CN111525272B - 基于三“飞镖”形石墨烯的宽带太赫兹吸波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的是一种三“飞镖”形石墨烯的宽带太赫兹吸波器。该吸波器由多个吸波单元组成，其主要结构包括底层的金属板(1)，二氧化硅介质层(2)，和三“飞镖”形石墨烯层(3)。通过多层石墨烯和介质层之间的相互作用形成一个对太赫兹波有良好吸收性能的宽带吸波器，并且可以在吸波器上施加电压改变石墨烯层的费米能级，实现吸收频率可调节。本发明具有极化不敏感，吸收效果好等优点，吸收效率在90％以上的带宽达到2.2THz左右，具有十分广阔的应用前景。

Description

基于三“飞镖”形石墨烯的宽带太赫兹吸波器
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于三“飞镖”形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，属于太赫兹超材料吸波领域。
(二)背景技术
近年来，太赫兹频带已经成为最有趣的平台之一，因为它在光谱学，医学成像，调制器，安全性和通信中具有广泛的应用。太赫兹吸收器是一个重要的分支，可以在上述领域找到实际应用。然而，吸收器的窄带宽，低吸收效率和不可调节的吸收性能极大地限制了它们在实践中的应用。为了更好地扩展太赫兹吸收器的应用，迫切需要更多的新设备和材料。石墨烯作为具有蜂窝晶格结构的二维材料，由于其电导率的可调节性受到电场，磁场，栅极电压和化学掺杂的控制，已成为最有前途的材料之一。特别地，石墨烯可以支持太赫兹范围内的表面等离子体激元。
本发明通过设计新的超表面吸波器具有强吸收，偏振不敏感，厚度薄，吸收带宽大等优势。由于石墨烯的费米能级可调性，能实现对吸收带宽的调节，可满足对太赫兹吸收方面的要求。
(三)发明内容
本发明设计了一种基于三“飞镖”形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，提供了一种极化不敏感，吸收效率高的宽带吸波器，吸收效率在90％以上的带宽为2.2THz，从3.92THz到6.12THz。
本发明的目的是这样实现的：
该吸波器由多个吸波单元组成，其主要结构包括底层的金属板(1)，二氧化硅介质层(2)，和三“飞镖”形石墨烯层(3)，三者之间相互贴合。所属底层金属膜(1)是金膜，三“飞镖”形石墨烯(3)是在每层“飞镖”形石墨烯之间加介质硅组合而成。
作为优选，吸波单元周期为P＝20000nm。
作为优选，金膜厚度为h1＝600nm，二氧化硅厚度为h2＝3000nm。
作为优选，三“飞镖”形石墨烯从下往上第一二层石墨烯之间的硅的厚度h3＝1000nm，二三层之间的硅厚度h4＝850nm。。
作为优选，从下往上第一层“飞镖”形石墨烯薄膜的每个镖尖均由半径R1＝8000nm，圆心为(0,8000),(8000,0),(0,-8000),(-8000,0)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＝5550nm。
作为优选，三层“飞镖”形石墨烯的形状相同，大小不同。从下往上第二层石墨烯的大小是第一层的0.8倍，第三层是第一层的0.6倍，其厚度均为0.34nm。
作为优选，石墨烯费米能级设为0.7eV。
(四)附图说明
图1是基于三“飞镖”形石墨烯的宽带太赫兹吸波器三维结构示意图。
图2是基于三“飞镖”形石墨烯的宽带太赫兹吸波器的俯视图。
图3是石墨烯的费米能级为0.7eV时，吸波器的吸收曲线图。
图4是改变石墨烯的费米能级0.6～0.9eV时的吸收曲线图。
图5是石墨烯的费米能级为0.7eV时，该吸波器对TE、TM波的吸收曲线图。
(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。
如图1、2所示，本发明提出的基于三“飞镖”形石墨烯的宽带太赫兹吸波器。该器件由多个吸波单元组成，其主要结构包括底层的金属板(1)，二氧化硅介质层(2)，和三“飞镖”形石墨烯层(3)，三者之间相互贴合。所属底层金属膜(1)是金膜，三“飞镖”形石墨烯(3)是在每层“飞镖”形石墨烯之间加介质硅组合而成。所述吸波单元的几何中心在一条直线上。
作为实施例，每个吸波单元结构尺寸如下：晶格周期为P＝20000nm，金膜厚度为h1＝600nm，二氧化硅厚度为h2＝3000nm。，三“飞镖”形石墨烯从下往上数，第一二层石墨烯之间的硅的厚度h3＝1000nm，二三层之间的厚度h4＝850nm。从下往上第一层“飞镖”形石墨烯薄膜的每个镖尖均由半径R1＝8000nm，圆心为(0,8000),(8000,0),(0,-8000),(-8000,0)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＝5550nm。三层“飞镖”形石墨烯的形状相同，大小不同。从下往上第二层石墨烯的大小是第一层的0.8倍，第三层是第一层的0.6倍，其厚度均为0.34nm。石墨烯的费米能级设为0.7eV。
关于吸收率，由公式A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)计算得到，其中R(ω)、T(ω)分别为反射率和透射率。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T(ω)＝0，故吸收率公式可简化为A(ω)＝1-R(ω)。
本实施例在电磁波正入射下的吸波情况如图四所示，该仿真结果由CSTMicrowave Studio 2019软件计算得到。通过调节外部电压使得石墨烯的化学势为0.7eV，在图3可以看到从3.92THz到6.12THz吸收效率都在90％以上，带宽达到2.2THz。

Claims (3)

1.基于三“飞镖”形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，其特征在于：该吸波器由多个吸波单元组成，自下而上依次为：底层金属膜，损耗介质层和三“飞镖”形石墨烯，其中三“飞镖”形石墨烯是由三层石墨烯中间加介质硅组合而成；从下往上三“飞镖”形石墨烯的第一层的每个镖尖均由半径R1＝8000nm，圆心为(0,8000),(8000,0),(0,-8000),(-8000,0)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＝5550nm；三层“飞镖”形石墨烯的形状相同，大小不同，从下往上第二层石墨烯的大小是第一层的0.8倍，第三层石墨烯的大小是第一层的0.6倍，其厚度均为0.34nm；在石墨烯费米能级为0.7eV时，该吸波器可在太赫兹范围内实现2.2THz的宽带吸收，调节石墨烯的费米能级可实现不同的宽带吸收效果。
2.根据权利要求1所述的基于三“飞镖”形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，其特征在于：周期P＝20000nm，底层金属板是厚度h1＝600nm的金膜，损耗介质是厚度h2＝3000nm的二氧化硅。
3.根据权利要求1所述的基于三“飞镖”形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，其特征在于：三“飞镖”形石墨烯是由三层“飞镖”形石墨烯中间加介质硅组合而成，从下往上一二层石墨烯之间的厚度h3＝1000nm，二三层之间的厚度h4＝850nm。
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