CN110471137B - 一种双频段红外吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双频段红外吸波器，包括金衬底层、层叠于金衬底层表面的二氧化硅层以及设置于二氧化硅层表面的多个阵列设置的吸波模块，所述吸波模块具有四组吸波单元，所述吸波单元均包括设置于二氧化硅层表面的黑磷层和设置于黑磷层上方的石墨烯层，所述黑磷层和石墨烯层之间填充有hBN介质层，所述黑磷层和石墨烯层均是以长轴为中心对切而成的半椭圆形，所述黑磷层和石墨烯层垂直投影于二氧化硅层表面的投影面相重合；四组吸波单元以半椭圆形的长轴为外边共同组成“口”字形结构的吸波模块。该双频段红外吸波器具有各向异性；可通过化学掺杂的方法，对两个吸收带进行调谐；不依赖于入射红外光的入射角度；易于加工的特点。
Description
技术领域
本发明涉及红外吸波领域，具体涉及一种基于半椭圆形结构的黑磷层/石墨烯层的双频段红外吸波器。
背景技术
传统吸波材料包括导电纤维、碳化硅、金属铁粉等，具有吸收强的特点，但往往具有较大的体积。而超材料吸波器由于其自身的亚波长结构，可以克服上述问题，成为近年来研究的热点。目前常见的超材料吸波器通常由金属超表面构成，例如金、银、铜、铝等。利用入射电磁波在这些材料中产生的表面等离子激元效应，可以对入射电磁波实现有效的吸收，甚至达到完美吸收的效果。然而，由于金属材料固有的特性，基于金属的超材料吸波器只能通过改变结构的几何尺寸来实现吸波频段的调谐，这不利于大规模生产各种工作频段的吸波器。
通过引入石墨烯、黑磷等二维材料，可以克服上述问题。基于石墨烯或黑磷的超材料吸波器，可以通过化学掺杂的方式改变材料的载流子浓度，从而对吸波频段进行有效的调谐。然而，现有的红外吸波器往往不具备各向异性，或者通常只具有单一的吸收频段，而且由于其超表面结构形貌较复杂，不利于大规模加工生产。
发明内容
为此，本发明提供一种基于半椭圆形结构的黑磷层/石墨烯层的双频段红外吸波器，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种双频段红外吸波器，包括金衬底层、层叠于金衬底层表面的二氧化硅层以及设置于二氧化硅层表面的多个阵列设置的吸波模块，所述吸波模块具有四组吸波单元，所述吸波单元均包括设置于二氧化硅层表面的黑磷层和设置于黑磷层上方的石墨烯层，所述黑磷层和石墨烯层之间填充有hBN(六方氮化硼)介质层，所述黑磷层和石墨烯层均是以长轴为中心对切而成的半椭圆形，所述黑磷层和石墨烯层垂直投影于二氧化硅层表面的投影面相重合；四组吸波单元以半椭圆形的长轴为外边共同组成“口”字形结构的吸波模块。
进一步的，相邻吸波模块的吸波单元的长轴外边相对接。
进一步的，所述黑磷层和石墨烯层的厚度为0.35-1nm。
进一步的，所述黑磷层和石墨烯层的长轴尺寸为80-120nm，短轴尺寸为42-72nm。
进一步的，填充于黑磷层和石墨烯层之间的hBN介质层的厚度为5nm-20nm。
进一步的，所述hBN介质层还延伸铺设于二氧化硅层的表面。
进一步的，所述二氧化硅层的厚度为1-1.6μm。
进一步的，所述金衬底层的厚度为2.8-5.2μm。
进一步的，所述金衬底层/二氧化硅层/黑磷层/hBN介质层/石墨烯层的总厚度为4.3-7.2μm。
通过本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
1，本发明在结构上，采用半椭圆形的吸波单元(黑磷层/石墨烯层)互成90°放置的结构(即组合形成“口”字形结构的吸波模块)，比现有只采用单一材料的吸波器具有更好的各向异性和吸收率，且由于半椭圆形结构易于加工，无需复杂的制备技术。
2，本发明在功能上，具有两个吸收频段，且可以通过改变半椭圆形的黑磷层/石墨烯层的长轴或短轴从而独立地对两个吸收频段进行调谐；
3，本发明在功能上，由于引入石墨烯和黑磷材料，因此可以通过改变石墨烯或黑磷的载流子掺杂浓度从而对吸收频段进行调谐；
4，本发明在性能上，不依赖于入射红外光的入射角度，因此对于斜入射的红外光依然具有较好的吸收率。
附图说明
图1所示为实施例中双频段红外吸波器的部分立体结构示意图；
图2所示为实施例中双频段红外吸波器中单个吸波模块的侧视图；
图3所示为实施例中双频段红外吸波器中单个吸波模块的俯视图；
图4所示为实施例中双频段红外吸波器在不同短轴尺寸a下的仿真吸收率曲线图；
图5所示为实施例中双频段红外吸波器在不同长轴尺寸b下的仿真吸收率曲线图；
图6所示为实施例中在横电波下不同石墨烯化学势的仿真吸收率曲线图；
图7所示为实施例中在横电波下不同黑磷载流子浓度的仿真吸收率曲线图；
图8所示为实施例中在横电波下不同入射角的仿真吸收率曲线图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一
参照图1至图3所示，本实施例提供的一种双频段红外吸波器，包括金衬底层3、层叠于金衬底层3表面的二氧化硅层2以及设置于二氧化硅层2表面的多个阵列设置的吸波模块，所述吸波模块均具有四组吸波单元，所述吸波单元均包括设置于二氧化硅层2表面的黑磷层5和设置于黑磷层5上方的石墨烯层4，所述黑磷层5和石墨烯层4之间填充有hBN(六方氮化硼)介质层1，所述黑磷层5和石墨烯层4均是以长轴为中心对切而成的半椭圆形，所述黑磷层5和石墨烯层4在垂直投影于二氧化硅层2表面的投影面相重合，即黑磷层5和石墨烯层4的尺寸和位置均相重合；四组吸波单元以半椭圆形的长轴为外边共同组成“口”字形结构的吸波模块，即相邻吸波单元的长轴相垂直设置，而组成“口”字形结构，其短半轴朝内延伸设置，具体如图3所示。该半椭圆形结构易于加工，无需复杂的制备技术，易实现大规模加工生产。
如图1所示，公开了双频段红外吸波器部分立体结构示意图，即公开了二个吸波模块的结构，相邻吸波模块的吸波单元的长轴外边相对接，二个吸波模块中，各有一个吸波单元的长轴外边相对设置，并相接，形成一个完整的椭圆结构，如图1中所示由二个吸波模块的其中一个吸波单元以长轴外边相对接形成的完整的椭圆结构41；同理，在多个阵列设置的吸波模块中，相邻吸波模块(如上下相邻和左右相邻)的相对接的二个半椭圆形共同组成完整的椭圆结构41。在制备时，该椭圆结构41可直接制备成椭圆形，无需分别制备两个半椭圆形的结构，提高效率。即相当于多个完整的椭圆结构41的长轴分别沿X轴和Y轴阵列设置，形成网格状图形。
进一步的，本实施例中，所述hBN介质层1还延伸铺设于二氧化硅层2的表面。在进行制备时，先将黑磷层5铺设于二氧化硅层2表面，然后在最表层(即黑磷层5表面和裸露的二氧化硅层2表面)铺设hBN介质层1，最后在hBN介质层1表面正对黑磷层5的位置铺设相同尺寸的石墨烯层4。制程简便，不需要再对hBN介质层1进行制备图形。当然的，在其他实施例中，hBN介质层1也可以只填充在黑磷层5和石墨烯层4之间。
进一步的，本实施例中，所述金衬底层3/二氧化硅层2/黑磷层5/hBN介质层1/石墨烯层4的总厚度优选为4.3-7.2μm。能够实现很好的效果，且节省材质成本。
具体的，本实施例中，金衬底层3厚度为5μm，二氧化硅层2厚度为1.35μm，hBN介质层1厚度为5nm，石墨烯层4和黑磷层5的厚度均为0.5nm。所述黑磷层5和石墨烯层4的长轴尺寸为80-120nm，短轴尺寸为42-72nm，即短半轴的尺寸为21-36nm。
当红外光垂直入射时，且在横电波(TE polarization)和横磁波(TMpolarization)的入射下，表现出不同的吸收谱特性，具有较好的各向异性，且均具有左右二个吸收带(即具有二个吸收率(absorption)较高的波峰)，吸收率多数在90％-100％之间，具有较好的吸收率。通过改变椭圆形短轴尺寸和长轴尺寸，经过仿真计算分别可以得到如图4和图5所示的吸收谱曲线。
如图4所示，通过改变石墨烯层4和黑磷层5的短轴尺寸a，具体的，石墨烯层4和黑磷层5的短轴尺寸a分别在42nm、52nm和62nm时，右边的吸收带几乎保持不变，左边吸收带可以被独立的调谐，即横电波(TE polarization)入射下，右边的吸收带保持在12-16μm区间，左边吸收带具有三段区间间隔较大的独立吸收带；横磁波(TM polarization)入射下，右边的吸收带保持在14-18μm区间，左边吸收带具有三段区间间隔较大的独立吸收带。
如图5所示，通过改变石墨烯层4和黑磷层5的长轴尺寸b，具体的，石墨烯层4和黑磷层5的长轴尺寸b分别在80nm、90nm和100nm时，左边的吸收带几乎保持不变，右边吸收带可以被独立的调谐，即横电波(TE polarization)入射下，左边的吸收带保持在8.5-9.5μm区间，右边吸收带具有三段区间间隔较大的独立吸收带；横磁波(TM polarization)入射下，左边的吸收带保持在9-10μm区间，右边吸收带具有三段区间间隔较大的独立吸收带。
由此可知，本发明的吸波器具有更好的各向异性和吸收率。
图6和图7是该发明在入射红外光为横电波(TE polarization)模式下不同化学掺杂的吸收率波形图。从图6可以看出，通过改变石墨烯层的化学势，可以对两个吸收带进行调谐，如图6所示，石墨烯层的化学势μc分别为0.4eV、0.6eV和0.8eV时，左右二个吸收带均改变；从图7可以看出，通过改变黑磷的载流子浓度ns，也可以对两个吸收带进行调谐，如图7所示，黑磷的载流子浓度ns分别为1.00×10-13cm-2、3.03×10-13cm-2和5.05×10-13cm-2时，左右二个吸收带均改变。因此，本发明不仅可以通过改变结构的几何尺寸来对吸收带进行调谐，还可通过化学掺杂的方法，对两个吸收带进行调谐。该方法可以不改变结构几何尺寸，从而更有利于大规模生产和加工。
图8是该发明在不同入射角度的横电波(TE polarization)红外光下的吸收率波形图，从中可以看出，改变红外光的入射角度θ，具体红外光的入射角度θ(是指与吸波器表面法线的夹角)分别为0°、24°和48°时，0°和24°时的吸收率(absorption)相当，48°时的吸收率略低，但左边吸收带的波峰值也有70％左右，右边吸收带的波峰值90％左右，对吸波器的性能并无太大影响，不依赖于入射红外光的入射角度，因此对于斜入射的红外光依然具有较好的吸收率，有利于吸波器在较宽范围的斜入射角度下使用。
其中，图4至图8中，横坐标为入射波波长λ(μm)，纵坐标是吸收率absorption(％)。
实施例二
本实施例提供的一种双频段红外吸波器，其结构与实施例一的结构大致相同，不同之处在于：本具体实施例中，金衬底层3厚度为2.8μm，二氧化硅层2厚度为1.6μm，hBN介质层1厚度为20nm，石墨烯层4和黑磷层5的厚度均为1nm。依照图6至图8的条件，其趋势与实施例一相同；在此不再一一列出。
实施例三
本实施例提供的一种双频段红外吸波器，其结构与实施例一的结构大致相同，不同之处在于：本具体实施例中，金衬底层3厚度为3.5μm，二氧化硅层2厚度为1μm，hBN介质层1厚度为12nm，石墨烯层4和黑磷层5的厚度均为0.35nm。依照图6至图8的条件，其趋势与实施例一相同；在此不再一一列出。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种双频段红外吸波器，其特征在于：包括金衬底层、层叠于金衬底层表面的二氧化硅层以及设置于二氧化硅层表面的多个阵列设置的吸波模块，所述吸波模块具有四组吸波单元，所述吸波单元均包括设置于二氧化硅层表面的黑磷层和设置于黑磷层上方的石墨烯层，所述黑磷层和石墨烯层之间填充有hBN介质层，所述黑磷层和石墨烯层均是以长轴为中心对切而成的半椭圆形，所述黑磷层和石墨烯层垂直投影于二氧化硅层表面的投影面相重合；四组吸波单元以半椭圆形的长轴为外边共同组成“口”字形结构的吸波模块；相邻吸波模块的吸波单元的长轴外边相对接。
2.根据权利要求1所述的双频段红外吸波器，其特征在于：所述黑磷层和石墨烯层的厚度为0.35-1nm。
3.根据权利要求1所述的双频段红外吸波器，其特征在于：所述黑磷层和石墨烯层的长轴尺寸为80-120nm，短轴尺寸为42-72nm。
4.根据权利要求1所述的双频段红外吸波器，其特征在于：填充于黑磷层和石墨烯层之间的hBN介质层的厚度为5nm-20nm。
5.根据权利要求1或4所述的双频段红外吸波器，其特征在于：所述hBN介质层还延伸铺设于二氧化硅层的表面。
6.根据权利要求1所述的双频段红外吸波器，其特征在于：所述二氧化硅层的厚度为1-1.6μm。
7.根据权利要求1所述的双频段红外吸波器，其特征在于：所述金衬底层的厚度为2.8-5.2μm。
8.根据权利要求1所述的双频段红外吸波器，其特征在于：所述金衬底层、二氧化硅层、黑磷层、hBN介质层和石墨烯层的总厚度为4.3-7.2μm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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