CN109638472A - 一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超材料应用技术领域，且公开了一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，包括金属衬底层和所述金属衬底层的顶部自下而上依次分布有介质绝缘层、超材料层和上金属电极，所述超材料层由石墨烯和周期排列的金属单元结构组成，且超材料单元结构为长方形金属人工微结构，所述超材料层为上下层结构。通过控制不同石墨烯层的外加电压即可实现对吸波特性的独立实时调节，改变单元结构中长方形金属人工微结构的个数、组合方式以及石墨烯‑金属超材料层数，可以灵活实现多频吸收，实现在中红外波段实时独立可调谐的多频、超宽频吸收。

Description

一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器
技术领域
本发明涉及超材料应用技术领域，具体为一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器。
背景技术
人工电磁超材料是一种由亚波长人工单元结构按照一定规律排列所构成的人工电磁媒质。由于人工单元的尺寸远小于工作波长，因此相对于工作波长而言是一种性能均匀的材料。超材料的优点在于可以通过调节人工单元的结构，尺寸，分布形式来控制材料的电磁参数，从而获得多种新颖的电磁特性，而这些特性是自然物质没有或者很难实现的。构成超材料最常用的人工单元包括有限长线条和开口环共振器等。人工电磁超材料和表面等离子体激元的结合揭示了一种新的物理现象，被称作表面等离子体激元诱导透明(PIT)。基于PIT现象的超材料结构单元通常由明模元件和暗模元件组成。明模或者叫做超辐射模可以被外加的入射场直接激发，呈现出非常大的散射。与之相反的是，暗模或者叫做亚辐射模式不能被直接激发，但是可以通过与明模原件产生的电场耦合的方式被激励。拥有多个PIT窗口的超材料结构除可应用于吸波器外，还有很多的潜在应用价值，例如信息传输系统，滤波器、开关和超敏传感器等方面。
新型人工电磁超材料吸波器可广泛地应用于光子探测、太阳能电池、完美透镜及隐身衣等方面。最初由于超材料加工技术的限制，超材料吸波器的研究和应用主要集中在微波波段。随着材料加工技术的不断发展，超材料吸波器的研究和应用已经逐渐扩展到了太赫兹、中红外、红外甚至光波段。相比于传统的吸收器结构，新型人工电磁超材料吸波器质量轻、吸收率高、电磁参数易于灵活设计。
基于PIT的传统多频吸波器件的设计方式有两种，一种是“明模”元件与“明模”耦合，另一种是“明模”元件与“暗模”元件的耦合，但这两种方式通常存在着吸收效率不高的问题。此外，一旦基于周期性金属结构的PIT吸波器加工完成，器件的电磁特性即固定，不能灵活调节。为了解决这一问题，人们采用了一些可以实时调谐的材料，比如流体，流体金属，半导体等。而其中，石墨烯是一种碳原子紧密堆积成的六边形蜂窝状二维结构，它是一种可替代贵金属实现中红外到太赫兹波段表面等离子激元(SPPs)的激励和传输的新型材料。石墨烯表面等离子体波不同于SPPs在贵金属表面的传输，具有更好的模式约束性、更长的传播距离、更低的传输损耗。更重要的是，通过改变石墨烯的化学掺杂、外加电场、磁场，偏置电压等可实现对石墨烯复电导率的灵活调节，进而实现对PIT多频吸波器件电磁特性的调谐。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，实现在中红外波段实时独立可调谐的多频、超宽频吸收。通过控制不同石墨烯层的外加电压即可实现对吸波特性的独立实时调节，吸收率在百分之九十以上；通过改变单元结构中长方形金属人工微结构的个数以及石墨烯-金属超材料层数，可以灵活实现多频吸收；通过横向排列的方式，可以实现宽带吸收效果，吸收带宽可达到11.8THz，从而克服现有的一些基于PIT原理的电磁超材料吸波器存在的结构复杂，吸收频带少，吸收带宽窄，吸波效果差，不能实现独立实时调谐性等问题。
(二)技术方案
为实现上述的目的，本发明提供如下技术方案：一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，包括金属衬底层和所述金属衬底层的顶部自下而上依次分布有介质绝缘层、超材料层和上金属电极，所述超材料层和上金属电极均由多层石墨烯-金属构成，所述超材料层由石墨烯和周期排列的金属单元结构组成，且超材料单元结构为长方形金属人工微结构，而所述超材料层为上下层结构，所述超材料层的上下层结构中固定安装有处于同一中心线上的金属臂，且同层金属臂结构位于单元结构中心两侧。
优选的，所述上层金属臂的长度应该小于下层金属臂长度，该金属臂表现为一典型的偶极子振荡器，可以称作“明模”元件。而金属臂的宽度、单元结构周期大小对谐振频率的影响极小，金属臂的长度决定了谐振频率发生的位置，金属臂的个数直接决定了谐振吸收峰的个数。
优选的，所述超材料层的每层结构中可添加不同的外加电压，可以实现不同的费米能级，进而影响不同层金属臂谐振产生的吸收谐振发生的频率点，实现对谐振吸收峰的实时单独调谐作用。
优选的，所述超材料层中金属臂的排列方式，有两种：一种为金属臂横向平行排列，可实现多频吸收器。一种为金属臂纵向平行排列，可实现超宽带吸收器。通过控制金属臂长度可改变吸收带宽，当金属臂长度差值较大时可实现双宽带吸收器；通过调整每层超材料结构中石墨烯层费米能级来实现对超宽带吸收器吸收宽带的实时调谐。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器具有以下有益效果：通过将石墨烯材料引入到超材料吸收器结构中，利用在石墨烯层添加外加电压的方式来实时调谐石墨烯材料的电磁特性，因而实现对吸收器吸波性能的实时调谐。当金属臂纵向平行排列时，通过控制单元结构中金属臂个数和石墨烯-金属超材料层数，可以实现对频带个数的增减；调整每层石墨烯费米能级，可实现对多频吸收带的单独调节作用。改变金属臂的放置方式为横向平行排列，可实现超宽带吸收效果，吸收带宽(50％以上吸收率)最高可达11.8THz；同时，改变各个金属臂长度间距，可实现双宽带吸波器，两吸收带宽分别为3.1THz和5.1THz。
应当理解，前面的一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，而不是用于限制本公开。
本申请文件提供本公开中描述的技术的各种实现或示例的概述，并不是所公开技术的全部范围或所有特征的全面公开。
附图说明
图1为本发明超材料多频吸波器结构的三维示意图；
图2为本发明超材料多频吸波器结构的俯视图；
图3为本发明超材料超宽带吸波器结构的俯视图；
图4为本发明超材料多频吸波器结构的侧视图；
图5为本发明为P极化波入射情况下，两层超材料结构且每层超材料的单元结构只包含一个金属臂状况下，所构成的吸收器的吸收谱随下层石墨烯费米能级的变化情况的示意图；
图6为本发明为P极化波入射情况下，不同频带下吸收器的吸收谱的数据示意图；
图7为本发明中超宽带吸收器的吸收频谱示意图；
图8为本发明为双宽带吸收器的吸收频谱随石墨烯费米能级的变化情况示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-8，一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，包括金属衬底层和金属衬底层的顶部自下而上依次分布有介质绝缘层、超材料层和上金属电极，超材料层和上金属电极均由多层石墨烯-金属构成，超材料层由石墨烯和周期排列的金属单元结构组成，且超材料单元结构为长方形金属人工微结构，而超材料层为上下层结构，通过在超材料层的每层结构中添加不同的外加电压，可以实现不同的费米能级，超材料层的上下层结构中固定安装有处于同一中心线上的金属臂，且同层金属臂结构位于单元结构中心两侧，进一步说明的是，上层金属臂的长度小于下层金属臂长度，即“明模”元件。金属臂的宽度、单元结构周期大小对谐振频率的影响极小，而主要由金属臂的长度决定谐振频率发生的位置，因此金属臂的个数直接决定了谐振吸收峰的个数；同时，通过分别对不同超材料层中石墨烯外加电压的调谐，来改变金属臂谐振频率的发生位置，从而实现对各谐振吸收峰的实时单独实时调谐的目的。
超材料层中金属臂的排列方式可以分为以下两种：
1)一种为金属臂横向平行排列，可实现多频吸收器，通过控制金属臂长度可改变吸收带宽，当金属臂长度差值较大时可实现双宽带吸收器；
2)一种为金属臂纵向平行排列，可实现超宽带吸收器，通过调整每层超材料结构中石墨烯层费米能级来实现对超宽带吸收器吸收宽带的实时调谐。
综上所述，该基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，通过具体工作在中红外波段的双阻带吸收器的设计的实例并结合附图，从而对本发明作进一步的详细阐述：
工作频段：25THz-50THz
吸收率：90％以上
吸收带宽：11.8THz
结合图一的三维外观图，吸收器由两层石墨烯-金属超材料结构构成，且每层石墨烯-金属超材料的单元结构为一正方形结构，边长(周期)为5.2μm。单元结构中金属臂数量为2个，金属臂宽度均为0.5μm，厚度为0.075μm。金属电极层金属厚度为0.075μm；绝缘材料层的厚度为0.3μm；基底层(下层金属电极)为金属材料Au。
实施例一
当P极化波入射情况下，单层石墨烯-金属超材料的单元结构，吸收器吸收谱随下层石墨烯费米能级的变化情况，即图五中的数据变化，当只包含一个金属臂时上下两层金属臂长度分别为2.4μm、3.2μm，上层石墨烯费米能级保持0.15eV不变，下层石墨烯费米能级分别为0.15eV、0.3eV和0.6eV。不同于，传统的PIT效应也就是明模元件和暗模元件耦合效果，长金属条和短金属条都表现为明模元件，两吸收峰是两明模元件的简单合成效应。由图五中可以明显看到，随着下层石墨烯费米能级的不断增加，低阶吸收峰的位置发生蓝移，而高阶谐振频率保持在40.4THz不变。类似地，改变上层石墨烯费米能级的大小可以实现高阶谐振频率的蓝移。因而，通过单独调节每层石墨烯费米能级大小就可以实现对吸收器吸收峰的单独实时可调谐作用。
实施例二
当P极化波入射情况下，三频带吸收器和四频带吸收器的实现，石墨烯费米能级固定为0.15eV，即图六所示的数值变化。同时结合图四所示的双层超材料吸收器结构的基础上，继续增加超材料层的层数，可以获得更多吸收频带。黑色方块曲线为三频带吸收器的吸收谱，该吸收器由三层石墨烯-金属超材料结构构成，每层超材料单元结构只含有一个金属臂，上中下单层金属臂长度分别为：2.4μm、2.8μm、3.2μm，对应的三个频带的吸收峰频率分别为：39.4THz、31.8THz、28.6THz；不改变图四所示的超材料层的层数，当单元结构中金属条个数由1个增加到2个时，吸收频带增加为四频带，黑色圆点曲线为四频带吸收器的吸收谱。该吸收器由两层石墨烯-金属超材料结构构成，每层超材料单元结构含有两个金属臂，上层两金属臂长度分别为：2.2μm、2.4μm，下层金属臂长度分别为：3.2μm、3.6μm，对应的四个频带的吸收峰频率分别为：45.8THz、39.6THz、28.8THz、25.7THz。进一步增加金属条个数或者石墨烯-金属超材料层的个数，可获得更多频带吸收器。
实施例三
结合图七所示的吸收频带带宽随臂长变化情况，石墨烯费米能级固定为0.15eV。该结构由两层石墨烯-金属超材料结构构成，每层超材料单元结构包含两个横向排列的金属臂。上层两金属臂长度l1、l2分别为：2.7μm、3.05μm，下层金属臂长度l3、l4分别为：3.15μm、3.4μm；当金属臂l1的长度依次减少分别为：2.65μm、2.6μm、2.55μm时。通过对图七中的数据分析可以得知当吸收器宽带逐渐增加，吸收频带的平坦度依次减弱，而当金属臂长度为2.55μm时，吸收器吸收率在50％以上宽带可达11.8THz。
实施例四
结合图八的双宽带吸收器的吸收频谱随石墨烯费米能级的变化情况。该结构由两层石墨烯-金属超材料结构构成，每层超材料单元结构包含两个横向排列的金属臂。上层两金属臂长度l1、l2分别为：2.25μm、2.5μm，下层金属臂长度l3、l4分别为：3.15μm、3.4μm。由于上层金属臂的长度和下层金属臂的长度差较大，上下两层金属臂分别对应的谐振频率相差较大，因而形成了两个单独的吸收宽带，带宽分别为3.1THz和5.1THz。固定上层石墨烯费米能级为0.15eV，下层石墨烯费米能级分别为0.15eV、0.3eV、0.6eV。由图八中的数据可以看到，随着石墨烯费米能级的增加，低频宽带逐渐发生蓝移，高频吸收宽带保持不变。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，包括金属衬底层和所述金属衬底层的顶部自下而上依次分布有介质绝缘层、超材料层和上金属电极，其特征在于：所述超材料层由石墨烯和周期排列的金属单元结构组成，且超材料单元结构为长方形金属人工微结构，所述超材料层为上下层结构，所述超材料层的上下层结构中固定安装有处于同一中心线上的金属臂，且同层金属臂结构位于单元结构中心两侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，其特征在于：所述金属臂分为上下两层结构，且上层金属臂的长度小于下层金属臂长度。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，其特征在于：所述超材料层的每层可添加不同的外加电压，用于所述超材料层实现不同的谐振吸收。
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