CN109638471A - 一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器，包括吸收层1、反射层2上下层叠紧密贴合组成的晶格单元，所述吸收层1为光子晶体，所述反射层2为狄拉克材料。本发明所述超材料吸收器不同于传统的“金属‑电介质‑金属”配置的三层结构，基于金、银、铜等贵金属的传统吸波器只能设计在固定的吸收峰上，如果要将吸收峰调整到其他频率区域，必须对吸波器的几何参数进行仔细的重新优化。本发明本不仅结合了狄拉克材料实现了可调谐频率，而且仅结合光子晶体，其结构因此显得更简单，尤其是没有金属结构的图案，成本低，易于加工。

Description

一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器
技术领域
本发明涉及超材料吸收器领域，具体涉及一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器。
背景技术
太赫兹(THz)波为频率处于0.1THz与10THz之间电磁波，太赫兹波具有光子能量低、时间和空间相干性高、穿透性强等特点，在无损检测、医学成像、电子对抗、雷达、遥感、外层空间宽带通信等领域具有广阔的应用前景。然而常规材料难于在太赫兹波段发生电磁响应。
电磁超材料是一种具有超常电磁特性的人工合成新型材料,其特点是：可以通过对周期性结构单元的物理尺寸进行优化设计，以达到在不违背物理规律的基础上，突破自然规律限制的目的。实现负折射率、完美透射以及完美吸收等新型电磁特性。
目前，人们已经利用超材料技术制备出了各种太赫兹波吸收器，在某一频点或者频段内对入射电磁波进行高吸收,达到完全吸收的效果。然而，在太赫兹波吸收器件的设计中，主要通过改变结构几何参数来实现可调功能，这样不仅限制了吸收器的适用范围，而且成本较高。除此以外，当前设计的太赫兹吸收器基本都是三层甚至三层以上的结构，增加了制作难度和成本。因此，迫切需要提出结构简单，尺寸小，便于加工和制作的高性能可调太赫兹波吸收器来支撑太赫兹技术应用领域的发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器，该结构能在结构较厚的反射层来实现对频率的调节。
本发明的具体技术方案为：
一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器，包括吸收层、反射层上下层叠紧密贴合组成的晶格单元，所述吸收层为光子晶体，所述反射层为狄拉克材料。
所述吸收层为圆环柱体结构，其中圆环柱体结构中心处的中空通道一直连通到反射层的顶面，所述反射层为矩形体结构，其中吸收层的内圆的投影全部落入反射层顶面内，吸收层的外圆的投影全部落入反射层顶面内。
圆环柱体结构的高度为30μm～40μm、圆环柱体结构的外圆半径为R1＝35μm～40μm、圆环柱体结构的内圆半径为R2＝15μm～20μm。
反射层的长为80μm～90μm、反射层的宽为80μm～90μm、反射层的高为20μm～30μm。
晶格单元的长为80μm～90μm、晶格单元的宽为80μm～90μm、晶格单元的高为50μm～70μm。
光子晶体的折射率为n＝3至4，介电常数为ε＝9至16。
反射层接收外部激励，以实现吸收频率为可调状态和反射层费米能级为可调状态。
本发明将传统的金属反射层改为狄拉克材料的反射层，同时将金属吸收层改为光子晶体的吸收层，在本发明的晶格单元中，仅有光子晶体作为吸收层，狄拉克材料作为反射层，然后将二者直接层叠紧密贴合后形成一个一体结构，其中，狄拉克材料又称为狄拉克半金属，狄拉克半金属是一种全新的奇特拓扑量子材料。这种材料的电子形成了三维的狄拉克锥结构，这种材料的电子结构具有非平庸的拓扑性质，它也有和拓扑绝缘体类似的表面态，因此反射层可以外加电压激励改变材料的费米能级，从而实现吸收器频率可调的特性。因此其主动调整其费米能级，从而实现主动调节超材料吸收器的工作频段
本发明所述超材料吸收器不同于传统的“金属-电介质-金属”配置的三层结构，基于金、银、铜等贵金属的传统吸波器只能设计在固定的吸收峰上，如果要将吸收峰调整到其他频率区域，必须对吸波器的几何参数进行仔细的重新优化。本发明本不仅结合了狄拉克材料实现了可调谐频率，而且仅结合光子晶体，其结构因此显得更简单，尤其是没有金属结构的图案，成本低，易于加工。
同时，由上述结构构成的情况下，整个超材料吸收器在结构上属于中心对称，所以可以实现对TE/TM极化电磁波实现无差别吸收。
在本发明中，在采用光子晶体的折射率为n＝3至4，介电常数为ε＝9至16时，然后由外加电压，使得反射层的费米能级发生变化，从而导致反射层的介电常数和电导率发生变化，从而实现与光子晶体的配合，以此实现其具有两个吸收率超过99％的吸收频点：f1＝2.02THz和f2＝2.49THz。且，在改变外加电压使得费米能级发生变化后，其反射层的介电常数和电导率发生对应的变化，如图3所示，此时，2个吸收频点会发生调整。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明所述超材料吸收器具有双吸收率频点，吸收率高：具有两个吸收率超过99％的吸收频点：f1＝2.02THz和f2＝2.49THz；对应的品质因子分别为：Q1＝45.9，Q2＝92.2。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明的超材料吸收器单元结构的三维视图。
图2为本发明的超材料吸收器单元结构的俯视图。
图3为反射层的电导率和介电常数特性曲线。
图4为本发明的超材料吸收器吸收特性曲线。
图5为本发明的超材料吸收器吸收特性随费米能级(Ef)的变化云图。
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，下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例一
一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器，包括吸收层1、反射层2上下层叠紧密贴合组成的晶格单元，所述吸收层1为光子晶体，所述反射层2为狄拉克材料。
所述吸收层1为圆环柱体结构，其中圆环柱体结构中心处的中空通道一直连通到反射层2的顶面，所述反射层2为矩形体结构，其中吸收层1的内圆的投影全部落入反射层顶面内，吸收层1的外圆的投影全部落入反射层顶面内。
圆环柱体结构的高度为30μm～40μm、圆环柱体结构的外圆半径为R1＝35μm～40μm、圆环柱体结构的内圆半径为R2＝15μm～20μm。
反射层2的长为80μm～90μm、反射层2的宽为80μm～90μm、反射层2的高为20μm～30μm。
晶格单元的长为80μm～90μm、晶格单元的宽为80μm～90μm、晶格单元的高为50μm～70μm。
光子晶体的折射率为n＝3至4，介电常数为ε＝9至16。
反射层接收外部激励，以实现吸收频率为可调状态和反射层的费米能级为可调状态。
本发明将传统的金属反射层改为狄拉克材料的反射层，同时将金属吸收层改为光子晶体的吸收层，在本发明的晶格单元中，仅有光子晶体作为吸收层，狄拉克材料作为反射层，然后将二者直接层叠紧密贴合后形成一个一体结构，其中，狄拉克材料又称为狄拉克半金属，狄拉克半金属是一种全新的奇特拓扑量子材料。这种材料的电子形成了三维的狄拉克锥结构，这种材料的电子结构具有非平庸的拓扑性质，它也有和拓扑绝缘体类似的表面态，因此反射层可以外加电压激励改变材料的费米能级，从而实现吸收器频率可调的特性。因此其主动调整其费米能级，从而实现主动调节超材料吸收器的工作频段
本发明所述超材料吸收器不同于传统的“金属-电介质-金属”配置的三层结构，基于金、银、铜等贵金属的传统吸波器只能设计在固定的吸收峰上，如果要将吸收峰调整到其他频率区域，必须对吸波器的几何参数进行仔细的重新优化。本发明本不仅结合了狄拉克材料实现了可调谐频率，而且仅结合光子晶体，其结构因此显得更简单，尤其是没有金属结构的图案，成本低，易于加工。
同时，由上述结构构成的情况下，整个超材料吸收器在结构上属于中心对称，所以可以实现对TE/TM极化电磁波实现无差别吸收。
在本发明中，在采用光子晶体的折射率为n＝3至4，介电常数为ε＝9至16时，然后由外加电压，使得反射层的费米能级发生变化，从而导致反射层的介电常数和电导率发生变化，从而实现与光子晶体的配合，以此实现其具有两个吸收率超过99％的吸收频点：f1＝2.02THz和f2＝2.49THz。且，在改变外加电压使得费米能级发生变化后，其反射层的介电常数和电导率发生对应的变化，如图3所示，此时，2个吸收频点会发生调整。
具体的，以具体结构参数为例，在本发明中，上层的光子晶体作为吸收层，其由一个圆环柱体构成，其结构参数如图2所示，外径为R1＝36.6μm、内径为R2＝17μm、高度为h＝30μm。上层的光子晶体作为吸收层的折射率为n＝3.416；底层的反射层为狄拉克材料，长为84μm、宽84μm、高为20μm，为了完全消除透射以实现完美的吸收，反射层的厚度应设置为大于电磁波的趋肤深度，并设置高为20μm，这足以确保其不透明。反射层的介电常数和电导率如图3所示。图3给出了反射层的电导率和介电常数的虚部和实部变化曲线，图3中(a)为电导率随费米能级变化而变化的实部变化曲线，图3中(b)为电导率随费米能级变化而变化的虚部变化曲线，图3中(c)为介电常数随费米能级变化而变化的实部变化曲线，图3中(d)为介电常数随费米能级变化而变化的虚部变化曲线，其中 为约化普朗克常数，ω为角频率，Ef为反射层的费米能级。本发明设计的超材料吸收器单元的晶格常数W＝L＝84μm，反射层的长和宽分别为L和W。
图4是本发明在THz波段的吸收特性曲线，吸收器在1.9THz—2.7THz范围内具有两个吸收峰值，分别位于f1＝2.02THz和f2＝2.49THz处，对应的吸收率均能达到99％以上。吸收器的品质因数Q定义为：Q＝f/Δf，本发明在f1和f2吸收峰处所对应的Q分别为：45.9，92.2。由于本发明具有中心对称的特点，所以对TE/TM极化电磁波不敏感。
图5是本发明提供的吸收特性曲线和随费米能级的变化的曲线，DS材料的费米能级Ef的变化范围设置为55meV-85meV，其实际调节范围可以更大。从图中可以看出本发明的吸收峰值可以通过调节反射层的费米能级来实现调节，费米能级的调节可以通过改变反射层的外加电压实现。从图5中可以看出，在反射层材料的费米能级为55meV时，第一个吸收峰值频率为1.955THz，，在反射层材料的费米能级为65meV时，吸收峰值频率偏移到2.02THz，在费米能级为85meV时吸收峰值频率偏移到2.05THz。另外，透射率一般随着电导率的增大而减小，当本发明对狄拉克材料的反射层加电压时，狄拉克材料表现出良好的电导率增大，因此，可以在加电压情况下，实现对太赫兹波段透射率近乎为0的控制，以实现对太赫兹波的近乎100％吸收。同时，由于本发明的是对狄拉克材料的费米能级的控制，可以实现在反射层的控制下，实现对吸收率的连续控制，可以做到任意吸收率。而传统对反射层的吸收控制，只能做到二值状态，只能控制吸收或不吸收，无法控制吸收5，10％，这种中间值的控制，即只能做到近乎100％或0，这种开关状态，无法做到连续变化的控制。且在本发明中，随着费米能级由55meV向85meV动态调整时，能有效控制吸收率从90％到99％的一个动态调整，但是费米能级和吸收率的调整范围并不局限于此，可以在更大范围内实现调节。
同样的，也实现了对第二个吸收峰的调节。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器，其特征在于，包括吸收层(1)、反射层(2)上下层叠紧密贴合组成的晶格单元，所述吸收层(1)为光子晶体，所述反射层(2)为狄拉克材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器，其特征在于，所述吸收层(1)为圆环柱体结构，其中圆环柱体结构中心处的中空通道一直连通到反射层(2)的顶面，所述反射层(2)为矩形体结构，其中吸收层(1)的内圆的投影全部落入反射层顶面内，吸收层(1)的外圆的投影全部落入反射层顶面内。
3.根据权利要求2所述的一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器，其特征在于，圆环柱体结构的高度为30μm～40μm、圆环柱体结构的外圆半径为R1＝35μm～40μm、圆环柱体结构的内圆半径为R2＝15μm～20μm。
4.根据权利要求2所述的一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器，其特征在于，反射层(2)的长为80μm～90μm、反射层(2)的宽为80μm～90μm、反射层(2)的高为20μm～30μm。
5.根据权利要求2所述的一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器，其特征在于，晶格单元的长为80μm～90μm、晶格单元的宽为80μm～90μm、晶格单元的高为50μm～70μm。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器，其特征在于，光子晶体的折射率为n＝3至4，介电常数为ε＝9至16。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种基于费米狄拉克材料的可调二频段THz吸收器，其特征在于，反射层(2)接收外部激励，以实现吸收频率为可调状态和反射层(2)的费米能级为可调状态。
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