CN108808258A - 一种宽带电磁诱导透明材料的单元结构及其调谐方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种互易特性的可调谐石墨烯人工表面宽带电磁诱导透明材料的单元结构及其调谐方法，该结构包括高分子材料层，所述的高分子材料层正面涂覆第一超表面石墨烯层，第一超表面石墨烯层为中间挖空的圆形形状，中间挖空部分为正方形形状；所述的高分子材料层反面涂覆与正面挖空部分形状相同且位置对应的第二超表面石墨烯层。本发明具有互易特性，即电磁波从结构正面和反面入射都可以产生电磁诱导透明特性。本发明具有可调谐的电磁诱导透明特性，即在石墨烯薄膜上加载电压，可以改变电磁诱导透明频点。本发明同时具备环境介电常数可调谐透射率的特性，可用作材料检测等。本发明具有尺寸小，厚度薄，结构简单等特点，适用于微型化器件制备。

Description

一种宽带电磁诱导透明材料的单元结构及其调谐方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，具体是一种互易特性的可调谐石墨烯人工表面宽带电磁诱导透明材料的单元结构及其调谐方法。
背景技术
电磁诱导透明(EIT)是原子系统内由探测场激励两条路径之间的量子干涉相消的结果,导致光在原子共振吸收频率处的吸收减弱甚至不吸收,以至出现完全透明的现象。这种相消干涉作用使得介质在一个较宽的吸收谱中产生了一个很窄的透明窗,是不透明介质在某些共振电磁场下变得透明的现象,属于量子光学现象,在非线性光学、慢光和光学存储等方面都有应用。近年来,在微波、太赫兹(THz)、红外以及光波段中使用人工材料实现EIT效应引起了广泛关注。
石墨烯(Graphene)作为一种具有蜂窝状二维晶体结构半金属材料，其优越的电特性很快被人们所关注。超表面是一种由超材料结构单元构造的超薄二维阵列平面，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。通过超表面可实现负折射、负反射、极化旋转、汇聚成像、复杂波束、传播波向表面波转化等新颖物理效应。超表面丰富独特的物理特性及其对电磁波的灵活调控能力使其在隐身技术、天线技术、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域具有重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种互易特性的可调谐石墨烯人工表面宽带电磁诱导透明材料的单元结构及其调谐方法，该材料具有电磁诱导透明特性，同时电压和环境可调谐透明的特性，是一种太赫兹波段的宽带电磁诱导透明材料，可以用于材料检测。
为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种宽带电磁诱导透明材料的单元结构，包括高分子材料层，所述的高分子材料层正面涂覆第一超表面石墨烯层，第一超表面石墨烯层为中间挖空的圆形形状，中间挖空部分为正方形形状；所述的高分子材料层反面涂覆与正面挖空部分形状相同且位置对应的第二超表面石墨烯层。
具体的，所述高分子材料层的厚度为0.5um，所述第一超表面石墨烯层、第二超表面石墨烯层的厚度为0.001-0.002um。
具体的，所述高分子材料层是尺寸为12um*12um的正方形材料。
具体的，所述第一超表面石墨烯层直径为8-11um，中间挖空部分的形状为边长3.1-4um的正方形。
具体的，所述高分子材料层的材料优选为聚酰亚胺。
当选择电磁波传输方向从第一超表面石墨烯层向第二超表面石墨烯层传输时，该单元结构会在一个特定频点产生电磁诱导透明特性；当选择电磁波传输方向从第二超表面石墨烯层向第一超表面石墨烯层传输时，该单元结构也会在一个特定频点产生电磁诱导透明特性。
上述宽带电磁诱导透明材料单元结构的一种调谐方法，是通过控制第一超表面石墨烯层和第二超表面石墨烯层上的外加电压，来调节产生电磁诱导透明特性的透明频点。
具体的，对于第一超表面石墨烯层(2)、第二超表面石墨烯层(3)的厚度为0.001um，第一超表面石墨烯层(2)直径为8um，中间挖空部分正方形边长为4um的结构，当所述外加电压从0.1～0.8eV时，所述透明频点从7.362THz移动到15.326THz。
上述宽带电磁诱导透明材料单元结构的另一种调谐方法，是选择不同的背景环境来调节产生电磁诱导透明特性的透明频点。
具体的，所述背景环境的材料介电常数越大，吸收频点产生红移越大，根据测试的透明频点能够反推背景环境参数。
本发明的优点是：本发明石墨烯人工表面材料同时具有互易特性，即电磁波从结构正面和反面入射都可以产生电磁诱导透明特性，且频点接近。本发明具有可调谐的电磁诱导透明特性，即在石墨烯薄膜上加载电压，可以改变电磁诱导透明频点。本发明同时具备环境介电常数可调谐透射率的特性，可用作材料检测等。本发明具有尺寸小，厚度薄，结构简单等特点，适用于微型化器件制备。
附图说明
图1是本发明单元结构的正面。
图2是本发明单元结构的反面。
图3是本发明的侧视图。
图4是本发明对不同方向的电磁波的响应特性。
图5是本发明的等效电路示意图。
图6是本发明在不同电压下对电磁波透明的调谐特性。
图7是本发明在不同背景环境下对电磁波透明的仿真结果。
附图标记：1.高分子材料层、2.第一超表面石墨烯层、3.第二超表面石墨烯层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的可调谐石墨烯人工表面宽带电磁诱导透明材料的单元结构具有互补结构石墨烯表面，即在该结构高分子材料(聚酰亚胺)两面涂覆结构互补的石墨烯涂层。本发明具备电压和环境介电常数可调谐的特性，可用作材料检测等。
如图1～3所示，本发明包括高分子材料层1，所述的高分子材料层1正面涂覆第一超表面石墨烯层2，第一超表面石墨烯层2为中间挖空的圆形形状，中间挖空部分为正方形形状；所述的高分子材料层1反面涂覆与正面挖空部分形状相同且位置对应的第二超表面石墨烯层3。
所述高分子材料层1的厚度d1为0.5um，第一、第二超表面石墨烯层厚度d2为0.001-0.002um；高分子材料层1的尺寸为12um*12um的方形材料。a＝12um。
所述第一超表面石墨烯层2直径R为8-11um，中间挖空的形状为正方形，边长b为3.1-4um；第二超表面石墨烯层3的形状为正方形，边长为b。
所述高分子材料层1的优选材料为聚酰亚胺。
如图4所示，常温下，空气中，为对本发明从不同方向加载电磁波的响应。d1＝0.5um，d2＝0.001um，a＝12um，b＝4，R＝8时，当选择电磁波传输方向从正面向反面传输，透明频点为7.436THz,当选择电磁波传输方向从正面向反面传输，透明频点为7.287THz,即无论电磁波从结构正面或者反面入射，都能够产生电磁诱导透明特性，且频点接近。当材料尺寸发生变化，会产生一定的频移。
图5为本结构电学LC等效电路示意图，本结构产生的透射接近0的频点，可以通过LC谐振电路进行说明。低频点的出现主要是由于支路L1、C1产生谐振，高频点出现主要是由于支路L3、C3产生谐振，同时两频点会相互影响，电路的参数值通过反演法计算得到。
可见，对本发明的调谐方法可以通过控制第一超表面石墨烯层2和第二超表面石墨烯层3上的外加电压，来调节产生电磁诱导透明特性的透明频点。
当所述外加电压从0.1～0.8eV时，所述透明频点从7.362THz移动到15.326THz，如图6所示。
本发明的调谐方法，还可以通过选择不同的背景环境来调节产生电磁诱导透明特性的透明频点。
以下实施例均基于d1＝0.5um，d2＝0.001um，a＝12um，b＝4，R＝8尺寸。
实施例1
常温下，背景环境为空气时，对本发明从不同方向加载电磁波的响应。
如图4所示，当选择电磁波传输方向从互补结构的石墨烯超表面材料正面向反面传输，透明频点为7.436THz,当选择电磁波传输方向从互补结构的石墨烯超表面材料正面向反面传输，透明频点为7.287THz,即无论电磁波从结构正面或者反面入射，都能够产生电磁诱导透明特性。
实施例2
常温下，背景环境为空气时，对本发明加载不同的电压。
通过控制超表面石墨烯层上的外加电压(石墨烯化学势)，可以调节透明频点位置，如图6所示。
选择调谐电压μ为0.1eV，透明频点为7.362THz。
选择调谐电压μ为0.3eV，透明频点为9.516THz。
选择调谐电压μ为0.5eV，透明频点为12.389THz。
选择调谐电压μ为0.8eV，透明频点为15.326THz。
实施例3
如图7所示，通过CST STUDIO SUITE 2018软件仿真在常温下，电压为0.3eV时，将本发明分别放在空气、水、浓度为18％左右的葡萄糖溶液中的情况，仿真得到：
当选择背景环境为空气时，电磁诱导透明的频点为7.51THz；
当选择背景环境为水时，电磁诱导透明的频点为7.22THz；
当选择背景环境为葡萄糖溶液时，电磁诱导透明的频点为6.99THz。
因此，可以通过改变材料的背景环境参数，控制电磁诱导透明可调谐频点的位置，实现单调谐电磁诱导透明，该特性可用于环境(包括液态环境，如水，油等)检测。
本发明通过设计一种互补的可调谐石墨烯人工表面结构，实现可调谐宽带电磁诱导透明材料，其透明频点受环境参数、外加电压调谐。如图7所示，分别为自由空间，水，葡萄糖溶液中，透明频点会产生变化，具体的变化趋势是：被检测的材料介电常数越大，吸收频点产生红移越大，从而达到检测的目的。
综上，本发明能产生互易特性的宽带电磁诱导透明，并且尺寸小，厚度薄，结构简单，非常适合微型化器件制备。

Claims (10)

1.一种宽带电磁诱导透明材料的单元结构，其特征是：包括高分子材料层(1)，所述的高分子材料层(1)正面涂覆第一超表面石墨烯层(2)，第一超表面石墨烯层(2)为中间挖空的圆形形状，中间挖空部分为正方形形状；所述的高分子材料层(1)反面涂覆与正面挖空部分形状相同且位置对应的第二超表面石墨烯层(3)。
2.如权利要求1所述的宽带电磁诱导透明材料的单元结构，其特征是，所述高分子材料层(1)的厚度为0.5um，所述第一超表面石墨烯层(2)、第二超表面石墨烯层(3)的厚度为0.001-0.002um。
3.如权利要求2所述的宽带电磁诱导透明材料的单元结构，其特征是，所述高分子材料层(1)是尺寸为12um*12um的正方形材料。
4.如权利要求2所述的宽带电磁诱导透明材料的单元结构，其特征是，所述第一超表面石墨烯层(2)直径为8-11um，中间挖空部分的形状为边长3.1-4um的正方形。
5.如权利要求1所述的宽带电磁诱导透明材料的单元结构，其特征是，所述高分子材料层(1)的材料为聚酰亚胺。
6.如权利要求1-5中任意一项所述的宽带电磁诱导透明材料的单元结构，其特征是，当选择电磁波传输方向从第一超表面石墨烯层(2)向第二超表面石墨烯层(3)传输时，该单元结构会在一个特定频点产生电磁诱导透明特性；当选择电磁波传输方向从第二超表面石墨烯层(3)向第一超表面石墨烯层(2)传输时，该单元结构也会在一个特定频点产生电磁诱导透明特性。
7.如权利要求2-4中任意一项所述的宽带电磁诱导透明材料单元结构的调谐方法，其特征是，通过控制第一超表面石墨烯层(2)和第二超表面石墨烯层(3)上的外加电压，来调节产生电磁诱导透明特性的透明频点。
8.如权利要求7所述的调谐方法，其特征是，对于第一超表面石墨烯层(2)、第二超表面石墨烯层(3)的厚度为0.001um，第一超表面石墨烯层(2)直径为8um，中间挖空部分正方形边长为4um的结构，当所述外加电压从0.1～0.8eV时，所述透明频点从7.362THz移动到15.326THz。
9.如权利要求2-4中任意一项所述的宽带电磁诱导透明材料单元结构的调谐方法，其特征是，选择不同的背景环境来调节产生电磁诱导透明特性的透明频点。
10.如权利要求9所述的调谐方法，其特征是，所述背景环境的材料介电常数越大，吸收频点产生红移越大，根据测试的透明频点能够反推背景环境参数。
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