CN111613902A - 一种可调谐太赫兹吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可调谐太赫兹吸波器，从底部向上依次包括金属层、掺杂硅层、钛酸锶(STO)层、石墨烯层；所述掺杂硅层、所述STO层、所述石墨烯层周期性排列在所述金属层上，排列周期小于入射波长。石墨烯在太赫兹波段具有巨大的吸收率，并且在该吸波器上施加电压会改变石墨烯层的化学势，实现吸收振幅调谐；硅作为一种半导体材料，通过外界的光泵浦会改变载流子浓度，实现吸收振幅调谐；STO是一种热敏感材料，通过改变外界温度，实现中心频率调谐。本发明通过电、光、热三种调控方式实现吸波器的吸收振幅和中心频率的独立可调。本发明结构简单，容易加工，且吸收调谐效果较好。适用于电磁抗干扰及现代通信系统。
Description
技术领域
本发明涉及电磁波吸波领域，特别是涉及一种可调谐太赫兹吸波器。
背景技术
太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外光之间，频率从0.1THz到10THz。太赫兹辐射具有很多独特性质，比如在电介质中高的穿透能力、低光子能量、高光谱分辨力等等。近年来，随着太赫兹技术的快速发展，它在太赫兹成像，爆炸物检测、通信、食品质量控制等领域被广泛应用。目前，太赫兹吸收技术是当前太赫兹技术领域研究的热点之一。
近年来，在太赫兹吸波器技术研究上取得了不错的成果，如基于石墨烯与超表面的工作带宽可调吸波器，该吸波器包括直流电源和由上而下依次层叠的频率选择表面、三层介质基板和金属底板，第二介质层与金属底板间加设空气介质，展宽了吸波带宽，频率选择表面由m×n个哑铃形周期单元构成,哑铃形单元上下端均为用竖直金属导线连接的设有石墨烯薄膜夹层的金属贴片，水平金属细导线贯穿整行单个哑铃单元串接一体，但是该吸波器具有多层式的结构，比较复杂，无疑大大增加了加工难度。又如基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，以金属作为反射基底，结构向上依次为绝缘介质层、石墨烯层，所述的石墨烯层由周期性单层石墨烯方形片结构组成，石墨烯表面的局域表面等离子体共振与表面等离子体共振相结合实现了单层结构的宽带吸收，但是该基于石墨烯的吸波器只能实现吸收振幅的可调，而不能实现中心频率的移动，这是限制其应用的局限性。
大多数吸波器都是基于金属-电介质-金属的三明治结构，一旦制作完成，其性能也就固定，很大程度上限制了其应用范围。因此设计一种通过外部环境变化来实现吸收振幅和中心频率可调的吸波器具有很大的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调谐太赫兹吸波器，以解决上述现有技术存在的问题，通过电、光、热三种调控方式实现吸波器的吸收振幅和中心频率的独立可调，并且结构简单，容易加工，吸收调谐效果好。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种可调谐太赫兹吸波器，从底部向上依次包括金属层、掺杂硅层、钛酸锶STO层、石墨烯层；所述掺杂硅层、所述STO层、所述石墨烯层周期性排列在所述金属层上，所述掺杂硅层、所述STO层、所述石墨烯层排列周期小于入射波长。
优选的，所述金属层采用蒸镀工艺镀到表面平整的电介质层上，然后利用薄膜沉积技术在所述金属层上依次沉积所述掺杂硅层和STO层，最后利用光刻曝光技术来制造石墨烯图案并沉积所述石墨烯层。
优选的，所述金属层为一种完美电导体，其在太赫兹波段的电导率大于107S/m，厚度为200纳米；所述掺杂硅层采用掺硼的p型硅，厚度为50微米；所述STO层介电常数随温度变化，厚度为2微米。
优选的，所述石墨烯层采用周期性结构化的单层石墨烯。
优选的，所述石墨烯层的形状为长方形，长方形的宽度为60微米，单元结构周期为80微米。
优选的，所述石墨烯层的形状为正八边形，边长为40微米，单元结构周期为80微米。
优选的，吸波器结构工作波段为0.1到1THz。
本发明公开了以下技术效果：
1.该吸波器的吸收振幅强烈依赖于石墨烯的化学势，掺杂硅层的载流子浓度，通过调节石墨烯层的电压和改变硅层的泵浦光强度，实现不同的吸收光谱。中心频率强烈依赖于STO的温度，通过调节STO层的温度，实现不同的吸收光谱。该吸波器能够通过外界环境的变化(电、光、热)来实现吸收振幅和中心频率的独立可调，具有很大的应用价值。
2.该吸波器件采用三维周期性结构，结构简单紧凑，便于大规模集成生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1的三维结构示意图；
图2为本发明实施例1的结构俯视图；
图3为本发明实施例1在STO温度为200K，没有泵浦影响，石墨烯化学势分别为0eV，0.2eV，0.4eV，0.6eV，0.8eV，1eV情况下的吸收曲线图；
图4是本发明实施例1在STO温度为200K，石墨烯化学势为0eV，分别在0，25μJ/cm2，50μJ/cm2，100μJ/cm2，200μJ/cm2光泵浦影响下的吸收曲线图；
图5是本发明实施例1在没有泵浦影响，石墨烯化学势为0eV，STO温度分别为200K，300K，400K，500K情况下的吸收曲线图；
图6是本发明实施例2的三维结构示意图；
图7是本发明实施例2的结构俯视图；
图8是本发明实施例2在STO温度为200K，没有泵浦影响，石墨烯化学势分别为0eV，0.2eV，0.4eV，0.6eV，0.8eV，1eV情况下的吸收曲线图；
图9是本发明实施例2在STO温度为200K，石墨烯化学势为0eV，分别在0，25μJ/cm2，50μJ/cm2，100μJ/cm2，200μJ/cm2光泵浦影响下的吸收曲线图；
图10是本发明实施例2在没有泵浦影响，石墨烯化学势为0eV，STO温度分别为200K，300K，400K，500K情况下的吸收曲线图。
其中，1为金属层；2为掺杂硅层、3为STO层、4为石墨烯层。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种可调谐太赫兹吸波器，从底部向上依次包括金属层1、掺杂硅层2、STO(钛酸锶)层3、石墨烯层4，将掺杂硅层2、STO层3、石墨烯层4周期性排列在金属层1上，排列周期小于入射波的波长。
为得到本实施例中的可调谐太赫兹吸波器，首先利用蒸镀工艺将金属层1镀到表面平整的电介质层(图中未标示)上，然后在金属层1上利用薄膜沉积技术依次沉积掺杂硅层2和STO层3，最后利用光刻曝光技术来制造石墨烯图案并在STO层3上沉积石墨烯层4，其中，金属层1为完美电导体，其在太赫兹波段的电导率要大于107S/m，金属层1的厚度足够大使透射率较低；掺杂硅层2采用掺硼的p型硅；STO层3介电常数随温度变化；石墨烯层4采用周期性结构化的单层石墨烯。
当太赫兹波入射到超材料吸波器上，吸波器与入射电磁波发生强烈的耦合，产生电磁共振，大大减少了反射，增强电磁波的吸收。而金属衬底的厚度远远大于电磁波趋肤深度，使透射率为0，根据吸收率、透射率、反射率三者相加总和为1，该超材料吸波器在发生强烈电磁共振的频率处能实现很高的吸收率。石墨烯层实现吸收振幅可调的原因是通过电压控制石墨烯的化学势从而改变电导率，使电磁共振减弱，吸收效果减弱；掺杂硅层实现吸收振幅可调的原因是通过光泵浦改变硅层载流子浓度，使电磁共振减弱，吸收效果减弱；STO层实现中心频率可调的原因是通过改变温度从而改变STO的介电常数，不影响电磁共振强度，只影响共振频率。
实施例1
参照图1-2，本实施例中，金属层1的厚度a1为200纳米，采用材料为金，透射率忽略不计；掺杂硅层2的厚度b1为50微米；STO层3的厚度d1为2微米；石墨烯层4为长方形，宽度w1为60微米，周期p1为80微米。
石墨烯最重要的性质之一便是电可调性，参照图3，在STO层3温度为200K，在没有泵浦影响的情况下，分别取石墨烯的化学势为0eV，0.2eV，0.4eV，0.6eV，0.8eV，1eV时，通过使用CST仿真软件得到图3。当化学势为0eV时，吸收率达到98％，达到近完美吸收。此外，当保持其他参数不变，通过改变长方形石墨烯层的化学势，实现了吸收振幅的调谐，当石墨烯的化学势从0增加到1eV时，峰值吸收从98％降低到59.2％。
参照图4，在STO层3温度为200K，石墨烯化学势为0eV的情况下，光泵浦功率分别设置在0，25μJ/cm2，50μJ/cm2，100μJ/cm2，200μJ/cm2，通过不同功率的光泵浦，改变掺杂硅的载流子浓度，实现吸收振幅的调谐。当泵浦影响从0增加到200μJ/cm2，峰值吸收效率从98％降低到38.6％；当泵浦影响为200μJ/cm2时，半峰全宽大大增加，从100GHz增加到700GHz。
参照图5，在没有泵浦影响，石墨烯化学势为0eV的情况下，STO层3温度分别为200K，300K，400K，500K，通过改变STO的温度引起材料介电常数的变化，从而实现中心频率的调谐，当STO的温度从200K增加到500K，中心频率从0.2THz蓝移到0.31THz，实现110GHz的频移。
本实施例在电、光、热三种调制方式下的调制效果具体展示如表1所示。其中半峰全宽为吸收峰值一半对应的带宽、调制深度为吸收峰最大值与最小值的差值、频移为吸收峰频率的移动范围。当石墨烯的化学势从0增加到1eV，半峰全宽从100增加到260GHz，吸收振幅的调制深度为0.388；当泵浦影响从0增加到200μJ/cm2，半峰全宽从100增加到700GHz，吸收振幅的调制深度为0.594；当STO的温度从200增加到500K,半峰全宽从100增加到200GHz，中心频率移动110GHz。
表1
实施例2
参照图6-7，本实施例中，金属层1采用金，厚度a2为200纳米，透射率忽略不计；掺杂硅层2的厚度b2为50微米；STO层3的厚度d2为2微米；石墨烯层4采用正八边形，边长w2为40微米，周期p2为80微米。
参照图8，在STO层3温度为200K，没有泵浦影响的情况下，石墨烯的化学势分别取0eV，0.2eV，0.4eV，0.6eV，0.8eV，1eV，当石墨烯层的化学势为0eV，该吸波器获得98％的吸收率，当石墨烯的化学势从0增加到1eV，峰值吸收从98％降低到55％，实现了吸收振幅的调谐。
参照图9，在STO层3温度为200K，石墨烯化学势为0eV的情况下，光泵浦影响分别为0，25μJ/cm2，50μJ/cm2，100μJ/cm2，200μJ/cm2，当泵浦影响从0增加到200μJ/cm2，峰值吸收效率从98％降低到38.4％；当泵浦影响为200μJ/cm2时，半峰全宽大大增加，从100GHz增加到700GHz。
参照图10，在没有泵浦影响，石墨烯化学势为0eV的情况下，STO层3温度分别为200K，300K，400K，500K，当STO的温度从200K增加到500K，中心频率从0.2THz蓝移到0.3THz，实现100GHz的频移，实现了中心频率可调谐。
本实施例在电、光、热三种调制方式下的调制效果具体展示如表2所示。当石墨烯的化学势从0增加到1eV，半峰全宽从100增加到280GHz，吸收振幅的调制深度为0.430；当泵浦影响从0增加到200μJ/cm2，半峰全宽从100增加到700GHz，吸收振幅的调制深度为0.596；当STO的温度从200增加到500K,半峰全宽从100增加到200GHz，中心频率移动100GHz。
表2
综上所述，本发明所述吸波器具有吸收率较高，调谐效果好的优点并且吸收率和调谐效果不受石墨烯层形状的限制，不仅仅局限于正八边形和长方形，简单的单元结构均可实现可调谐的太赫兹吸波器。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种可调谐太赫兹吸波器，其特征在于：从底部向上依次包括金属层(1)、掺杂硅层(2)、钛酸锶STO层(3)、石墨烯层(4)；所述掺杂硅层(2)、所述STO层(3)、所述石墨烯层(4)周期性排列在所述金属层(1)上，所述掺杂硅层(2)、所述STO层(3)、所述石墨烯层(4)排列周期小于入射波长。
2.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹吸波器，其特征在于：所述金属层(1)采用蒸镀工艺镀到表面平整的电介质层上，然后利用薄膜沉积技术在所述金属层(1)上依次沉积所述掺杂硅层(2)和STO层(3)，最后利用光刻曝光技术来制造石墨烯图案并沉积所述石墨烯层(4)。
3.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹吸波器，其特征在于：所述金属层(1)为完美电导体，所述金属层(1)在太赫兹波段的电导率大于107S/m，厚度为200纳米；所述掺杂硅层(2)采用掺硼的p型硅，厚度为50微米；所述STO层(3)介电常数随温度变化，厚度为2微米。
4.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹吸波器，其特征在于：所述石墨烯层(4)采用周期性排列的单层石墨烯。
5.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹吸波器，其特征在于：所述石墨烯层(4)的形状为长方形，长方形的宽度为60微米，吸波器单元结构周期为80微米。
6.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹吸波器，其特征在于：所述石墨烯层(4)的形状为正八边形，边长为40微米，吸波器单元结构周期为80微米。
7.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹吸波器，其特征在于：吸波器结构工作波段为0.1～1THz。
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