CN109449545B - 一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器，由2层石墨烯层、1层金属极化转换超表面层、1层金属反射层和3层介质层组成；其中每层石墨烯层均由电极层以及附着于该电极层上表面的石墨烯超表面层构成；在其中一层石墨烯层的石墨烯超表面层和电极层之间施加偏置电压V1来调节该石墨烯层的费米能级EF1，同时，在另一层石墨烯层的石墨烯超表面层和电极层之间施加偏置电压V2来调节该石墨烯层的费米能级EF2；当费米能级EF1和/或费米能级EF2的其中一个超过切换阈值时，太赫兹变换器工作在吸波模式；否则，太赫兹变换器工作在极化转换模式。本能够解决单一器件不能同时实现极化转换和功率吸收的问题。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器。
背景技术
太赫兹波的吸波器和极化转换器在电磁测量、天线设计、低雷达散射截面设计、THz成像和传感等领域各自发挥着十分重要的应用。基于超表面的新型吸波器和极化转换器因具有重量轻和结构简单等优点而被广泛应用；而石墨烯材料因为具有电导率可调的特性而被应用到超表面吸波器和极化转换器的设计中，实现宽带的特性。但是，目前实现吸波特性和极化转换特性的器件都是分离的器件；亦即一个器件仅能实现吸波特性，或者仅能实现极化转换特性；没有一个器件能够同时实现吸波特性和极化转换特性。
发明内容
本发明所要解决的是现有实现吸波模式和极化转换模式的器件都是分离的器件的问题，亦即一个器件仅能实现吸波模式或仅能实现极化转换模式的问题，提供一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器，该太赫兹变换器由2层石墨烯层、1层金属极化转换超表面层、1层金属反射层和3层介质层组成；其中每层石墨烯层均由电极层以及附着于该电极层上表面的石墨烯超表面层构成；金属反射层位于最下层，2层石墨烯层和1层金属极化转换超表面层分别位于金属反射层上方，且2层石墨烯层、1层金属极化转换超表面层和1层金属反射层之间通过介质层相间隔；在其中一层石墨烯层的石墨烯超表面层和电极层之间施加偏置电压V1来调节该石墨烯层的费米能级EF1，同时，在另一层石墨烯层的石墨烯超表面层和电极层之间施加偏置电压V2来调节该石墨烯层的费米能级EF2；当费米能级EF1和/或费米能级EF2的其中一个超过切换阈值时，太赫兹变换器工作在吸波模式；否则，太赫兹变换器工作在极化转换模式。
上述方案中，金属反射层与其最接近的石墨烯层或金属极化转换超表面层之间的介质层为介质基板。
上述方案中，位于金属极化转换超表面层上方的所有介质层均为泡沫。
上述方案中，石墨烯超表面层通过化学沉淀法附着于电极层的表面上。
上述方案中，石墨烯超表面层的厚度为0.335nm～2nm。
上述方案中，石墨烯超表面层和金属极化转换超表面层均为周期结构，即皆是由单元结构在平面上周期排布组成。
上述方案中，2层石墨烯层的石墨烯超表面层的结构相同。
与现有技术相比，本发明能够在很宽的频带内通过调节石墨烯超表面的费米能级实现极化转换模式和吸波模式的切换，从而填补了当前太赫兹器件技术中的一个空白，解决了单一器件不能同时实现极化转换和功率吸收的问题。
附图说明
图1为一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器的侧视图。
图2为另一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器的侧视图。
图3为又一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器的侧视图。
图4为石墨烯超表面的正视图。
图5为金属极化转换超表面的正视图。
图6为工作在极化转换模式时的极化转换率和吸波系数。
图7为工作在吸波模式时的反射系数吸波系数。
图中标号：1-1、石墨烯超表面层，1-2、电极层，2、金属极化转换超表面层，3、介质层，4、金属反射层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器，其主要由2层石墨烯层、1层金属极化转换超表面层2、1层金属反射层4和3层介质层3组成。
每层石墨烯层均由电极层1-2以及附着于该电极层1-2上表面的石墨烯超表面层1-1构成。电极层1-2由Al2O3和Si材料构成。在本发明优选实施例中，Al2O3厚度10nm，Si厚度为50nm。石墨烯超表面层1-1通过化学沉淀法附着于电极层1-2的表面上，其厚度为0.335nm～2nm。
金属反射层4位于最下层，2层石墨烯层和1层金属极化转换超表面层2分别位于金属反射层4上方，且2层石墨烯层、1层金属极化转换超表面层2和1层金属反射层4之间通过介质层3相间隔。为了获得更好的性能，金属反射层4与其最接近的石墨烯层或金属极化转换超表面层2之间的介质层3为介质基板，具体为聚酰亚胺(polyimide)材料。位于金属极化转换超表面层2上方的所有介质层3均为泡沫，具体为聚甲基丙烯酰亚胺泡沫层(polymethacrylimide，PMI)材料。其具体包括如下三种形式：
第一种形式如图1所示，太赫兹变换器自上而下为第一石墨烯超表面层1-1、第一电极层1-2、第一介质层3、金属极化转换超表面层2、第二介质层3、第二石墨烯超表面层1-1、第二电极层1-2、第三介质层3和金属反射层4。此时，第一介质层3由于位于金属极化转换超表面层2的上方，采用泡沫。而第三介质层3位于金属反射层4的上方，采用介质基板。第三介质层3根据设计需求，可以采用泡沫或介质基板。此形式为本发明优选实施方式，在本发明优选实施例中，第二介质层3和第三介质层3都为聚酰亚胺材料的介质基板，其中第二介质层3的厚度为1um；第三介质层3的厚度为9um。第一介质层3为聚甲基丙烯酰亚胺材料的泡沫，其厚度为30um。
第二种形式如图2所示，太赫兹变换器自上而下为第一石墨烯超表面层1-1、第一电极层1-2、第一介质层3、第二石墨烯超表面层1-1、第二电极层1-2、第二介质层3、金属极化转换超表面层2、第三介质层3和金属反射层4。此时，第一介质层3和第二介质层3由于位于金属极化转换超表面层2的上方，采用泡沫。而第三介质层3位于金属反射层4的上方，采用介质基板。
第三种形式如图3所示，太赫兹变换器自上而下为金属极化转换超表面层2、第一介质层3、第一石墨烯超表面层1-1、第一电极层1-2、第二介质层3、第二石墨烯超表面层1-1、第二电极层1-2、第三介质层3和金属反射层4。此时，第一介质层3和第二介质层3根据设计需求，可以采用泡沫或介质基板。而第三介质层3位于金属反射层4的上方，采用介质基板。
石墨烯超表面层1-1和金属极化转换超表面层2均为周期结构，即皆是由单元结构在平面上周期排布组成。石墨烯超表面层1-1可为任意具有吸波特性的超表面结构。2层石墨烯层的石墨烯超表面层1-1的结构相同。在本发明优选实施例中，石墨烯超表面层1-1选用改进的渔网型结构，一个单元的尺寸为p＝50um，每个单元的石墨烯超表面层1-1包含4个宽度为L3＝17um的贴片，贴片中有45°旋转的十字缝隙，缝隙的宽度为W4＝2um长度为L4＝8um，各贴片由宽度为W3＝2um的条带连接，参见图4。金属极化转换超表面层2可为任意具有极化转换特性的超表面结构。在本发明优选实施例中，金属极化转换超表面层2由置于对角线的双L型结构及置于中央的45°倾斜沙漏型结构，L型结构距离边沿为d2＝3um，线长为L2＝22um，线宽W2＝2um；沙漏型结构位于单元的中心，尺寸为W0＝20um，L0＝30um，d0＝6um，W1＝10um，L1＝20um，d1＝2um，参见图5。
2层石墨烯层和金属反射层4构成吸波结构的主要结构。金属极化转换超表面层2和金属反射层4构成极化转换的主要结构。在其中一层石墨烯层的石墨烯超表面层1-1和电极层1-2之间施加偏置电压V1来调节该石墨烯层的费米能级EF1，同时，在另一层石墨烯层的石墨烯超表面层1-1和电极层1-2之间施加偏置电压V2来调节该石墨烯层的费米能级EF2。通过改变偏置电压V1和偏置电压V2，调节石墨烯材料的电导率，以实现石墨烯超表面层1-1吸波模式的激活和失效的变换，进而实现太赫兹变换器的吸波模式和极化转换模式的切换，即：当费米能级EF1和/或费米能级EF2的其中一个超过切换阈值时，太赫兹变换器工作在吸波模式。否则，太赫兹变换器工作在极化转换模式。
偏置电压与费米能级之间关系课参考以下公式：
式中，为约化普朗克常量，vf为费米速度取vf＝1.1×106m/s，n为石墨烯载流子浓度，具体可由实验测得。
石墨烯材料的电导率可由日下的Kubo公式计算：
σs＝σintra(ω,EF,Γ,T)+σinter(ω,EF,Γ,T)
式中e,kB,T和EF分别为电子的电荷量，约化普朗克常量，玻尔兹曼常数，开尔文温度和费米能级。Γ为唯象散射率。
所述切换阈值通过实验确定。在本发明优选实施例中，切换阈值为0.2eV。
此时：
当第一石墨烯超表面层1-1和第二石墨烯超表面层1-1的费米能级都没有超过切换阈值时，即EF1＝EF2＝0eV时，石墨烯材料的电导率σs很小；因此石墨烯等效为电介质；又因为石墨烯的厚度很薄，因此其转换器的影响很小。此时，金属极化转换超表面层2对转换器的性能起决定作用。转换器工作在极化转换模式。
当第一石墨烯超表面层1-1和第二石墨烯超表面层1-1的费米能级的其中任何一个超过切换阈值时，如EF1＝0.5eV，EF2＝0.8eV时，石墨烯的电导率较大；石墨烯超表面层1-1上激发起强烈的表面等离激元，两层石墨烯超表面层1-1对转换器的性能起决定性作用，能量在石墨烯超表面层1-1中被耗散。转换器工作在吸波模式。
图6为图1所示发明优选实施例所示转换器工作在极化转换模式(EF1＝EF2＝0eV)时的极化转换率(polarization conversion ratio，PCR)曲线和吸波系数(Absorption，Abs.)曲线。由图可见，转换器在2.10-3.13THz频率范围内的极化转换率大于0.9，带宽达到39.5％。在极化转换模式，转换器在工作频段内的吸波系数很小，仅在0.065-0.12范围内。
图7为图1所示发明优选实施例所示转换器工作在吸波模式(EF1＝0.5eV，EF2＝0.8eV)时的吸波系数。由图可见，转换器在1.30-3.01THz频段内的吸波系数大于0.9，带宽达到79.5％；转换器在1.19-3.90THz频段内的吸波系数大于0.7，带宽高达106.7％。由于转换器在工作频段内的吸波系数较大，此时极化转换率已经没有意义，因此这里无需给出。
需要说明的是，尽管以上本发明所述的发明优选实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。
Claims (6)
1.一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器，其特征是，
该太赫兹变换器由2层石墨烯层、1层金属极化转换超表面层（2）、1层金属反射层（4）和3层介质层（3）组成；每层石墨烯层均由电极层（1-2）以及附着于该电极层（1-2）上表面的石墨烯超表面层（1-1）构成；
石墨烯超表面层（1-1）和金属极化转换超表面层（2）均为周期结构，即皆是由单元结构在平面上周期排布组成；石墨烯超表面层（1-1）为改进的渔网型结构，每个单元的石墨烯超表面层（1-1）包含4个贴片，贴片中有45°旋转的十字缝隙，各贴片由条带连接；金属极化转换超表面层（2）由置于对角线的双L型结构及置于中央的45°倾斜沙漏型结构组成；
金属反射层（4）位于最下层，2层石墨烯层和1层金属极化转换超表面层（2）分别位于金属反射层（4）上方，且2层石墨烯层、1层金属极化转换超表面层（2）和1层金属反射层（4）之间通过介质层（3）相间隔；
在其中一层石墨烯层的石墨烯超表面层（1-1）和电极层（1-2）之间施加偏置电压V1来调节该石墨烯层的费米能级EF1，同时，在另一层石墨烯层的石墨烯超表面层（1-1）和电极层（1-2）之间施加偏置电压V2来调节该石墨烯层的费米能级EF2；
通过改变偏置电压V1和偏置电压V2，调节石墨烯材料的电导率，以实现石墨烯超表面层1-1吸波模式的激活和失效的变换，进而实现太赫兹变换器的吸波模式和极化转换模式的切换，即：当费米能级EF1和/或费米能级EF2的其中一个超过切换阈值时，太赫兹变换器工作在吸波模式；否则，太赫兹变换器工作在极化转换模式。
2.根据权利要求1所述的一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器，其特征是，金属反射层（4）与其最接近的石墨烯层或金属极化转换超表面层（2）之间的介质层（3）为介质基板。
3.根据权利要求1所述的一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器，其特征是，位于金属极化转换超表面层（2）上方的所有介质层（3）均为泡沫。
4.根据权利要求1所述的一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器，其特征是，石墨烯超表面层（1-1）通过化学沉淀法附着于电极层（1-2）的表面上。
5.根据权利要求1或4所述的一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器，其特征是，石墨烯超表面层（1-1）的厚度为0.335nm~2nm。
6.根据权利要求1所述的一种可实现吸波模式和极化转换模式切换的太赫兹变换器，其特征是，2层石墨烯层的石墨烯超表面层（1-1）的结构相同。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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