CN108336503A - 一种石墨烯电调太赫兹波吸收器 - Google Patents

一种石墨烯电调太赫兹波吸收器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯电调太赫兹波吸收器。它包括顶层介质光栅、上层介电薄膜、石墨烯、下层介电薄膜和金属基底；介质光栅的下层为上层介电薄膜，上层介电薄膜的下层为石墨烯，石墨烯下层为下层介电薄膜，下层介电薄膜下层为金属基底，石墨烯层和金属基底通过电压源相连，通过电压改变石墨烯层的费米能级，从而在吸收峰处实现高吸收率；太赫兹波以入射角为θ射入，少部分太赫兹波在介质光栅层发生反射，其余太赫兹波发生折射，进入吸收器内部，通过调节石墨烯层的费米能级，实现太赫兹波吸收峰的调谐。本发明具有结构紧凑新颖、吸收率高、控制原理简单等优点。

Description

一种石墨烯电调太赫兹波吸收器
技术领域
本发明涉及太赫兹波吸收器，尤其涉及一种石墨烯电调太赫兹波吸收器。
背景技术
近年来，作为连接电磁波谱上发展已相当成熟的毫米波和红外光之间的太赫兹波无疑是一个崭新的研究领域，其在各方面都潜藏着巨大的价值。太赫兹波频率0.1～10THz，相应波长为0.03mm～3mm。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹波产生和检测方法，与传统的微波技术和光学技术相比较，人们对该波段电磁辐射性质的了解甚少，以至于该波段成为了电磁波谱中的太赫兹空隙。随着太赫兹辐射源和探测技术的突破，太赫兹独特的优越特性被发现并在材料科学、气体探测、生物和医学检测、通信等方面展示出巨大的应用前景。可以说太赫兹技术科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题，又是新一代信息产业以及基础科学发展的重大需求。太赫兹系统主要由辐射源、探测器件和各种功能器件组成。其中，吸收器就扮演着重要角色。
当前国内外研究的太赫兹波吸收器主要是通过设计不同的几何参数结构来实现可调功能，这样就限制了吸收器的灵活应用功能，而且成本较高。所以设计一种能灵活调节太赫兹波吸收峰的吸收器是非常必要的。针对以上缺点，本发明提出了一种偏置电压来调节吸收峰频率的吸收器，其控制方法新颖、结构简单紧凑、成本低。
发明内容
本发明的目的在于提出一种制作太赫兹波吸收器的新思路，并提供一种石墨烯电调太赫兹波吸收器。本发明所采用的具体技术方案如下：
一种石墨烯电调太赫兹波吸收器，它包括介质光栅、上层介电薄膜、石墨烯层、下层介电薄膜、金属基底和电压源；介质光栅的下层是上层介电薄膜，上层介电薄膜的下层是石墨烯层，石墨烯层的下层是下层介电薄膜，下层介电薄膜的下层是金属基底，石墨烯层和金属基底通过电压源相连接；介质光栅是由对称结构单元在上层介电薄膜上阵列排布而成；每个对称结构单元呈中心对称，包括正方形突起、四条完全相同的直角边和两条对角线，四条直角边排列形成一个每条边的中间位置具有间隙的正方形环，正方形环的四个角点分别通过两条对角线相连，每条间隙两侧的直角边端部各连接有一个正方形突起，正方形突起位于所述正方形环外部。由于石墨烯层和金属基底通过电压源相连，通过电压改变石墨烯层的费米能级，从而在吸收峰处实现高吸收率；太赫兹波以入射角为θ射入，少部分太赫兹波在介质光栅层发生反射，其余太赫兹波发生折射，进入吸收器内部，通过调节石墨烯层的费米能级，实现太赫兹波吸收峰的调谐。
基于上述方案，可进一步采用如下优选方式：
所述的介质光栅中对称结构单元的材料均为氟化钙，整体长度和宽度均为2μm，厚度为0.33μm，周期(横向或纵向相邻两个对称结构单元中心之间的距离)为4μm；正方形突起边长为0.2μm，对角线宽为0.1μm，直角边宽度为0.3μm，间隙宽度为0.1μm。所述的上层介电薄膜的材料为氟化钙，长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为4μm。所述的下层介电薄膜的材料为氟化钙，长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为4μm。所述的石墨烯层的长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为0.34nm。所述的金属基底的材料为金，长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为6μm。
本发明具有结构简单紧凑，控制方法新颖，响应速度快，便于加工等优点，其他具体优点将通过具体实施方式进行说明。
附图说明
图1是一种石墨烯电调太赫兹波吸收器结构剖面图；
图2是一种石墨烯电调太赫兹波吸收器介质光栅单元结构平面示意图；
图3是一种石墨烯电调太赫兹波吸收器介质光栅阵列图；
图4是一种石墨烯电调太赫兹波吸收器不同电压下性能曲线图；
图5是一种石墨烯电调太赫兹波吸收器石墨烯费米能级在0.3eV的性能曲线图；
图6是一种石墨烯电调太赫兹波吸收器石墨烯费米能级在0.6eV的性能曲线图；
图7是一种石墨烯电调太赫兹波吸收器石墨烯费米能级在0.9eV的性能曲线图。
具体实施方式
如图1～2所示，一种石墨烯电调太赫兹波吸收器，它包括介质光栅1、上层介电薄膜2、石墨烯层3、下层介电薄膜4、金属基底5和电压源6；介质光栅1的下层是上层介电薄膜2，上层介电薄膜2的下层是石墨烯层3，石墨烯层3的下层是下层介电薄膜4，下层介电薄膜4的下层是金属基底5，石墨烯层3和金属基底5通过电压源6相连接。如图3所示，介质光栅1是由对称结构单元在上层介电薄膜2上以矩形阵列排布而成。每个对称结构单元自身呈中心对称，包括正方形突起7、四条完全相同的直角边9和两条对角线8，四条直角边9排列形成一个每条边的中间位置具有间隙10的正方形环，间隙10将正方形环的每一条正方形环的边分为不相连的两段。间隙10两侧分别为一条直角边9的边缘。正方形环的四个角点分别通过两条对角线8相连，每条间隙10两侧的直角边9端部各连接有一个正方形突起7，正方形突起7整体紧贴正方形环但位于正方形环外部。由于石墨烯层和金属基底通过电压源相连，通过电压改变石墨烯层的费米能级，从而在吸收峰处实现高吸收率；太赫兹波以入射角为θ射入，少部分太赫兹波在介质光栅层发生反射，其余太赫兹波发生折射，进入吸收器内部，通过调节石墨烯层的费米能级，实现太赫兹波吸收峰的调谐。
吸收器中各部件参数可选择如下：介质光栅1中对称结构单元的材料均为氟化钙，整体长度和宽度均为2μm，厚度为0.33μm，周期为4μm；正方形突起7为正方形片状，其边长为0.2μm，对角线8宽为0.1μm，直角边9宽度(与边垂直的横截面宽度，不含拐角点)为0.3μm，间隙10宽度为0.1μm。上层介电薄膜2的材料为氟化钙，长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为4μm。下层介电薄膜4的材料为氟化钙，长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为4μm。石墨烯层3的长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为0.34nm。金属基底5的材料为金，长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为6μm。
实施例1
本实施例中，石墨烯电调太赫兹波吸收器的结构和各部件形状如上所述(图1～3)，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：介质光栅中单元结构材料为氟化钙，长度和宽度均为2μm，厚度为0.33μm，周期为4μm，正方形突起7边长为0.2μm，对角线8宽为0.1μm，直角边9宽度为0.3μm，间隙10宽度为0.1μm。上层介电薄膜2的材料为氟化钙，长度和宽度均为14μm，厚度为4μm。石墨烯层3的长度和宽度均为14μm，厚度为0.34nm。下层介电薄膜4的材料为氟化钙，长度和宽度均为14μm，厚度为4μm。金属基底的材料为金，长度和宽度均为14μm，厚度为6μm。太赫兹波以入射角为θ射入，少部分太赫兹波在介质光栅层发生反射，其余太赫兹波发生折射，进入吸收器内部，通过调节石墨烯层的费米能级，实现太赫兹波吸收峰的调谐。该石墨烯电调太赫兹波吸收器的各项性能指标采用COMSOLMultiphysics软件进行测试，图4为太赫兹波吸收器的性能曲线图，结合图5～7可以看到，当石墨烯费米能级在0.3eV时，吸收器的吸收峰位于频率为0.773THz处，吸收率为0.998；当费米能级达到0.6eV、0.9eV时，吸收器的吸收峰分别位于频率点0.84THz、0.896THz处，相应的吸收率为0.998、0.999，实现吸收频率点可调功能。

Claims (6)

1.一种石墨烯电调太赫兹波吸收器，其特征在于它包括介质光栅(1)、上层介电薄膜(2)、石墨烯层(3)、下层介电薄膜(4)、金属基底(5)和电压源(6)；介质光栅(1)的下层是上层介电薄膜(2)，上层介电薄膜(2)的下层是石墨烯层(3)，石墨烯层(3)的下层是下层介电薄膜(4)，下层介电薄膜(4)的下层是金属基底(5)，石墨烯层(3)和金属基底(5)通过电压源(6)相连接；介质光栅(1)是由对称结构单元在上层介电薄膜(2)上阵列排布而成；每个对称结构单元呈中心对称，包括正方形突起(7)、四条完全相同的直角边(9)和两条对角线(8)，四条直角边(9)排列形成一个每条边的中间位置具有间隙(10)的正方形环，正方形环的四个角点分别通过两条对角线(8)相连，每条间隙(10)两侧的直角边(9)端部各连接有一个正方形突起(7)，正方形突起(7)位于所述正方形环外部。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯电调太赫兹波吸收器，其特征在于所述的介质光栅(1)中对称结构单元的材料均为氟化钙，整体长度和宽度均为2μm，厚度为0.33μm，周期为4μm；正方形突起(7)边长为0.2μm，对角线(8)宽为0.1μm，直角边(9)宽度为0.3μm，间隙(10)宽度为0.1μm。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯电调太赫兹波吸收器，其特征在于所述的上层介电薄膜(2)的材料为氟化钙，长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为4μm。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯电调太赫兹波吸收器，其特征在于所述的下层介电薄膜(4)的材料为氟化钙，长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为4μm。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯电调太赫兹波吸收器，其特征在于所述的石墨烯层(3)的长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为0.34nm。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯电调太赫兹波吸收器，其特征在于所述的金属基底(5)的材料为金，长度和宽度均为14μm～16.5μm，厚度为6μm。
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