CN109411898A - 一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，属于太赫兹超材料吸波领域，实现在太赫兹双频带内的完美吸收，另外，改变石墨烯的化学势可以改变其吸波频带。本发明设计的吸波器单元从下至上依次包括一层全金属薄膜(1)，一层介质薄膜(2)，顶层是图案化的单层石墨烯(3)，三层结构之间相互贴合。其中金属薄膜层采用金或银等导体，中间介质层使用二氧化硅。通过有限元方法模拟计算，观测该结构的反射谱，实现在太赫兹双频带的完美吸收。该超表面吸波器具有强吸收、偏振不敏感、结构简单、便于加工等优势，由于石墨烯的费米能级可调性，可以实现吸波器谐振频率的动态可调的性能，可满足对太赫兹吸收方面应用的要求。

Description

一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法

(一)技术领域

本发明设计的是一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，属于太赫兹超材料吸波领域。该吸波器结构能够实现双频带吸波，吸波频带可调，偏振不敏感等特性，可用于太赫兹波段光源，传感器设计等方面。

(二)背景技术

超材料完美吸收体(MPA)具有亚波长尺度，引起了人们广泛的兴趣。目前MPA已被广泛研究并在辐射热测量计，化学和生物医学传感，光电探测器，光热转换等方面，并且已经提出了许多类型的MPA。该领域最热门的研究方向之一是实现可调谐MPA，因为它们在实际应用中具有很大的灵活性。目前，大多数设计都集中在吸收强度调制而不是共振频率调制。另一个研究方向旨在找到一种有效的方法来实现多频带或宽带吸收。一种方法是将两个或更多个具有不同尺寸的谐振器组合在一起以形成超单元。另一种方法是堆叠具有不同几何尺寸的多层谐振器，所述几何尺寸由具有适当厚度的介电层隔开。虽然多频带或宽带和可调谐吸收行为是非常理想的，但将这两个特性结合起来是一项非常困难的任务，这极大地妨碍了它们的实际应用。

本发明通过设计新的超表面吸波器具有强吸收、偏振不敏感、厚度薄、结构简单、便于加工等优势，另外，由于石墨烯的费米能级可调性，使得可以实现吸波器谐振频率的动态可调的性能，可满足对太赫兹吸收方面应用的要求。

(三)发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法。

本发明采用的技术方案是：

一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，其特点在于：以金属板作为反射基底，结构向上依次为介质层、图案化的石墨烯层。所述的金属基底为金或银等良导体，所述介质层为二氧化硅，其介质层厚度选为相应波长的1/6-1/10。所述石墨烯为单层原子排列结构，设置为有四个对称椭圆挖孔的圆形共振结构。

本发明所述的有益效果：

1.石墨烯层的关于x轴与y轴对称，对于与TE和TM波可以得到相同的吸收曲线，保证了结构的偏振不敏感性。

2.本发明的双频带吸波器结构简单，仅用单层石墨烯便可实现双频带吸收效果，在特定双频带吸收率接近100％。

3.当入射角增大时，仍能保持良好的吸收效果。

4.吸波器采用二维周期型结构，结构简单紧凑，便于大规模集成。

5.本发明利用石墨烯的电可调性，可以实现双带可调特性。

(四)附图说明

图1是本发明的单元结构示意图；

图2是本发明顶层石墨烯俯视图；

图3是电磁波垂直入射下该吸波器的吸收效率图；

图4是改变化学势0.6-0.8eV时的吸收曲线图；

图1中，1：金属层；2绝缘介质层；3：石墨烯层。金属层长和宽为p＝5μm，厚度为t1＝0.2μm，绝缘介质层厚度为t2＝3μm；

图2中，圆形单层石墨烯半径R＝2μm，镂空椭圆的长轴为a＝0.4μm，短轴为b＝0.1μm。

(五)具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

本发明设计了一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，具体实施方式包括：

图1为基于石墨烯的双频带吸波器示意图。采用周期为p，厚度为t1的金属层1作为反射基底，中间介质层2选用二氧化硅，顶层石墨烯层3为单层结构，横向周期和纵向周期均为p，圆形石墨烯半径为R，单层石墨烯厚度为1nm。所述金属层可以选用金或者银等良导体，这里金属的厚度应远大于其在太赫兹波段的肌肤深度，选择0.2μm为其厚度。

本发明设计的是一个在2-10THz的反射型吸波器，因此选用周期p为3μm。

图2为顶层石墨烯图形，圆形石墨烯半径为2μm，挖去的椭圆形孔长轴为0.4μm，短轴为0.1μm，四个椭圆形孔分布在x与y的正负轴，坐标中心分别位于(4.8μm,0)(-4.8μm,0)(0，-4.8μm)(0，4.8μm)。

石墨烯化学势取0.8eV，电磁仿真得到所述太赫兹吸波器的吸收曲线图如图3所示，可见本发明吸波器对于太赫兹波具有较强的吸收特性，且可以双频带吸收。

石墨烯最重要的性质之一就是电可调性，因此分析了石墨烯的化学势从0.6eV到1eV之间变化时，双频带的吸收效果如图4所示，可以看到在0.6eV到1eV之间都能保持90％以上的吸收效率。

关于吸收率的计算，当入射电磁波从自由空间入射至结构表面时，有一部分会直接被反射到自由空间形成反射波，剩余的部分以透射波形式入射至结构内部，一部分以欧姆损耗转换成热能或其它形式的能，一部分以透射波形式继续向前传播。因此，电磁波吸收率表达式为：

A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)＝1-|S₁₁|²-|S₂₁|² (1)

其中，R(ω)、T(ω)分别为反射率和透射率，S₁₁、S₂₁分别为吸波器的反射系数和透射系数，S₂₁也可以认为是材料对电磁波的损耗程度。

对于反射式吸波器而言，大于100nm厚度的金属板的功能是阻止进入到结构的电磁波透射出去，因此S₂₁＝0。此时的电磁波只需计算反射率和吸收率，而反射率为：

R(ω)＝|S₁₁|² (2)

即吸收率可以简化为：

A(ω)＝1-R(ω)＝1-|S₁₁|²。 (3)

Claims (8)

1.一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，所述可调吸波器包括基底金属反射板，中间介质层和单层图案化的石墨烯，三层结构相互贴合。

2.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，其特征在于其单个结构周期为p＝3μm。

3.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，其特征在于：对于该发明反射式吸波器而言，金属基底板设为0.2μm厚，其功能是阻止进入到结构的电磁波透射出去。中间介质层采用二氧化硅，厚度为3μm，顶层采用单层石墨烯结构。

4.根据权利要求书3所述的一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，其特征在于：所述的单层石墨烯结构进行图案化，在圆形单层石墨烯上挖去四个对称的椭圆形孔。

5.根据权利要求书4所述的一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，其特征在于，圆形石墨烯半径为2μm，挖去的椭圆形孔长轴为0.4μm，短轴为0.1μm。

6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，其特征在于，由于石墨烯的动态可调性，可以改变其化学势能，从而可以实现在不同的频带内实现吸波功能。

7.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，其特征在于，所述发明工作在2THz—10THz频段内。

8.根据权利要求书1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双频带可调吸波器的方法，其特征在于，该设计为反射型吸波器，采用了0.2μm厚的金属板，消除了电磁波的透射，所以T(ω)＝0。所以吸收率的表达式为：

A(ω)＝1-R(ω)＝1-|S₁₁|² (1)。