CN109037962A - 双频石墨烯可调太赫兹吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了双频石墨烯可调太赫兹吸收器及其方法。它包括太赫兹波输入端、外加电压源、N×N个结构单元，N为自然数；N×N个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，结构单元包括第一石墨烯微结构、第二介质层、第二石墨烯微结构、第三介质层、第四介质层以及底层金属铜条带层、太赫兹波输出端。本发明的双频石墨烯可调太赫兹吸收器具有结构简单紧凑，制作方便，响应速度快，调节方便等优点，满足在太赫兹波成像、传感、环境监测领域应用要求。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波应用技术领域，具体涉及双频石墨烯可调太赫兹吸收器及其方法。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1～10THz，波长为3000～30μm范围内的电磁波。它在长波段与毫米波相重合，而在短波段与红外线相重合。太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置。由于在相当长时间里太赫兹波源的问题未能很好解决，人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，太赫兹波科学技术的发展受到很大的限制，以至于该波段被称为电磁波谱中的“太赫兹空隙”(Terahertz Gap)，从而使其应用潜能未能发挥出来。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。高效的太赫兹辐射源和成熟的检测技术是推动太赫兹技术科学发展和应用的首要条件，但太赫兹技术的广泛应用离不开满足不同应用领域要求的实用化功能器件的支撑。在太赫兹通信、多谱成像、物理、化学等众多应用系统中，对太赫兹波导、开关、吸收器、滤波及功分等功能器件的需求是迫切的。
太赫兹波吸收器是一种非常重要的太赫兹波功能器件，其在太赫兹波成像、太赫兹波医学诊断、太赫兹波通信、太赫兹波空间天文学等太赫兹波应用领域都有着广阔的应用前景，但是现有的太赫兹波吸收器结构复杂、制作困难、价格昂贵，损耗大，响应速度慢。因此迫切需要研究出一种结构简单、制作方便、响应速度快的太赫兹波开关来满足太赫兹实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供双频石墨烯可调太赫兹吸收器及其方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于包括太赫兹波输入端、外加电压源、N×N个结构单元，N为自然数；N×N个结构单元周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，结构单元包括第一石墨烯微结构、第二介质层、第二石墨烯微结构、第三介质层、第四介质层以及底层金属铜条带层、太赫兹波输出端。
所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的周期排列的N×N个结构单元的正视图为正方形，正方形边长为50µm~60μm。所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的第一石墨烯微结构为石墨烯，厚度为0.34nm~1.0nm，第一石墨烯微结构外环为正方形，边长为40µm~50μm，外环的宽度为10µm~15μm，第一石墨烯微结构内环为正方形，边长为20µm~30μm，内环的宽度为10µm~15μm。所述的第二介质层的材料为二氧化硅，边长为50µm~60μm，厚度为5~10μm，相对介电常数为3.9。所述的第二石墨烯微结构与第一石墨烯微结构形状大小结构材料完全相同。所述的第三介质层与第二介质层形状大小结构材料完全相同。所述的第四介质层的材料为硅，边长为50~60µm，厚度为1.0µm，相对介电常数为11.9。所述的底层金属铜条带层的厚度为1.0µm，电导率为5.99×107s/m。
所述双频石墨烯可调太赫兹吸收器及其方法，其特征在于当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，在第一石墨烯微结构无外加电压条件下，其双频吸收峰位置位于0.69THz处吸收率为87%与1.61THz处吸收率为96%；当第一石墨烯微结构有外加电压条件下，由于第一石墨烯微结构的载流子浓度改变从而导致其电导率迅速发生变化，此时第一石墨烯微结构呈现金属性，导致所述吸收器的其双频吸收峰位置位于0.68THz处吸收率达到99.6%，在1.63THz处吸收率达到99.4%，所述吸收器对应的频率值的吸收峰发生改变，接近于完美吸收，从而实现了双频石墨烯可调太赫兹吸收器。
本发明的双频石墨烯可调太赫兹吸收器具有结构简单紧凑，制作方便，响应速度快，调节方便等优点，满足在太赫兹波成像、传感、环境监测领域应用要求。
附图说明
图1是双频石墨烯可调太赫兹吸收器的结构示意图；
图2是双频石墨烯可调太赫兹吸收器的正视图；
图3是双频石墨烯可调太赫兹吸收器的第一石墨烯结构层示意图；
图4是双频石墨烯可调太赫兹吸收器在不同费米能级的吸收曲线图；
图5是双频石墨烯可调太赫兹吸收器的0.68THz处吸收器电场分布；
图6是双频石墨烯可调太赫兹吸收器的1.6THz处吸收器电场分布。
具体实施方式
如图1~2所示，双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于包括太赫兹波输入端1、外加电压源2、N×N个结构单元3，N为自然数；N×N个结构单元3周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，结构单元包括第一石墨烯微结构4、第二介质层5、第二石墨烯微结构6、第三介质层7、第四介质层8以及底层金属铜条带层9、太赫兹波输出端10。
所述的周期排列的N×N个结构单元3的正视图为正方形，正方形边长为50µm~60μm。所述的第一石墨烯微结构4为石墨烯，厚度为0.34nm~1.0nm，第一石墨烯微结构4外环为正方形，边长为40µm~50μm，外环的宽度为10µm~15μm，第一石墨烯微结构4内环为正方形，边长为20µm~30μm，内环的宽度为10µm~15μm。所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的第二介质层5的材料为二氧化硅，边长为50µm~60μm，厚度为5~10μm，相对介电常数为3.9。所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的第二石墨烯微结构6与第一石墨烯微结构4形状大小结构材料完全相同。所述的第三介质层7与第二介质层5形状大小结构材料完全相同。所述的第四介质层8的材料为硅，边长为50~60µm，厚度为1.0µm，相对介电常数为11.9。所述的底层金属铜条带层9的厚度为1.0µm，电导率为5.99×107s/m。
所述双频石墨烯可调太赫兹吸收器的方法：其特征在于当太赫兹波从太赫兹波输入端1输入时，在第一石墨烯微结构4无外加电压条件下，其双频吸收峰位置位于0.69THz处吸收率为87%与1.61THz处吸收率为96%；当第一石墨烯微结构4有外加电压条件下，由于第一石墨烯微结构4的载流子浓度改变从而导致其电导率迅速发生变化，此时第一石墨烯微结构4呈现金属性，导致所述吸收器的其双频吸收峰位置位于0.68THz处吸收率达到99.6%，在1.63THz处吸收率达到99.4%，所述吸收器对应的频率值的吸收峰发生改变，接近于完美吸收，从而实现了双频石墨烯可调太赫兹吸收器。
实施例1
双频石墨烯可调太赫兹吸收器：
选择结构单元个数N=50。周期排列的N×N个结构单元的正视图为正方形，正方形边长为50µm。所述的第一石墨烯微结构为石墨烯，厚度为1.0nm，第一石墨烯微结构外环为正方形，边长为40µm，外环的宽度为10µm，第一石墨烯微结构内环为正方形，边长为20µm，内环的宽度为10µm。所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的第二介质层的材料为二氧化硅，边长为50µm，厚度为5，相对介电常数为3.9。所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的第二石墨烯微结构与第一石墨烯微结构形状大小结构材料完全相同。所述的第三介质层与第二介质层形状大小结构材料完全相同。所述的第四介质层的材料为硅，边长为50µm，厚度为1.0µm，相对介电常数为11.9。所述的底层金属铜条带层的厚度为1.0µm，电导率为5.99×107s/m。由于该吸收器后面有金属薄膜层存在，因此太赫兹波不能透射出去。当太赫兹波从太赫兹波输入端输入时，当无外加电压源输入，即当石墨烯费米能级E f=0eV时，吸收器在0.69THz处吸收率达到87%，在1.61THz处吸收率达到96%；当无外加电压源输入即石墨烯费米能级E f =0.1eV时，吸收器在0.68THz处吸收率达到99.6%，在1.63THz处吸收率达到99.4%；当石墨烯费米能级E f =0.2eV时，吸收器在0.71THz处吸收率达到95%，在1.69THz处吸收率达到93%。双频石墨烯可调太赫兹吸收调节过程中，双频带均可灵活可调，而且吸收器的吸收率基本保持在93%以上。由于石墨烯的响应时间极快，因此通过外加电压源可以快速地实现对不同频率太赫兹波的吸收，实现了双频石墨烯可调太赫兹吸收器。
Claims (9)
1.双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于包括太赫兹波输入端（1）、外加电压源（2）、N×N个结构单元（3），N为自然数；N×N个结构单元（3）周期排列在与太赫兹波输入方向垂直的平面上，结构单元包括第一石墨烯微结构（4）、第二介质层（5）、第二石墨烯微结构（6）、第三介质层（7）、第四介质层（8）以及底层金属铜条带层（9）、太赫兹波输出端（10）。
2.如权利要求1所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的周期排列的N×N个结构单元（3）的正视图为正方形，正方形边长为50µm~60μm。
3.如权利要求1所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的第一石墨烯微结构（4）为石墨烯，厚度为0.34nm~1.0nm，第一石墨烯微结构（4）外环为正方形，边长为40µm~50μm，外环的宽度为10µm~15μm，第一石墨烯微结构（4）内环为正方形，边长为20µm~30μm，内环的宽度为10µm~15μm。
4.如权利要求1所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的第二介质层（5）的材料为二氧化硅，边长为50µm~60μm，厚度为5~10μm，相对介电常数为3.9。
5.如权利要求1所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的第二石墨烯微结构（6）与第一石墨烯微结构（4）形状大小结构材料完全相同。
6.如权利要求1所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的第三介质层（7）与第二介质层（5）形状大小结构材料完全相同。
7.如权利要求1所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的第四介质层（8）的材料为硅，边长为50~60µm，厚度为1.0µm，相对介电常数为11.9。
8.如权利要求1所述的双频石墨烯可调太赫兹吸收器，其特征在于所述的底层金属铜条带层（9）的厚度为1.0µm，电导率为5.99×107s/m。
9.如权利要求1所述双频石墨烯可调太赫兹吸收器及其方法，其特征在于当太赫兹波从太赫兹波输入端（1）输入时，在第一石墨烯微结构（4）无外加电压条件下，其双频吸收峰位置位于0.69THz处吸收率为87%与1.61THz处吸收率为96%；当第一石墨烯微结构（4）有外加电压条件下，由于第一石墨烯微结构（4）的载流子浓度改变从而导致其电导率迅速发生变化，此时第一石墨烯微结构（4）呈现金属性，导致所述吸收器的其双频吸收峰位置位于0.68THz处吸收率达到99.6%，在1.63THz处吸收率达到99.4%，所述吸收器对应的频率值的吸收峰发生改变，接近于完美吸收，从而实现双频石墨烯可调太赫兹吸收器。
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