CN111817019A - 渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器 - Google Patents

渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器，属于吸波器技术领域，目的在于提供一种渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器，解决现有太赫兹吸波器吸收频带少、吸波率差、吸收带宽窄、结构复杂、存在边缘效应的问题。其包括由下至上依次设置的金属衬底层、介质绝缘层、单层石墨烯层、介质结构层，所述介质结构层包括若干半椭球形单元，所述半椭球形单元的腔长沿半椭球形单元长度方向逐渐增大再减小。本发明适用于太赫兹吸波器。

Description

渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器
技术领域
本发明属于吸波器技术领域，具体涉及一种渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器。
背景技术
太赫兹波是指频率范围大概在0.1THz-10THz的电磁辐射，其对应的波长范围大概为 0.03mm-3mm介于无线电波和光波之间。由于高效率的太赫兹源和探测器等太赫兹器件的开发进展缓慢，因此太赫兹技术发展速度相较其他行业稍显缓慢。但是太赫兹波可以携带大量丰富的信息，且安全性高、定向性好，在许多军事、民用领域都具有着良好的前景。太赫兹吸波器是太赫兹区域的关键器件之一，在太赫兹成像、热探测器、通信等领域有着广泛的应用。
新型介质加载石墨烯太赫兹吸波器可广泛地应用于光子探测、太阳能电池、完美透镜及隐身衣等方面。近年来，各种不同结构的太赫兹吸波器，包括电环谐振器、图形化石墨烯吸波器，以及超材料吸波器等都得到了广泛研究。然而，这些吸波器大多工作在单波段、双波段或多波段，吸收带宽有限。相比于传统的吸收器结构，新型介质加载石墨烯太赫兹吸波器结构简单、吸收率高、频带宽、易于设计。
石墨烯是一种新型的二维材料，由于其独特的性能而得到了广泛的研究。石墨烯具有超宽吸收光谱、超快的光响应速度和可调谐电导率，是光电探测器和光调制器等光电器件的理想材料。但单层石墨烯的光吸收效率较弱，严重限制了其在实际光电器件中的应用。通常在设计石墨烯的光学器件时，是将石墨烯水平设置在光波导的中间或表面，以加强石墨烯与光的相互作用来得到更高效的光学器件。新型太赫兹吸波器采用的是基于几何梯度连续变化的介质结构加载单层石墨烯，介质加载单层石墨烯结构提供了多个相对频率间隔较大的离散石墨烯等离子体共振；另外，由于介质结构的宽度是连续梯度变化的，对于每一个离散共振，都存在一组连续等离子体共振。基于这一机理，新型太赫兹吸波器可实现超宽频带且高吸收率吸收。这对太赫兹技术发展有着重要的意义。
目前，太赫兹频段吸波器主要是基于图案化石墨烯、金属加载石墨烯结构及其他多层结构，这些结构不仅结构复杂，其吸收相对带宽非常有限，通常小于100％。对于图案化石墨烯结构来说，还存在着边缘效应，因此打算采用介质加载单层石墨烯结构来提高吸收率及吸收带宽。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器，解决现有太赫兹吸波器吸收频带少、吸波率差、吸收带宽窄、结构复杂、存在边缘效应的问题。
本发明采用的技术方案如下：
渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器，包括由下至上依次设置的金属衬底层、介质绝缘层、单层石墨烯层、介质结构层，所述介质结构层包括若干半椭球形单元，所述半椭球形单元的腔长沿半椭球形单元长度方向逐渐增大再减小。
进一步地，所述单层石墨烯层加载有门电压。
进一步地，所述金属衬底层的材质为金。
进一步地，所述介质绝缘层的材质为聚二甲基硅氧烷。
进一步地，所述介质结构层的材质为硅。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，太赫兹吸波器的结构简单，易于加工制作，通过在单层石墨烯层加载门电压，可以实现石墨烯费米能级实时调谐，进而调谐吸波器的吸收率和吸收带宽，并实现吸波器高性能吸波。介质结构层为若干半椭球形结构，其结构尺寸在各方向上呈连续的梯度变化，可构成长度连续变化的法布里-珀罗(FP)腔。在偏振电磁波入射时，可在结构内激励起石墨烯等离子激元和法布里-珀罗共振，随着入射波频率的增大共振模式数也越大。又由于半椭球介质结构的长度是几何梯度变化的，每组模式存在一组连续的共振。因此该结构吸收器在整个太赫兹频段可以实现高吸收率、超宽频带吸收。本发明的吸收器在60°大角度下，表现出良好的角稳定性，可实现超宽带吸收效果，太赫兹频带范围内从2THz-10THz，吸收带宽(平均吸收率95.33％)最高可达8THz，相对吸收带宽高达133％，有效解决了现有吸收频带少、吸波率差、吸收带宽窄、结构复杂、存在边缘效应的问题。
附图说明
图1为基于介质加载石墨烯吸波器结构的三维示意图；
图2为基于介质加载石墨烯吸波器结构的单元结构三维示意图；
图3为基于介质加载石墨烯吸波器结构的俯视图；
图4(a)为TE极化波垂直入射情况下，石墨烯费米能级为0.8eV时，介质加载石墨烯吸波器在太赫兹频段范围内的吸收图谱；
图4(b)-(g)为吸收谱图中频带内六个典型吸收峰频率对应的z分量电场分布图；
图5(a)为谐振频率ωN在z取0μm时在太赫兹频段范围内随y变化的曲线图；
图5(b)为谐振频率ωN在z取3μm时在太赫兹频段范围内随y变化的曲线图；
图5(c)为谐振频率ωN在z取6μm时在太赫兹频段范围内随y变化的曲线图；
图5(d)为与半椭球结构相同尺寸参数下，立方体结构吸收器谐振频率在太赫兹频段范围内随y变化的曲线图；
图6为TE极化波入射情况下，入射角从0°到80°连续变化时的吸收谱图；
图7(a)为有石墨烯层和无石墨烯层时吸收曲线对比图；
图7(b)为石墨烯费米能级从0.2eV增加至0.8eV时，介质加载石墨烯吸波器的吸收谱图；
图中标记：1-金属衬底层、2-介质绝缘层、3-单层石墨烯层、4-介质结构层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器，包括由下至上依次设置的金属衬底层、介质绝缘层、单层石墨烯层、介质结构层，所述介质结构层包括若干半椭球形单元，所述半椭球形单元的腔长沿半椭球形单元长度方向逐渐增大再减小。
进一步地，所述单层石墨烯层加载有门电压。
进一步地，所述金属衬底层的材质为金。
进一步地，所述介质绝缘层的材质为聚二甲基硅氧烷。
进一步地，所述介质结构层的材质为硅。
其中，工作频段：2THz～10THz；
平均吸收率：95％以上；
吸收带宽：8THz。
图1为基于介质加载石墨烯吸波器结构的三维示意图。
图2为基于介质加载石墨烯吸波器结构的单元结构三维示意图。该吸收器单元结构分别由金属衬底层、介质绝缘层、石墨烯层和半椭球介质层四层结构构成。半椭球单元介质结构的长半轴为38μm，短半轴为11μm，高度为10μm。绝缘介质层长度为80μm，宽度为 24μm，厚度为15μm。基底层(下层金属衬底)为金属材料Au，其厚度为2μm。
图3为基于介质加载石墨烯吸波器结构的俯视图，其介质谐振腔的腔长为L(y,z)。
图4(a)为TE极化波垂直入射情况下，石墨烯费米能级为0.8eV时，介质加载石墨烯吸波器在太赫兹频段范围内的吸收图谱，能够实现吸收带宽从2THz到10THz，平均吸收率高达95.33％。图4(b)-(g)为吸收谱图中频带内六个典型吸收峰频率对应的z分量电场分布图，如图4((b)2.05THz,(c)2.95THz,(d)4.10THz,(e)5.70THz,(f)7.10THz,(g) 1.95THz。可以明显的看出，随着频率的增大，其模式数也越大图4((b)-(e))，高频出现复杂混合模式图4(f)、(g))。
图5(a)-(c)为谐振频率ωN在z取0、3、6μm时在太赫兹频段范围内随y变化的曲线图，其中N为模式数，可以明显的看出这些曲线的重叠区域基本覆盖在2THz-10THz且在高阶和高频段存在更强的混合谐振模式，这充分说明仿真的结果和理论推导的结果吻合。证实了本结构实现超宽带吸收的机理。图5(d)为与半椭球结构相同尺寸参数下，立方体结构吸收器谐振频率在太赫兹频段范围内随y变化的曲线图，可以看到该结构吸收器只能在2THz-4THz范围内实现点频吸收。这是由于立方体谐振腔的腔长在y和z方向上不会发生变化，导致谐振频率曲线不会随y和z的变化发生波动，从而只能实现点频吸收。对于本发明的半椭球介质结构加载石墨烯吸波器，其谐振腔的腔长随y和z呈连续梯度变化，谐振频率在太赫兹频段范围内随y和z呈连续的变化，这些连续频段的叠加效应使得该吸波器在太赫兹频段范围内有实现很宽的吸收带宽和高效吸收。
图6为TE极化波入射情况下，入射角从0°到80°连续变化时的吸收谱图，可以看出，在入射角小于60°范围内，整体保持较高的吸收率，吸波器依旧能够保持良好的吸收性能和带宽，随着入射角的继续增加，在60°之后整体吸收率低于0.8，吸波性能开始下降。因此，本发明的吸收器在60°大角度下，表现出良好的吸波稳定性，具有广角吸波特性，实际应用中体现为易实现性、易操作性和易兼容性，有利于应用于各种太赫兹实际应用场景。
如图7(a)为有石墨烯层和无石墨烯层时吸收曲线对比图。容易发现，石墨烯的有无对吸收器的性能有很大的影响，在没有石墨烯的情况下，整体吸收率显著下降，整体吸收性能变差，尤其是在8THz以下的频段区域。进一步说明了石墨烯在本结构中对提高吸波性能起着关键作用。图7(b)为石墨烯费米能级从0.2eV增加至0.8eV时，介质加载石墨烯吸波器的吸收谱图。从结果可以看出，随着费米能级的增大，吸收器的整体吸收性能变得更优，特别是在4.5THz附近频率区域处，吸收性能得到了很大的改善。且具有实时调谐作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器，其特征在于，包括由下至上依次设置的金属衬底层(1)、介质绝缘层(2)、单层石墨烯层(3)、介质结构层(4)，所述介质结构层(4)包括若干半椭球形单元，所述半椭球形单元的腔长沿半椭球形单元长度方向逐渐增大再减小。
2.按照权利要求1所述的渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器，其特征在于，所述单层石墨烯层(1)加载有门电压。
3.按照权利要求1所述的渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器，其特征在于，所述金属衬底层(2)的材质为金。
4.按照权利要求1所述的渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器，其特征在于，所述介质绝缘层(3)的材质为聚二甲基硅氧烷。
5.按照权利要求1所述的渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器，其特征在于，所述介质结构层(4)的材质为硅。
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