不依赖宽带太赫兹吸波器，其特征在于所述金属层的厚度大于入射波的趋肤深度。