CN111446551A - 一种基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器 - Google Patents

一种基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器。该吸波器从下到上依次为第一层金属、第二层电介质和顶部第三层周期性图案化的单层石墨烯。其中金属层采用金，中间介质层为二氧化硅。三层材料之间的相互作用形成一个对太赫兹波具有近乎完美吸收效果的多频带吸波器。该吸波器具有强吸收、偏振不敏感、结构简单、便于加工等优势，由于石墨烯的费米能级可调性，可以实现吸波器谐振频率的动态可调的性能，可满足对太赫兹吸收方面应用的要求。

Description

一种基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器，属于微纳光电子学领域。
(二)背景技术
随着计算机的发展，电磁辐射充斥人们周围，促使研究学者加深新型吸波材料的研究。超构表面(Metasurface)是一种由单元结构组成的超薄二维平面阵列,超构表面属于二维的超构材料，是超构材料重要的研究方向。与超构材料相比，超构表面具有很多的优点，比如结构简单、体积小、易于集成制造等。电磁波的幅度、相位、偏振状态能够通过超表面结构灵活的控制，基于超构表面的这些优势，促使超构表面成为近些年来的热门研究。石墨烯是由单层碳原子构成的材料，具有其独特的电磁特性。在红外频段和太赫兹频段，电磁波在石墨烯中传输比在金属中传输的损耗更小。通过外加偏置电压、电磁场以及化学掺杂等方式可以改变石墨烯材料的化学势，相当于改变了石墨烯的电导率，最终实现对器件的工作频率动态调节，如集成光电子器件通过对超表面单元结构的精心设计。基于电磁超表面的吸波器一经提出，由于其相比于传统吸波器，利用超表面的局域强电磁耦合谐振，主要依靠电损耗和磁损耗实现完美吸波，造就其结构简单、吸收效率高、质量轻薄等显著优势。
通过对石墨烯超表面结构的精心设计，我们可以制作出多频带可调的石墨烯超表面吸波器，并非由传统吸波器为了使得入射到结构表面的电磁波能够无反射，全部以透射波的形式向前传播进入到结构内部，并且能够以任何形式的能量将其吸收的特点。多频带可调的石墨烯超表面吸波器在更多的实际生产生活中提供了更高的利用价值。比如射频识别技术、隐身技术、电磁防护、电磁兼容与屏蔽等。
(三)发明内容
本发明的目的在于提出一种结构简单、吸收率高的基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器。
本发明的目的是这样实现的：
该吸波器从下到上依次为第一层金属、第二层电介质和顶部第三层周期性图案化的单层石墨烯。其中金属层采用金或银等导体，中间介质层使用二氧化硅。通过三层材料之间的相互作用形成一个对太赫兹波吸收较大的多频带吸波器。第一层金属层是电导率为4.56×107s/m的金膜，厚度D1＝600nm。第二层电介质层是二氧化硅，厚度D2＝3000nm；第三层周期性图案化的石墨烯厚度D3＝0.34nm。金膜和二氧化硅的边长都是20um。顶层周期性图案化的石墨烯的图案由四叶草形状和一个中心圆取并集后得到，其中：四叶草的四个叶子由半径R1＝6000nm，圆心分别为(0,6000),(6000,0),(0,-6000),(-6000,0)的四个圆相交而成，分散在与x轴成正负45°的方向上，中心圆半径R2＝4550nm。
在频率为1THz～10THz的电磁波工作带宽内，研究石墨烯超表面不同形状尺寸的孔径结构的电磁特性，通过对结构单元的设计，找出多个可以响应不同频率波段的结构，从而实现对不同频率的入射电磁波进行调制；通过扫描参数得出最优化吸波器结构，根据传输线理论，通过介质层进行阻抗变换来实现阻抗匹配；确定最优参数结构的吸波器，根据从吸波率、阻抗匹配、衰减特性所阐述的吸波器物理机制，得出此吸波器的吸收率接近100％。
(四)附图说明
图1是该吸波器的三维结构示意图。
图2是该吸波器的俯视图及参数。
图3是该吸波器的侧视图及参数。
图4是石墨烯的费米能级为0.9eV时，吸波器的吸收曲线图。
图5是改变石墨烯的费米能级0.6～0.9eV时的吸收曲线图。
图6是该吸波器对TE、TM波的吸收曲线图。以上图片中含有：R1＝6000nm；R2＝4550nm；D1＝600nm；D2＝3000nm；D3＝0.34nm；P＝20um。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
一种基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器，具体包括以下步骤：
此吸波器包括三层结构，在频率为1THz～10THz的电磁波工作带宽内，研究石墨烯超表面不同形状尺寸的孔径结构的电磁特性，通过对结构单元的设计，找出多个可以响应不同频率波段的结构，从而实现对不同频率的入射电磁波进行调制。如附图1所示，此结构一共包含三层，从上往下分别是：四叶草形和圆形取并集得到的图案化单层石墨烯,其厚度D3＝0.34nm、厚度为D2＝3000nm的二氧化硅介质层和厚度D1＝600nm，电导率为4.56×107s/m的金膜。
上层图案化的石墨烯具体参数为：中心圆半径R2＝4550nm，四叶草的四个叶子分别由半径R1＝6000nm，圆心为(0,6000),(6000,0),(0,-6000),(-6000,0)的四个圆相交而成，分散在与x轴成正负45°的方向上，最终把它们取并集得到。
设置仿真区域为1THz～10THz,石墨烯的费米能级设为0.9eV,弛豫时间为1ps。电磁波垂直入射到该吸波器，吸收效果如图4所示：在2.80THz、5.80THz、7.80THz、8.42THz和8.95THz五处出现了比较好的谐振频率点。石墨烯最重要的特性之一便是电可调性，因此我们分析了不同化学势下石墨烯对太赫兹波的吸收效果。由图5可以看出，当化学势从0.6eV变化到0.9eV时，波峰发生蓝移，吸波器的吸收效果越来越好。因此费米能级设为0.9eV是最佳选择，此时2.80THz和7.80THz两处谐振频率点吸收基本都达到100％，5.80THz、8.42THz、8.95THz两处谐振频率点吸收也在90％以上。由图6可以看出该吸波器极化不敏感，对X偏振或Y偏振波可以很好地吸收。
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分别为吸波器的反射系数和透射系数，S21也可以认为是材料对电磁波的损耗程度。
对于反射式吸波器而言，大于100nm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。即吸收率可以简化为：
A(ω)＝1-R(ω)＝1-|S11|2 (2)
在透射系数为零的情况下，要使得吸收率最大，通过增大折射率、介电常数以及磁导率虚部以减少反射率来实现。

Claims (4)

1.基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器，其特征在于：由一层金作为反射基底层、一层二氧化硅电介质层和周期性图案化的单层石墨烯构成。吸波器的周期P＝20um，当入射电磁波从顶部入射后，该三层结构的共同作用会对入射电磁波形成强烈吸收，得到五个效果较好的吸收峰，其中两个谐振点吸收率接近100％，其余的吸收率也在90％以上。
2.根据权利要求1所述的吸波器，其特征在于：反射基底是电导率为4.56×107s/m的金膜，厚度D1＝600nm。电介质层是二氧化硅，厚度D2＝3000nm；周期性图案化的石墨烯厚度D3＝0.34nm。金膜和二氧化硅的边长都是P＝20um。
3.根据权利要求1所述的吸波器，其特征在于：顶层周期性图案化的石墨烯的图案由四叶草形状和一个中心圆取并集后得到。四叶草的四片叶子分别由半径R1＝6000nm，圆心为(0,6000),(6000,0),(0,-6000),(-6000,0)的四个圆相交而成，分散在与x轴成正负45°的方向上，中心圆半径R2＝4550nm。
4.根据权利要求1所述的吸波器，其特征在于：在频率为1THz～10THz的电磁波工作带宽内，在2.80THz、5.80THz、7.80THz、8.42THz和8.95THz五处出现了比较好的谐振频率点。其中2.80THz和7.80THz两处谐振频率点吸收都达到100％，5.80THz、8.42THz、8.95THz两处谐振频率点吸收也都在90％以上。
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