CN111555038A - 一种可调谐太赫兹超材料吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可调谐太赫兹超材料吸收器，属于太赫兹技术领域，吸收器由若干结构单元周期性排列构成，结构单元包括从上到下依次叠合在一起的表面超材料层、中间介质层和金属底层；表面超材料层由金属图案和可调控材料条组成，可调控材料条设计为半导体材料或电导率可变材料，可以通过电压调控或外加光强来改变可调控材料条的电导率，实现吸收器吸收模式的改变，进而实现两个吸收峰的切换，解决现有的太赫兹超材料吸收器只能被动调谐的问题，实现主动调谐；同时，由于两种吸收模式原理上的差异，本发明在结构参数优化上具有简单易行的突出优势。

Description

一种可调谐太赫兹超材料吸收器

技术领域

本发明属于太赫兹技术领域，尤其涉及一种可调谐太赫兹超材料吸收器。

背景技术

太赫兹波的波段介于毫米波段和远红外波段之间，具体指频率在0.1～10THz、波长在3～0.03mm范围内的电磁波，是宏观电子学向微观光子学的过渡区域，称为电磁波谱的“太赫兹空隙”，不能单独使用光学理论或微波理论对其进行处理。因此，在二十世纪八十年代之前，对太赫兹波的研究较少，现有技术中对于该波段电磁波的处理尚不完善，难以较为有效地处理太赫兹波。

近年来，由于太赫兹波具有高穿透性、光子能量低、高带宽等众多优良特性，其在国防安全、天文观测、无限电通信等方面逐渐展现出巨大的应用价值。值得注意的是，一些生物有机大分子特征谱也处于太赫兹波段，这使得太赫兹波在在生物医药领域同样具有巨大应用潜力。因此，对于太赫兹技术的研究逐渐成为热门，主要体现在对太赫兹波的调制、吸收、偏振调节、开关等操作的相关实现手段方面，目前对于太赫兹吸收器的设计，一般考虑使用超材料。

超材料为人为设计的奇异材料，又称人工电磁材料。超材料可以产生一些自然材料所不具有的现象，如负折射率现象、逆多普勒现象等，人们可以通过对超材料结构进行设计来实现所需要的功能。传统的超材料吸收器一般由三层结构组成，即由Landy等提出的“超材料层-介质层-金属层”，电磁响应特性由其单元几何结构决定，吸收器制备之后，几何结构便固定下来了，则电磁响应固定，对于太赫兹超材料吸收器则表现为拥有固定频率的吸收峰，因此只能被动调节吸收频率。但是随着太赫兹技术应用的不断推广，需要主动改变太赫兹超材料吸收器吸收频率的情况越来越多，因此可调谐太赫兹超材料吸收器的研究显得愈加重要。现有可调谐超材料吸收器中，一般整个表面超材料层均为半导体材料或电导率可调的材料，对于这些材料的设计较为复杂且加工困难。除此以外，还有一种表面超材料层包含金属材料与半导体材料的结构，其吸收原理一般基于金属图案的开口环谐振器，此类结构在进行二次设计时，改变一个参数往往会引起较多吸收特性的改变，想要获取合适的吸收频率时需要进行复杂的参数设计，使用不方便。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种可调谐太赫兹超材料吸收器，通过对吸收器表面超材料层的结构进行设计，使得吸收器能够实现可调谐的功能，该调谐方式是通过改变表面超材料层的吸收模式来实现两个吸收峰的切换，解决了现有的太赫兹超材料吸收器只能被动调节的问题，同时解决了传统调谐结构设计复杂、制作困难的问题。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种可调谐太赫兹超材料吸收器，吸收器由多个结构单元周期性排列构成，结构单元包括依次叠合在一起的表面超材料层、中间介质层和金属底层。

进一步地，所述表面超材料层包括对称刻蚀在中间介质层上的金属图案，金属图案包括长金属条，长金属条与开口环结构未开口的一端连接，开口环结构另一端之间镶嵌有可调控材料条。

进一步地，所述开口环结构为方形，开口大小为1μm～4μm。

进一步地，所述金属图案、金属底层的材料为铜、银、铝、金中的一种。

进一步地，所述中间介质层的材料为聚酰亚胺、FR-4二氧化硅中的一种。

进一步地，所述可调控材料条为半导体材料。

进一步地，所述可调控材料条与金属图案之间外加有偏置电压，调整偏置电压的大小可以改变可调控材料条的等效电导率。

进一步地，所述可调控材料条为电导率可变材料。

进一步地，所述电导率可变材料为金属相二氧化钒、石墨烯中的一种，可调控材料条两侧外加有偏置电压，调整偏置电压的大小可以改变可调控材料条的等效电导率。

进一步地，所述电导率可变材料为光敏材料，改变所述吸收器外部光强可以改变可调控材料条的等效电导率。

本发明具有如下有益效果：

与现有技术相比，本发明中的太赫兹超材料吸收器的吸收特性可调谐，可以对不同频率太赫兹波的吸收实现开关控制，解决了现有超材料吸收器只能对特定频率太赫兹波进行吸收的问题。本发明只针对吸收器表面超材料层中的部分结构，即可调控材料条的材料进行了设计，基于不同材料有不同的调谐手段，增加了制备吸收器时的灵活性，且可调控材料条设计成长条状，使得加工较为容易且成本低廉，使用便利。

本发明中吸收器的吸收峰分别对应两种吸收原理不同的吸收模式，在实际应用中，为了获得所需要的吸收峰频率，需要改变的参数很少，而且在对一个吸收峰频率进行改变时，对另一个吸收峰频率的影响较小，较之传统的吸收器而言，本发明所设计的吸收器在结构参数优化上，具有简单易行的突出优势。

附图说明

图1为本发明所述可调谐太赫兹超材料吸收器结构示意图；

图2为图1中结构单元放大图；

图3为本发明所述结构单元主视图；

图4为本发明所述基于肖特基效应的可调谐太赫兹超材料吸收器实施方案示意图；

图5为本发明所述基于电导率可变材料的可调谐太赫兹超材料吸收器实施方案示意图；

图6为本发明所述可调谐太赫兹超材料吸收器随频率变化的吸收谱线；

图7为本发明所述可调谐太赫兹超材料吸收器随等效电导率变化的吸收谱线；

图中：1-金属图案；2-可调控材料条；3-中间介质层；4-金属底层；5-结构单元。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1

如图1所示，本发明所述的可调谐太赫兹超材料吸收器由若干长方体结构单元5周期性排列构成。如图2所示，结构单元5包括叠合在一起的三层结构：表面超材料层、中间介质层3和金属底层4。表面超材料层包括对称刻蚀在中间介质层3上的金属图案1，金属图案1横向、纵向均为对称结构，金属图案1包括长金属条，长金属条与开口环结构未开口的一端连接，本实施例中优选为方形开口环结构；开口环结构另一端之间镶嵌有可调控材料条2。金属图案1通过长金属条与相邻结构单元5上的金属图案1依次连接，使得吸收器表面超材料层中的每一行金属图案1连成一个整体。

如图3所示，超材料吸收器结构单元5尺寸参数变化范围为：

结构单元5长度b：35μm～45μm；

结构单元5宽度a、可调控材料条2长度m、长金属条长度n：15μm～25μm；

中间介质层3厚度t₁：10μm～20μm；

表面超材料层厚度t₂、金属底层厚度t₃：0.1μm～0.5μm；

可调控材料条2宽度c：1μm～8μm；

长金属条宽度w：2μm～4μm；

开口环结构环外壁长d、宽e：8μm～15μm；

开口环结构开口大小g：1μm～4μm；

开口环结构环内壁与外壁尺寸之差f：1μm～2μm。

本实施例中结构单元5几何参数优选尺寸为：b＝42μm，a＝m＝n＝20μm，t₁＝16μm，t₂＝

t₃＝0.5μm，c＝6μm，w＝3μm，d＝e＝10μm，g＝2μm，f＝1.5μm。

中间介质层3材料为聚酰亚胺、FR-4或二氧化硅中的一种，本实施例中优选为聚酰亚胺；金属图案1与金属底层4材料为铜、银、铝、金中的一种，本实施例中优选为金。

将可调控材料条2看成一均匀电导率材料，这一理想模型的电导率称为等效电导率，通过改变等效电导率可以调控吸收器吸收特性；本实施例中可调控材料条2采用半导体材料，基于肖特基效应来调节等效电导率，半导体材料为掺杂的硅、锗、硒、砷化镓、铝砷化镓、硫化镉、硫化镉、硫化铅中的一种，本实施例中优选为掺氮砷化镓半导体材料；具体实施方案如图4所示，在可调控材料条2与金属图案1之间加偏置电压，由于掺氮砷化镓半导体材料为P型半导体材料，因而可调控材料条2接正极，金属图案1接负极；此时可调控材料条2与金属图案1之间产生肖特基结，通过调整偏置电压的大小可以改变肖特基结的大小，实现对肖特基结处电导率的调节，即可实现对可调控材料条2等效电导率的调节，进而改变超材料吸收器的吸收特性，达到调谐的效果。

超材料吸收器吸收谱线如图6、图7所示，由图5可知，可调控材料条2等效电导率的改变会带来超材料吸收器吸收特性的改变：在可调节材料条2的等效电导率为0S/m时，超材料吸收器在3.052THz出现吸收峰，该吸收峰吸收率可达到97.45％；经过调节可以使可调节材料条2的等效电导率达到6000S/m，此时超材料吸收器吸收峰出现在3.748THz处，该吸收峰吸收率高达99.84％，可近似视为完美吸收；由图6可知，随着等效电导率的增加，3.052THz处的吸收模式逐渐减弱，吸收峰逐渐减小，而3.748THz处的吸收模式逐渐变强，吸收峰逐渐增加。

由此可见，本发明所设计的可调谐太赫兹超材料吸收器可以对吸收特性进行主动调节，实现对3.052THz和3.748THz两吸收频率处的吸收峰的开关调控，该功能使得吸收器可通过人为的主动调节实现对两个频段太赫兹波进行选择性吸收。

在实际使用中可以通过对单元结构5尺寸参数的设计而获取所需要的吸收峰频率。当可调控材料条2的电导率较低时，金属图案1中的电流主要集中在方形开口环结构上，而长金属条上的电流较少，该吸收模式下，表面超材料层为开口环谐振器(SRR)模型；从等效电路的角度来看，方形开口环结构下方开口可以等效为电容，开口两边的开口环结构可以分别等效为电感，共同构成LC振荡电路，并在谐振频率处吸收电磁波，吸收峰频率与电感、电容的大小有关，因此可以通过单纯地调节方形开口环结构的大小或开口的大小来实现对吸收峰频率位置的设计。当可调控材料条2的电导率较高时，金属图案1中的电流主要集中在长金属条上，而方形开口环结构上的电流较少，该吸收模式下，表面超材料层为金属线阵列结构，该结构等效于等离子体中振荡的电偶极子阵列，吸收峰频率与金属阵列之间的距离以及金属线的粗细有关，因此可以通过单纯地调节结构单元5两侧长金属条之间的距离和长金属条的宽度来实现对吸收峰频率位置的设计。

实施例2

本实施例相较于实施例1作了如下改变：

可调控材料条2采用电导率可变材料，具体为电导率随电压变化的金属相二氧化钒或石墨烯材料，本实施例中优选为石墨烯材料；具体实施方案如图5所示，在可调控材料条2两侧加上偏置电压，通过改变电压大小来调整石墨烯化学势，使得其费米能级发生变化，进而改变石墨烯的电导率，即实现对可调控材料条2等效电导率的调节，进而改变超材料吸收器的吸收特性，达到调谐的效果。

实施例3

本实施例相较于实施例2作了如下改变：

可调控材料条2采用电导率可变材料，具体为电导率随光强变化的掺杂的硅、砷化镓或硫化镉光敏材料，本实施例中优选为掺杂的砷化镓材料；不需要外加偏置电压，只通过改变吸收器外部光强就可以实现对等效电导率的调节，改变超材料吸收器的吸收特性，达到调谐的效果，简单方便。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可调谐太赫兹超材料吸收器，其特征在于，吸收器由多个结构单元(5)周期性排列构成，结构单元(5)包括依次叠合在一起的表面超材料层、中间介质层(3)和金属底层(4)。

2.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述表面超材料层包括对称刻蚀在中间介质层(3)上的金属图案(1)，金属图案(1)包括长金属条，长金属条与开口环结构未开口的一端连接，开口环结构另一端之间镶嵌有可调控材料条(2)。

3.根据权利要求2所述的可调谐太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述开口环结构为方形，开口大小为1μm～4μm。

4.根据权利要求2所述的可调谐太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述金属图案(1)、金属底层(4)的材料为铜、银、铝、金中的一种。

5.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述中间介质层(3)的材料为聚酰亚胺、FR-4或二氧化硅中的一种。

6.根据权利要求2所述的可调谐太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述可调控材料条(2)为半导体材料。

7.根据权利要求6所述的可调谐太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述可调控材料条(2)与金属图案(1)之间外加有偏置电压，调整偏置电压的大小可以改变可调控材料条(2)的等效电导率。

8.根据权利要求2所述的可调谐太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述可调控材料条(2)为电导率可变材料。

9.根据权利要求8所述的可调谐太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述电导率可变材料为金属相二氧化钒、石墨烯中的一种，可调控材料条(2)两侧外加有偏置电压，调整偏置电压的大小可以改变可调控材料条(2)的等效电导率。

10.根据权利要求8所述的可调谐太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述电导率可变材料为光敏材料，改变所述吸收器外部光强可以改变可调控材料条(2)的等效电导率。

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