CN111082229A - 一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器 - Google Patents

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胡丹
王红燕
张进峰
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Abstract

一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器，涉及吸收器。呈三层结构，从下而上依次为金属层(1)、介质层(2)、石墨烯层(3)，三层结构之间相互贴合。所述金属层的材料为金或铜等良导体，金属层的厚度大于入射波的趋肤深度；所述介质层的材料为二氧化硅等绝缘体，介质层的厚度与吸波频段有关；所述石墨烯层由周期性单层石墨烯圆环结构组成。本发明具有可调、吸收率高、结构简单、易于加工、偏振不敏感等优势，满足在太赫兹波通信技术、探测、成像以及光电探测器等方面的应用要求。

Description

一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器。该吸收器结构能实现宽带吸收，宽带太赫兹波吸收率可调节、偏振不敏感的特性，可用于太赫兹探测，成像，隐身等方面。
背景技术
光吸收是光学领域的一个研究热点，特别是宽频带光吸收的研究更引起人们的关注，这是因为它在生物传感、军事隐身、光电探测器、光热转换等方面具有重要的应用前景。近年来，基于金属或介质超材料吸收器的设计已被广泛研究，但这些器件一旦制备出来，其吸收效率和吸收峰的位置就确定下来，这就不利于实际应用。如何实现可调谐的宽频带完美吸收器是该领域最热点的研究方向之一，因为它们在实际应用中具有很大的灵活性。目前，主要有两种方法设计可调谐的宽频带超材料完美吸收器。一种方法是将两个或多个具有不同尺寸的谐振器组合在一起构成超大单元。另一方法是堆栈具有不同几何尺寸的多层谐振器，所述的多层谐振器由具有适当厚度的介质层隔离。虽然宽带和可调谐吸收行为是非常理想的，但它们也面临着一些问题：结构单元尺寸大，器件制备工艺过程复杂。这些问题极大地阻碍了它们的实际应用。
本发明通过设计新的超材料吸收器具有宽带强吸收、偏振不敏感、厚度薄，单一结构、结构简单、便于加工等优势。另外，由于石墨烯的费米能级可调性，使得可以实现吸收器强度的动态可调的性能，可以满足对太赫兹吸收方面应用的要求。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器，具有宽带吸收，宽带电可调、大角度吸收、偏振不敏感的特点。
为实现上述目的，本发明的采用的技术方案是：
一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器，其特点在于：本发明呈三层结构，从下而上依次为金属层(1)、介质层(2)、石墨烯层(3)，三层结构之间相互贴合。所述金属层的材料为金或铜等良导体，金属层的厚度大于入射波的趋肤深度；所述介质层的材料为二氧化硅等绝缘体，介质层的厚度与吸波频段有关；所述石墨烯层由周期性单层石墨烯圆环结构组成。
本发明所述的有益效果是：
1.石墨烯层关于x轴和y轴对称，对于TE和TM波可以得到相同的吸收曲线，保证了结构的偏振不敏感性。
2.本发明的宽频带吸收器结构简单，仅用单层石墨烯便可实现宽频带吸收效果，在特定频带范围内吸收率不低于90％。
3.当入射角增大时，仍能保持良好的吸收效果。
4.吸收器采用二维周期型结构，结构简单紧凑，便于大规模集成。
5.本发明利用石墨烯的电可调性，可以实现宽带吸收率的动态可调特性。
附图说明
图1：本发明实施例的单元结构示意图。
图2：本发明实施例的顶层石墨烯俯视图。
图3：电磁波垂直入射下该吸收器的吸收曲线图。
图4：改变化学势0～0.9eV时吸收曲线图。
图1中，1：金属层；2：介质层；3：石墨烯层。金属层的长和宽为p＝35微米，厚度为tm＝0.2微米，介质层厚度为td＝25微米。
图2中，单层石墨烯圆环的内半径r＝5微米，外半径R＝26微米。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明设计了一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器，具体实施方式包括：
图1为基于石墨烯的宽频带吸收器的示意图。采用周期为p＝35微米，厚度为tm的金属层(1)作为反射基底，中间介质层(2)选用二氧化硅，顶层石墨烯层(3)为单层结构。所述金属层选用铜材料，这里金属的厚度应远大于其在太赫兹波段的趋肤深度，选择tm＝0.2微米为其厚度；所述介质层的材料为二氧化硅，选择td＝25微米为其厚度。
图2为顶层石墨烯图案，石墨烯圆环的内外半径分别为r＝5微米和R＝26微米。本发明设计的是一个在0.2～3THz的反射型吸收器。
石墨烯化学势取0.9eV，电磁仿真得到所述太赫兹吸收器的吸收曲线如图3所示，可见本发明吸收器对于太赫兹波具有较强的吸收特性，且可以宽频带吸收。
石墨烯最重要的性质之一就是电可调性，因此分析了石墨烯的化学势从0eV到0.9eV之间变化时，宽频带的吸收效率如图4所示，可以看到在0eV到0.9eV之间可以实现吸收率22％～100％的动态调谐。
关于吸收率的计算，当入射电磁波从自由空间入射至结构表面时，有一部分会直接被反射到自由空间形成反射波，剩余的部分以透射波形式入射至结构内部，一部分以欧姆损耗转换成热能或其它形式的能，一部分以透射波形式继续向前传播。因此，电磁波吸收率表达式为：A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)＝1-|S11|2-|S21|2 (1)
其中，R(ω)、T(ω)分别为反射率和透射率，S11、S21分别为吸收器的反射系数和透射系数。
对于反射式吸收器而言，0.2微米厚度的金属板的功能是阻止进入到结构的电磁波透射出去，因此S21＝0。此时的电磁波只需计算反射率和吸收率，而反射率为：
R(ω)＝|S11|2 (2)
即吸收率可以简化为：
A(ω)＝1-R(ω)＝1-|S11|2。(3)
本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例仅是用于举例和说明，而非意在将本发明局限于所描述的实施例范围内。此外本领域的技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (7)

1.一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器，其特征呈三层结构，从下而上依次为金属层(1)、介质层(2)、石墨烯层(3)，三层结构之间相互贴合。所述金属层的材料为金或铜等良导体，金属层的厚度大于入射波的趋肤深度；所述介质层的材料为二氧化硅等绝缘体，介质层的厚度与吸波频段有关；所述石墨烯层由周期性单层石墨烯圆环结构组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器，其特征在于：所述的周期结构正视图为正方形，正方形的边长为33微米～46微米。
3.根据权利要求1所述的一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器，其特征在于：所述的介质层(2)采用二氧化硅，厚度为22微米～28微米，相对介电常数为3.9。
4.根据权利要求1所述的一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器，其特征在于：所述的石墨烯圆环结构的内半径为2微米～7微米，外半径为12微米～18微米。
5.根据权利要求1所述的一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器，其特征在于：所述的石墨烯为单层原子排列结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器，其特征在于：所述的金属层(1)为在太赫兹波段电导率高损耗小的金属，厚度为0.2微米～500微米。
7.根据权利要求1所述的一种基于单圆环石墨烯的太赫兹宽带可调吸收器，其特征在于：所述的全金属薄膜(1)为金、铜、银或铝。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111817025A (zh) * 2020-09-03 2020-10-23 浙江科技学院 一种可调的石墨烯太赫兹频率选择器
CN111883936A (zh) * 2020-09-03 2020-11-03 浙江科技学院 基于超构材料的太赫兹电磁吸收器
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CN113764897A (zh) * 2021-09-01 2021-12-07 中国计量大学 基于单层石墨烯辅助超材料的宽带微波吸收器

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