CN110289500B - 可调双频太赫兹吸收器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调双频太赫兹吸收器。它包括二硒化钨图案、二硒化钨线、金属电极、介质层和金属基底；二硒化钨图案、二硒化钨线和金属电极处于顶层，二硒化钨图案由四个样式相同但尺寸依次增大的十字图案以2×2阵列形式排列组成，每个十字图案由两个相同的椭圆同心十字交叉而成；十字图案通过二硒化钨线连接，十字图案被二硒化钨线分为两组，每组连接不同的金属电极，两组之间相互独立，二硒化钨图案的下层为介质层，介质层的下层为金属基底，金属电极和金属基底通过电压源相连。通过外加电场调节二硒化钨的费米能级，从而改变吸收峰的中心频率和吸收效率，实现可调谐太赫兹波双频带吸收。本发明的可调双频太赫兹吸收器具有结构紧凑新颖、吸收率高、控制方法新颖原理简单等优点，可用于太赫兹波探测。

Description

可调双频太赫兹吸收器
技术领域
本发明涉及太赫兹波吸收器，尤其涉及一种可调双频太赫兹吸收器。
背景技术
近年来，作为连接电磁波谱上发展已相当成熟的毫米波和红外光之间的太赫兹波无疑是一个崭新的研究领域，其在各方面都潜藏着巨大的价值。太赫兹波频率0.1～10THz，相应波长为0.03mm～3mm。长期以来，由于缺乏有效的太赫兹波产生和检测方法，与传统的微波技术和光学技术相比较，人们对该波段电磁辐射性质的了解甚少，以至于该波段成为了电磁波谱中的太赫兹空隙。随着太赫兹辐射源和探测技术的突破，太赫兹独特的优越特性被发现并在材料科学、气体探测、生物和医学检测、通信等方面展示出巨大的应用前景。可以说太赫兹技术科学不仅是科学技术发展中的重要基础问题，又是新一代信息产业以及基础科学发展的重大需求。太赫兹系统主要由辐射源、探测器件和各种功能器件组成。太赫兹吸收器作为太赫兹探测器的重要部件，扮演着十分重要的角色。
当前国内外研究的太赫兹波吸收器主要是通过设计不同的几何形态和尺寸参数的金属微结构实现对太赫兹波的吸收，器件一旦确定其吸收功能并不可调，这样就制约了吸收器的应用，而且成本较高。所以设计一种能灵活可调谐的太赫兹波吸收器具有十分重要的意义。针对上述太赫兹波吸收器存在的问题，本发明提出了一种偏置电压来调节吸收峰频率的吸收器，其控制方法新颖、结构简单紧凑、成本低。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提供一种双频可调控吸收器。本发明所采用的具体技术方案如下：
一种可调双频太赫兹吸收器，它包括N×N个周期排列的单元结构，N为自然数；每个单元结构包括二硒化钨图案、二硒化钨线、金属电极、介质层和金属基底；二硒化钨图案、二硒化钨线和金属电极均处于顶层；所述的二硒化钨图案由四个样式相同但尺寸依次增大的十字图案以2×2阵列形式排列组成，每个十字图案由两个相同的椭圆同心十字交叉而成；每个二硒化钨图案中的四个十字图案被分为两组，第一行的两个十字图案作为一组，通过二硒化钨线串联并连接一侧的金属电极，第二行的两个十字图案作为另一组，通过二硒化钨线串联并连接另一侧的金属电极，两组之间相互独立；二硒化钨图案的下层为介质层，介质层的下层为金属基底，每个金属电极和金属基底通过电压源相连，通过改变电压调节二硒化钨的费米能级，实现太赫兹波吸收峰的调谐。
上述方案中的各部件具体参数可采用如下优选方式：
所述的二硒化钨图案的结构材料为二硒化钨，第一个十字图案中椭圆长轴为10μm，短轴为4μm；第二个十字图案中椭圆长轴为11.5μm，短轴为4.6μm；第三个十字图案中椭圆长轴为13μm，短轴为5.2μm；第四个十字图案中椭圆长轴为14.5μm，短轴为5.8μm；每个十字图案厚度均为1nm。
所述的二硒化钨线的材料为二硒化钨，二硒化钨线的宽度为1μm，厚度为0.34nm。
所述的两侧金属电极的长度和宽度均为59.5μm～60.5μm，厚度为1μm。
所述的介质层的材料为聚酰亚胺，长度和宽度均为59.5μm～60.5μm，厚度为45μm。
所述的金属基底的材料为金，长度和宽度均为59.5μm～60.5μm，厚度为10μm。
所述两侧金属电极与金属基底之间的电压分别独立可调。
所述二硒化钨线沿每一行十字图案的椭圆长轴方向水平铺设。
本发明的可调双频太赫兹吸收器具有结构紧凑新颖、吸收率高、控制方法新颖、原理简单等优点，可用于太赫兹波探测。
附图说明
图1是一种可调双频太赫兹吸收器单元结构俯视图；
图2是一种可调双频太赫兹吸收器单元结构侧视图；
图3是一种可调双频太赫兹吸收器4×4阵列俯视图；
图4是一种可调双频太赫兹吸收器在费米能级Eg1＝0.3eV、Eg2＝0.4eV时性能曲线图；
图5是一种可调双频太赫兹吸收器在费米能级Eg1＝0.5eV、Eg2＝0.6eV时性能曲线图；
图6是一种可调双频太赫兹吸收器在费米能级Eg1＝0.3eV、Eg2＝0.4eV时电场图；
图7是一种可调双频太赫兹吸收器在费米能级Eg1＝0.5eV、Eg2＝0.6eV时电场图；
具体实施方式
如图1～3所示，一种可调双频太赫兹吸收器，它包括4×4个周期排列的单元结构。每个单元结构包括二硒化钨图案1、二硒化钨线2、金属电极3、介质层4和金属基底5；二硒化钨图案1、二硒化钨线2和金属电极3均处于顶层。二硒化钨图案1由四个样式相同但尺寸依次增大的十字图案以2×2阵列形式排列组成，从小到大依次为左上角(记为第一个)<右上角(记为第二个)<右下角(记为第三个)<左下角(记为第四个)。每个十字图案由两个相同的椭圆同心十字交叉而成。即两个椭圆得到长轴垂直交叉。每个二硒化钨图案1中的四个十字图案被分为两组，第一行的两个十字图案作为一组，通过二硒化钨线2串联并连接一侧的金属电极3，第二行的两个十字图案作为另一组，通过二硒化钨线2串联并连接另一侧的金属电极3，两组之间相互独立。当周期排列的单元结构有多个时，同一行相邻单元结构的同一组十字图案可以一并串联连接一个金属电极3，另一组十字图案也可以一并串联连接另一个金属电极3。因此，需要注意的是，图1单元结构俯视图为图3中4×4阵列俯视图的中间部分单元结构，由于其需要与两侧的单元进行串联，因此同一行的两个十字图案两端均设有二硒化钨线2。但对于4×4阵列中左右侧边的两列单元结构，其二硒化钨线2需要根据具体情况稍作调整，即：左侧一列单元结构调整为左下角第四个十字图案左端没有二硒化钨线；右侧一列单元结构调整为右上角第二个十字图案右端没有二硒化钨线。二硒化钨图案1的下层为介质层4，介质层4的下层为金属基底5，每个金属电极3和金属基底5通过电压源相连，通过改变电压调节二硒化钨的费米能级，实现太赫兹波吸收峰的调谐。不同金属电极3与金属基底5之间可连接不同的电压源，使得金属电极3与金属基底5之间的电压分别独立可调。
在该可调双频太赫兹吸收器中，各部件的材料和参数可采用如下方式：所述的二硒化钨图案1的结构材料为二硒化钨，第一个十字图案中椭圆长轴为10μm，短轴为4μm；第二个十字图案中椭圆长轴为11.5μm，短轴为4.6μm；第三个十字图案中椭圆长轴为13μm，短轴为5.2μm；第四个十字图案中椭圆长轴为14.5μm，短轴为5.8μm；每个十字图案厚度均为1nm。所述的二硒化钨线2的材料为二硒化钨，二硒化钨线2的长度为45μm～46μm，宽度为1μm，厚度为0.34nm。所述的两侧金属电极3的长度和宽度均为59.5μm～60.5μm，厚度为1μm，金属电极3贴着单元结构侧壁设置。所述的介质层4的材料为聚酰亚胺，长度和宽度均为59.5μm～60.5μm，厚度为45μm。所述的金属基底5的材料为金，长度和宽度均为59.5μm～60.5μm，厚度为10μm。二硒化钨线2沿每一行十字图案的椭圆长轴方向水平铺设。
下面基于该可调双频太赫兹吸收器，通过实施例说明其具体技术效果。
实施例1
本实施例中，可调双频太赫兹吸收器的结构和各部件形状如上所述，因此不再赘述。但各部件的具体参数如下：二硒化钨图案中的结构材料为二硒化钨，第一个十字图案中椭圆长轴为10μm，短轴为4μm；第二个十字图案中椭圆长轴为11.5μm，短轴为4.6μm；第三个十字图案中椭圆长轴为13μm，短轴为5.2μm；第四个十字图案中椭圆长轴为14.5μm，短轴为5.8μm；每个十字图案厚度均为1nm。所述的二硒化钨线的材料为二硒化钨，二硒化钨线的长度为46μm，宽度为1μm，厚度为0.34nm。两侧的金属电极的长度和宽度均为60μm，厚度均为1μm。所述的介质层的材料为聚酰亚胺，长度和宽度均为60μm，厚度为45μm。所述的金属基底的材料为金，长度和宽度均为60μm，厚度为10μm。该可调双频太赫兹吸收器中，通过改变电压实现调节二硒化钨的费米能级，从而在吸收峰处实现高吸收率；通过调节二硒化钨层的费米能级，实现太赫兹波吸收峰的调谐。该可调双频太赫兹吸收器的各项性能指标均采用CST软件进行仿真获取。图4和图5为可调双频太赫兹吸收器的性能曲线图，图6和图7为可调双频太赫兹吸收器的电场图，可以看到，当第一个和第二个二硒化钨图案的费米能级Eg1＝0.3eV，第三个和第四个二硒化钨图案的费米能级Eg2＝0.4eV时，太赫兹吸收器的吸收峰位分别位于4.21THz和4.85THz处，太赫兹吸收率分别达到0.989和0.998；当第一个和第二个二硒化钨图案的费米能级变化为Eg1＝0.5eV，同时第三个和第四个二硒化钨图案的费米能级变化为Eg2＝0.6eV时，此时太赫兹吸收器的吸收峰变化为4.29THz和4.91THz，太赫兹吸收率分别为0.988和0.999。通过改变二硒化钨图案的费米能级实现对太赫兹波吸收峰的吸收系数和中心频率的有效调谐。

Claims (3)

1.一种可调双频太赫兹吸收器，其特征在于它包括N×N个周期排列的单元结构，N为自然数；每个单元结构包括二硒化钨图案（1）、二硒化钨线（2）、金属电极（3）、介质层（4）和金属基底（5）；二硒化钨图案（1）、二硒化钨线（2）和金属电极（3）均处于顶层；所述的二硒化钨图案（1）由四个样式相同但尺寸依次增大的十字图案以2×2阵列形式排列组成，每个十字图案由两个相同的椭圆同心十字交叉而成；每个二硒化钨图案（1）中的四个十字图案被分为两组，第一行的两个十字图案作为一组，通过二硒化钨线（2）串联并连接一侧的金属电极（3），第二行的两个十字图案作为另一组，通过二硒化钨线（2）串联并连接另一侧的金属电极（3），两组之间相互独立；二硒化钨图案（1）的下层为介质层（4），介质层（4）的下层为金属基底（5），每个金属电极（3）和金属基底（5）通过电压源相连，通过改变电压调节二硒化钨的费米能级，实现太赫兹波吸收峰的调谐；
所述的二硒化钨图案（1）的结构材料为二硒化钨，第一个十字图案中椭圆长轴为10μm，短轴为4μm；第二个十字图案中椭圆长轴为11.5μm，短轴为4.6μm；第三个十字图案中椭圆长轴为13μm，短轴为5.2μm；第四个十字图案中椭圆长轴为14.5μm，短轴为5.8μm；每个十字图案厚度均为1nm；
所述的二硒化钨线（2）的材料为二硒化钨，二硒化钨线（2）的宽度为1μm，厚度为0.34nm；
所述的两侧金属电极（3）的长度和宽度均为60μm，厚度为1μm；
所述的介质层（4）的材料为聚酰亚胺，长度和宽度均为60μm，厚度为45μm；
所述的金属基底（5）的材料为金，长度和宽度均为60μm，厚度为10μm。
2.根据权利要求1所述的一种可调双频太赫兹吸收器，其特征在于所述两侧金属电极（3）与金属基底（5）之间的电压分别独立可调。
3.根据权利要求1所述的一种可调双频太赫兹吸收器，其特征在于所述二硒化钨线（2）沿每一行十字图案的椭圆长轴方向水平铺设。
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