CN109509986A - 基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器 - Google Patents

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Abstract

基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器，涉及太赫兹吸波。为四层结构器件，在xoy平面内具有周期性，单元结构在x和y方向上的周期长度分别为Lx和Ly，四层结构器件从上至下依次为金属螺旋微结构层、石墨烯层、介质层和金属衬底层；金属螺旋微结构层由具有阿基米德螺旋形状结构的金、银金属材料组成；石墨烯层由单层石墨烯层组成；介质层由低介电常数材料组成；金属层的材料为金或银等良导体材料，金属层的厚度大于入射波的趋肤深度；金属螺旋微结构层放置在石墨烯层上，金属螺旋微结构能够有效增强石墨烯的表面等离激元多谐振效应，对于入射角低于25°多频段太赫兹波具有大于90％的高吸收率，且具有角度不依赖的特性。

Description

基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器
技术领域
本发明涉及太赫兹吸波，尤其是涉及基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器。
背景技术
太赫兹波一般是指频率在0.1～10THz的电磁波，对应的波长范围为3～0.03mm，在宽带通信、频谱分析、探测传感、生物医学、安检成像等众多领域都具有广阔的应用前景。2008年，Landy等人提出微波段超材料完美吸波器的概念(Phys.Rev.Lett.,vol.100,pp.207402,2008)，利用电谐振器、短金属线及介质层构成完美吸收体，实现对微波的完美吸收，目前由于吸波器的广泛应用，研究领域从微波频段不断扩展到太赫兹频段、红外波段以及可见光波段等。亚波长金属微结构阵列层-介质层-金属层三明治状结构是超材料吸波器的一类典型结构，通过欧姆损耗以及介质损耗，抑制入射波的透射和反射通道，实现对电磁波的理想吸收。然而这类吸波器由于采用常规的金属和介质材料，在通常情况下，只能通过改变结构、尺寸、排列方式等实现对这类超材料吸波器吸波频率的调节，使得对电磁波的吸收效率和可调性受到了较大的限制。石墨烯是一种单层二维材料，具有独特的机械、化学和电可调特性，是各种可调器件的理想选择。石墨烯具有支持太赫兹表面等离子体激元和红外范围的优点，广泛应用于可调太赫兹和红外等离子体器件如波导、调制器、吸收器等。然而，单层石墨烯的吸收率仅仅只有2.3％，较大地限制了石墨烯吸波器的应用。为了增强基于石墨烯器件对入射电磁波的吸收率，目前，人们已经提出了多种结构形式的石墨烯吸波器，例如，图案化石墨烯吸波器、多层石墨烯堆栈吸波器、光栅结构吸波器等等。然而目前常见的石墨烯吸波器主要涉及增强单频带或双频带电磁波的吸收，而涉及对多频段太赫兹波实现高吸收的吸波器较少，且这类器件依然存在器件结构复杂、吸收频点较少、吸波频率调节范围小等问题。鉴于多频带太赫兹吸波器在探测器、热测试仪器、传感器、频谱成像等领域等具有重要的应用前景，因此深入开展高吸收，多频带的新型石墨烯吸波器研究工作具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术中石墨烯吸波器的吸收频带少、频率范围较小、吸收高率低等问题，本发明的目的在于提供能够对全频段入射太赫兹波实现多频带、高吸收的基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器。
本发明为四层结构器件，在xoy平面内具有周期性，单元结构在x和y方向上的周期长度分别为Lx和Ly，所述四层结构器件从上至下依次为：金属螺旋微结构层、石墨烯层、介质层和金属衬底层；所述金属螺旋微结构层由具有阿基米德螺旋形状结构的金、银等金属材料组成，厚度记为h1；所述石墨烯层由厚度记为h2的单层石墨烯层组成；所述介质层由厚度记为h3的低介电常数材料组成，低介电常数材料选自SiO2、Topas、ZrO2等；所述金属层的材料为金或银等良导体材料，金属层的厚度记为h4且大于入射波的趋肤深度；所述金属螺旋微结构层放置在石墨烯层上，金属螺旋微结构能够有效增强石墨烯的表面等离激元多谐振效应，对于入射角低于25°多频段太赫兹波具有大于90％的高吸收率，且具有角度不依赖的特性。
所述单元结构在x和y方向上的周期长度Lx和Ly可为20μm；所述金属螺旋微结构层1的厚度h1可为1μm；所述石墨烯层2的厚度h2可为0.334nm，石墨烯层由单层石墨烯层组成；所述介质层3的厚度h3可为60μm；所述金属层4的厚度h4可为0.5μm。
所述阿基米德螺旋形状结构的尺寸参数可为：圈数n1为3，宽度w为0.9μm，螺距g为2.7μm。
本发明通过合理设置几何尺寸与材料参数，实现对任意多个太赫兹频段的大于90％吸收率。
本发明可为金属圆环形、圆盘形、矩形、椭圆形微结构。
以下给出本发明的工作原理：
本发明为一种周期性金属螺旋微结构层-石墨烯层-介质层-金属衬底层四层结构器件，设计结构中的厚金属衬底层能够对电磁波实现全反射，实现零传输，其中石墨烯层与金属衬底层形成Fabry–Pérot多频谐振腔，通过合理设计石墨烯层、介质层的结构尺寸能够有效抑制电磁波反射，利用金属螺旋微结构与入射太赫兹波互作用有效增强了石墨烯层太赫兹表面等离激元多谐振效应、极大地增强吸波器的吸收率，从而实现对入射太赫兹波的多频带高吸收；利用石墨烯的电可调性，通过调节石墨烯层的化学势改变石墨烯表面等激元的束缚性能，从而实现对入射太赫兹波完美吸收。
本发明提出了将周期性金属螺旋微结构阵列集成到基于石墨烯的吸波器中，以增强石墨烯的光吸收，给出一种高吸收率、结构简单、多频带的石墨烯太赫兹吸波器。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明石墨烯层与金属衬底层形成Fabry–Pérot多频谐振腔，对入射太赫兹波可实现多谐振吸收，加入金属螺旋微结构，可以极大地增强石墨烯的吸收，合理设置参数本发明可在0.1～1.0THz的频率范围实现任意个频带的高吸收，且吸收率大于90％。
(2)本发明对入射太赫兹波具有极高的吸收率，当石墨烯化学势取0.5eV时，对入射角低于25°多频段太赫兹波可实现大于90％吸收率，具有角度不依赖的特性。
(3)本发明中的图案金属微结构形状可以是阿基米德螺旋状，也可扩展设计成圆环状、圆盘状、矩形状、椭圆状等增强石墨烯吸波器的吸收效应的微结构。
(4)本发明结构简单，易于扩展，可以通过尺度变换用于红外区域、可见光区域或其它频段的电磁波吸收。
附图说明
图1是本发明实施例的结构组成侧视示意图。
图2是本发明实施例的结构组成俯视示意图。
图3是本发明与去除金属螺旋微结构、去除石墨烯层后的吸波器的吸收曲线对比图。
图4是本发明吸波率与介质层厚度的关系曲线图。
图5是本发明在入射角度为0～25°的太赫兹吸收率曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。
如图1和2所示，本发明实施例为四层结构器件，在xoy平面内具有周期性，单元结构在x和y方向上的周期长度分别为Lx和Ly，所述四层结构器件从上至下依次为：金属螺旋微结构层1、石墨烯层2、介质层3和金属衬底层4；所述金属螺旋微结构层1由具有阿基米德螺旋形状结构的金、银等金属材料组成；所述石墨烯层2由厚度为h2的单层石墨烯层组成；所述介质层3由低介电常数材料组成，所述低介电常数材料选自SiO2、Topas、ZrO2等；所述金属层4的材料为金或银等良导体材料，金属层4的厚度大于入射波的趋肤深度；所述金属螺旋微结构层1放置在石墨烯层2上，金属螺旋微结构能够有效增强石墨烯的表面等离激元多谐振效应，对于入射角低于25°多频段太赫兹波具有大于90％的高吸收率，且具有角度不依赖的特性。
所述单元结构在x和y方向上的周期长度Lx和Ly为20μm；所述金属螺旋微结构层1的厚度h1为1μm；所述石墨烯层2的厚度h2为0.334nm；所述介质层3的厚度h3为60μm；所述金属层4的厚度h4为0.5μm。
所述阿基米德螺旋形状结构的尺寸参数为：圈数n为3，宽度w为0.9μm，螺距g为2.7μm。
在石墨烯化学势取0.5eV，h3＝60μm时，对于TE极化的入射波，本实施例与去除金属螺旋微结构、去除石墨烯层后的吸波器的吸收曲线对比如图3所示，电磁仿真表明当去除金属螺旋微结构时，利用石墨烯层与金属衬底层形成Fabry–Pérot谐振腔可以实现入射太赫兹6个频带谐振吸收，但吸收率较低，当去除石墨烯层时本实施例不能实现任何谐振吸收，而对于本实施例完整结构，金属螺旋微结构能够有效增强石墨烯的表面等离激元多谐振效应，从而实现6个频带大于90％的高吸收率。本实施例的介质层厚度h3取10、20、30μm时的吸收曲线如图4所示，可见合理设置参数本发明可在0.1～1.0THz的频率范围实现不同频带个数的高吸收，且吸收率大于90％。本实施例对不同角度入射太赫兹波的吸收率曲线如图5所示，由此可见，当入射TE极化的太赫兹波在角度在0°～25°范围内具有良好的角度不依赖的吸收特性时，本实施例的吸收率均可保持在90％以上。由此可见，本实施例是一种性能良好的多频带、高吸收率的石墨烯太赫兹吸波器。

Claims (8)

1.基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器，其特征在于为四层结构器件，在xoy平面内具有周期性，单元结构在x和y方向上的周期长度分别记为Lx和Ly，所述四层结构器件从上至下依次为：金属螺旋微结构层、石墨烯层、介质层和金属衬底层；所述金属螺旋微结构层由具有阿基米德螺旋形状结构的金、银金属材料组成；所述石墨烯层由单层石墨烯层组成；所述介质层由低介电常数材料组成；金属层的厚度大于入射波的趋肤深度；所述金属螺旋微结构层放置在石墨烯层上。
2.如权利要求1所述基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器，其特征在于所述低介电常数材料选自SiO2、Topas、ZrO2。
3.如权利要求1所述基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器，其特征在于所述金属螺旋微结构层和金属层的材料为金或银。
4.如权利要求1所述基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器，其特征在于所述单元结构在x和y方向上的周期长度Lx和Ly为20μm。
5.如权利要求1所述基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器，其特征在于所述金属螺旋微结构层的厚度h1为1μm，石墨烯层的厚度h2为0.334nm，介质层的厚度h3为60μm，金属层的厚度h4为0.5μm。
6.如权利要求1所述基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器，其特征在于所述阿基米德螺旋形状结构的尺寸参数为：圈数n1为3，宽度w为0.9μm，螺距g为2.7μm。
7.如权利要求1所述基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器，其特征在于通过合理设置几何尺寸与材料参数，实现对任意多个太赫兹频段的大于90％吸收率。
8.如权利要求1所述基于金属螺旋微结构的石墨烯太赫兹多频吸波器，其特征在于为金属圆环形、圆盘形、矩形、椭圆形微结构。
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