CN111883935A - 基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体，包括由下往上依次层叠的金属底层、第一介质层、第一石墨烯层、第一氧化铝层、第二石墨烯层、第二介质层和第二氧化铝层；所述第二氧化铝层的上表面设有同心的第一金属环和第二金属环；所述第二氧化铝层的上表面嵌设有两条对称的第一石墨烯带，第一石墨烯带分别贯穿第一金属环和第二金属环；所述第二氧化铝层的下表面与第二介质层之间嵌设有两条对称的第二石墨烯带。本发明不仅在太赫兹波段具有多个吸收峰，而且可以实现对吸收峰进行切换调整，具有可调特性。

Description

基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体
技术领域
本发明涉及微波吸收器技术领域，具体为一种基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体。
背景技术
近年来，基于超表面的功能器件纷纷问世，例如超表面分束器，贝塞尔光束发生器，OMA光束发生器，超表面透镜等。由于自然界缺乏合适的材料，太赫兹功能器件的实现(例如太赫兹波片，分束器等)总是很困难，这也阻碍了太赫兹波在其他领域的科学研究。石墨烯是世界上已知的最薄、最坚硬的纳米材料。它几乎完全透明，单层石墨烯只吸收2.3％的光，透过率为97.7％。石墨烯常用于透明导电薄膜的制备，可克服传统薄膜材料脆、因稀缺而对应用有诸多限制的问题，被广泛用于能源领域。同时，在近红外光谱区域，由于石墨烯宽频带吸收、无带隙，石墨烯的吸收会缓慢接近饱和，可用于光纤激光器中。现有技术中，已实现石墨烯条带的单频完美吸收、多频完美吸收和宽频完美吸收，但如何得到一种可以对不同频率的太赫兹波进行吸收的吸波体成为了申请人亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体。本发明不仅在太赫兹波段具有多个吸收峰，而且可以实现对吸收峰进行切换调整，具有可调特性。
本发明的技术方案：基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体，包括由下往上依次层叠的金属底层、第一介质层、第一石墨烯层、第一氧化铝层、第二石墨烯层、第二介质层和第二氧化铝层；所述第二氧化铝层的上表面设有同心的第一金属环和第二金属环；所述第二氧化铝层的上表面嵌设有两条对称的第一石墨烯带，第一石墨烯带分别贯穿第一金属环和第二金属环；所述第二氧化铝层的下表面与第二介质层之间嵌设有两条对称的第二石墨烯带；所述金属底层、第一介质层、第一石墨烯层、第一氧化铝层、第二石墨烯层、第二介质层和第二氧化铝层的截面均为正方形，宽度为8μm；所述金属底层的材质为金，厚度为0.5μm；所述第一金属环和第二金属环的材质为金，厚度为0.2nm；所述第一金属环的外径为3μm，内径为2.5μm；所述第二金属环的外径为2μm，内径为1.5μm；所述第一石墨烯带之间的间距为2μm，第一石墨烯带的宽度为0.6μm，厚度为0.2nm；所述第二石墨烯带之间的间距为2μm，第二石墨烯带的宽度为0.6μm，厚度为0.2nm；所述第一介质层的材质为二氧化硅，厚度为43μm；所述第二介质层的材质为二氧化硅，厚度为41.5μm；所述第一氧化铝层和第二氧化铝层的厚度均为0.05μm；所述第一石墨烯层和第二石墨烯层的厚度为0.2nm。
上述的基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体，所述第一介质层的四角处分别设有透射孔点阵，每个角处的透射点阵呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵之间构成阵列栅。
与现有技术相比，本发明由下往上依次层叠的金属底层、第一介质层、第一石墨烯层、第一氧化铝层、第二石墨烯层、第二介质层和第二氧化铝层；所述第二氧化铝层的上表面设有同心的第一金属环和第二金属环；所述第二氧化铝层的上表面嵌设有两条对称的第一石墨烯带，第一石墨烯带分别贯穿第一金属环和第二金属环；所述第二氧化铝层的下表面与第二介质层之间嵌设有两条对称的第二石墨烯带。由此构成本发明的整体结构，本发明在太赫兹波段具有三个吸收峰，分别位于在2.5THz、4.1THz、7.3THz附近，具有而且平均吸收率在90％以上，具有太赫兹波吸收范围大，吸收率高的特点，本发明可以通过调节石墨烯的化学势(费米能级)，进而影响石墨烯表面阻抗，从而实现吸收波峰的选择，达到吸收峰切换调整的目的，具有可调特性。此外，本发明还优化了结构参数，确定了最优的结构参数以达到更好的吸收率。进一步地，本发明在第一介质层的四角处分别设有透射孔点阵，每个角处的透射点阵呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵之间构成阵列栅；通过上述结用使得基于太赫兹波的同相和反相的两个偏振态相互叠加得到自旋态，能诱使第一介质层的结构中可以产生拓扑相变，从而得到具更优效果的鲁棒性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图；
图3是第二氧化铝层的立体结构示意图；
图4是本发明在不同化学势下的吸波特性图；
图5是不同化学势下石墨烯的表面阻抗变化图；
图6是本发明的双频带吸波特性图；
图7是实施例3中的第二氧化铝层的结构示意图。
附图标记
1、金属底层；2、第一介质层；3、第一石墨烯层；4、第一氧化铝层；5、第二石墨烯层；6、第二介质层；7、第二氧化铝层；8、第一金属环；9、第二金属环；10、第一石墨烯带；11、第二石墨烯带；12、透射孔点阵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体，如图1-2所示，包括由下往上依次层叠的金属底层1、第一介质层2、第一石墨烯层3、第一氧化铝层4、第二石墨烯层5、第二介质层6和第二氧化铝层7；所述第二氧化铝层7的上表面设有同心的第一金属环8和第二金属环9；所述第二氧化铝层7的上表面嵌设有两条对称的第一石墨烯带10，第一石墨烯带10分别贯穿第一金属环8和第二金属环9；所述第二氧化铝层7的下表面与第二介质层6之间嵌设有两条对称的第二石墨烯带11；所述金属底层1、第一介质层2、第一石墨烯层3、第一氧化铝层4、第二石墨烯层5、第二介质层6和第二氧化铝层7的截面均为正方形，宽度为8μm；所述金属底层1的材质为金，厚度为0.5μm；所述第一金属环8和第二金属环9的材质为金，厚度为0.2nm；所述第一金属环8的外径为3μm，内径为2.5μm；所述第二金属环9的外径为2μm，内径为1.5μm；所述第一石墨烯带10之间的间距为2μm，第一石墨烯带10的宽度为0.6μm，厚度为0.2nm；所述第二石墨烯带11之间的间距为2μm，第二石墨烯带10的宽度为0.6μm，厚度为0.2nm；所述第一介质层2的材质为二氧化硅，厚度为43μm；所述第二介质层6的材质为二氧化硅，厚度为41.5μm；所述第一氧化铝层4和第二氧化铝层7的厚度均为0.05μm；所述第一石墨烯层3和第二石墨烯层5的厚度为0.2nm。申请人对第二氧化铝层上设置第一金属环和第二金属环的工艺进行了优选，具体是，对氧化铝进行氟化处理，用臭氧气体在密封环境下催化氧化，通过原子层沉积技术在表面形成隔绝介质，将处理后的氧化铝裁切至指定的形状，得到第一介质层和第二介质层。将第一金属环和第二金属环放置到第二介质层表面，第二介质层的隔绝介质与第一金属环和第二金属环表面相贴合，在80％氮气和20％氧气的环境下加热并退火处理，使得第一金属环和第二金属环与第二介质层相结合。本发明通过上述工艺可以使得第一金属环和第二金属环与第二介质层之间结合更为的紧密与稳定，减少了第一金属环和第二金属环的翘曲，不仅大大降低了第一金属环和第二金属环与第二介质层之间的贴片应力，还能保证太赫兹吸收器这类敏感器件的谐振性能。
实施例2：在实施例1的基础上，申请人利用CST微波工作室对本发明的吸收特性进行了仿真分析，得到如图4所示的不同化学势下的吸波特性图，图中Ef1、Ef2分别为上下两层氧化铝上所加偏置电压的大小。从图中可以看出，在太赫兹波段范围内，本发明具有三个吸收峰，分别位于在2.5THz、4.1THz、7.3THz附近，具有而且平均吸收率在80％以上，具有太赫兹波吸收范围大，吸收率高的特点。本发明可以通过调节石墨烯的化学势(费米能级)，进而影响石墨烯表面阻抗，如图5所示(图中的曲线从上到下依次为Ef＝0.1eV、Ef＝0.2eV、Ef＝0.3eV、Ef＝0.4eV、Ef＝0.5eV、Ef＝0.6eV)，在费米能级从0.1eV增加到0.6eV的过程中，石墨烯电导率随费米能级的增加而增高，而表面阻抗也随之降低，当费米能级固定时，吸波体的输入阻抗是频率的函数，在多个频点处存在尖峰，这是由于入射电磁波在该频点下与吸波体的表面结构发生谐振。当石墨烯的费米能级发生变化时，输入阻抗尖峰的位置会发生移动，从而改变吸波体在整个工作频段内的输入阻抗，因此通过费米能级的调节，可以分别实现了三个吸波模式下的阻抗匹配。由此本发明可以通过改变化学势Ef1、Ef2的不同，改变石墨烯的表面势能，从而可以实现吸收波峰的选择，此时波峰所处频率附近的吸波率大于90％，而其他频率范围内的吸收率都较低，从而达到吸收峰切换调整的目的。此外，申请人还发现，当Ef1＝0.3eV、Ef2＝0.25eV时，2.5THz、和7.3THz附近可以同时保持90％以上的吸波率，如图6所示。此时本发明为双频带吸收体，由此本发明可以通过调节化学势实现从单频带吸波到双频带吸波的转化，具有操作可调特性。
实施例3，在实施例2的基础上，如图7所示，所述第一介质层2的四角处分别设有透射孔点阵12，每个角处的透射点阵12呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵12之间构成阵列栅。通过上述结用使得基于太赫兹波的同相和反相的两个偏振态相互叠加得到自旋态.能诱使第一介质层的结构中可以产生拓扑相变，从而得到具有更优的鲁棒性。申请人将实施例3中的太赫兹吸波体和实施例2中的太赫兹吸波体进行进了比对,用于测试太赫兹的吸收率,经过测试,相比实施例2中的吸收效果,实施例3中的吸收率可以再进一步的提高。
综上所述，本发明在太赫兹波段具有三个吸收峰，分别位于在2.5THz、4.1THz、7.3THz附近，具有而且平均吸收率在90％以上，具有太赫兹波吸收范围大，吸收率高的特点，本发明可以通过调节石墨烯的化学势(费米能级)，进而影响石墨烯表面阻抗，从而实现吸收波峰的选择，达到吸收峰切换调整的目的。

Claims (2)

1.基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体，其特征在于：包括由下往上依次层叠的金属底层(1)、第一介质层(2)、第一石墨烯层(3)、第一氧化铝层(4)、第二石墨烯层(5)、第二介质层(6)和第二氧化铝层(7)；所述第二氧化铝层(7)的上表面设有同心的第一金属环(8)和第二金属环(9)；所述第二氧化铝层(7)的上表面嵌设有两条对称的第一石墨烯带(10)，第一石墨烯带(10)分别贯穿第一金属环(8)和第二金属环(9)；所述第二氧化铝层(7)的下表面与第二介质层(6)之间嵌设有两条对称的第二石墨烯带(11)；所述金属底层(1)、第一介质层(2)、第一石墨烯层(3)、第一氧化铝层(4)、第二石墨烯层(5)、第二介质层(6)和第二氧化铝层(7)的截面均为正方形，宽度为8μm；所述金属底层(1)的材质为金，厚度为0.5μm；所述第一金属环(8)和第二金属环(9)的材质为金，厚度为0.2nm；所述第一金属环(8)的外径为3μm，内径为2.5μm；所述第二金属环(9)的外径为2μm，内径为1.5μm；所述第一石墨烯带(10)之间的间距为2μm，第一石墨烯带(10)的宽度为0.6μm，厚度为0.2nm；所述第二石墨烯带(11)之间的间距为2μm，第二石墨烯带(10)的宽度为0.6μm，厚度为0.2nm；所述第一介质层(2)的材质为二氧化硅，厚度为43μm；所述第二介质层(6)的材质为二氧化硅，厚度为41.5μm；所述第一氧化铝层(4)和第二氧化铝层(7)的厚度均为0.05μm；所述第一石墨烯层(3)和第二石墨烯层(5)的厚度为0.2nm。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体，其特征在于：所述第一介质层(2)的四角处分别设有透射孔点阵(12)，每个角处的透射点阵(12)呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵(12)之间构成阵列栅。
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