CN113078479B - 一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器 - Google Patents

一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器 Download PDF

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Abstract

一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器，属于超材料及电磁功能材料技术领域。该太赫兹超材料吸收器，包括金属反射层、介质层、石墨烯层和硅半球层。所述金属反射层为一层连续的金属薄膜，其厚度大于工作太赫兹波的趋肤深度；介质层位于金属反射层和石墨烯层之间，为聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜；未图案化的石墨烯层之上负载着硅半球层，由复合的半椭球和半圆球周期性排列而成，且每个周期包含旋转对称的四个半椭球和中心的一个半圆球结构。本发明通过合理设计硅半球的几何尺寸以及石墨烯外加电压值，可以实现对垂直入射到超材料表面的电磁波完全吸收的特性。本发明结构简单、无需多层叠加结构，且具有宽频带高吸收的特性。

Description

一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器
技术领域：
本发明属于超材料及电磁功能材料技术领域，涉及一种太赫兹吸收器，具体涉及一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器。
背景技术：
太赫兹波(THz)的频率范围约为0.1～10THz(波长范围约为3mm～30μm)，位于微波与红外之间，它具有非常丰富的物理性质，例如，对水强吸收，对纸张、布等透明，对生物有机大分子的识别，以及对生物组织的无害电离等，使其可广泛地应用于安检、通信、生物医学领域，应用潜力巨大，日益受到国内外研究者的广泛关注。但是，由于自然界中对THz波能够产生响应的物质较少，导致对它的研究还很稀少。最大的研究瓶颈是，能够产生有效THz响应的探测器还非常缺乏，这极大阻碍了THz波的实际应用。目前，常见的THz波吸收器大多为基于超材料的吸收器。
电磁超材料(Metamaterial)是指一类具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工复合结构或复合材料。通过对超材料的物理尺寸的优化设计，可实现对电磁波性能的有效调控，可表现出诸如完美透镜、负折射率等超常电磁特性。2008年，Landy等人首次正式提出了“完美吸收器”的概念[Phys.Rev.Lett.100,207402(2008)]。它一般具有三层结构，由下往上依次为金属层，介质层，超材料层。通过对结构参数的优化设计，可实现介电常数ε和磁导率μ的完美匹配，并可使电磁超材料吸收器与自由空间达到良好的阻抗匹配以降低反射，最终实现对特定频率范围入射电磁波近乎100％吸收。据文献调研可知，到目前为止，已报道的太赫兹吸收器往往具有吸收频带较窄或吸收强度低等问题，距实际应用仍存在较大差距。因此，如何研制出高吸收、宽波段超材料太赫兹吸收器已成为当前的一个研究热点。
研究发现，相较金属，利用石墨烯在太赫兹波段产生的等离子体共振效应更为显著，且其电导率可通过外电场灵活调控。这为设计具有优异吸波特性的新型石墨烯基太赫兹超材料吸收器提供了可能。经对已有的石墨烯基太赫兹超材料吸收器所具有的共性特点系统总结可知，利用石墨烯材料实现太赫兹波宽带吸收主要有以下两种形式：一是，通过在平面内将多个石墨烯谐振单元结构相组合或将尺寸按一定规则变化的石墨烯图案单元构成阵列等方法，通过将多个相邻吸收峰耦合叠加以实现拓宽其吸收带宽；二是，通过在垂直方向上叠加多层图案化石墨烯结构以实现宽带吸收。上述两种方法虽均可在一定程度上拓宽吸收带宽，但由于均需将石墨烯图案化，由此而产生的边缘效应使其最高吸收率一般不会高于90％，限制了其吸收性能的发挥。因此本发明拟采取消除石墨烯边缘效应、引入表面硅介质结构等创新技术手段设计一种具有接近100％理想吸收性能的新型宽带太赫兹超材料吸收器。
发明内容：
针对现有石墨烯超材料吸收器的不足，本发明提出了一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器，其具有宽频带、高吸收(近乎100％吸收)等优异特性。
本发明具体技术方案如下：
一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，包括金属反射层、介质层，石墨烯层和硅半球层；所述金属反射层为一层连续的金属薄膜，材料为金、银、铝或铜，厚度为1～2μm；介质层位于金属反射层和石墨烯层之间，为聚二甲基硅氧烷PDMS，相对介电常数为1～2之间，介质层的厚度为12～18μm；未图案化的石墨烯层的化学势在0.1eV～0.9eV之间,石墨烯层的厚度为0.7～1.8nm；石墨烯层之上负载着硅半球层，由复合的半椭球和半圆球周期性排列而成，且每个周期包含旋转对称的四个半椭球和中心的一个半圆球结构，硅半球层的材料为硅，相对介电常数在11～12之间，该超材料结构单元的晶格周期为90～110μm，每个半椭球的长轴长为35～40μm短轴长为8～13μm，而中心半圆球的半径长度在20～30μm之间。
制备所述一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器的工艺，其特征在于：首先，通过真空镀膜工艺在石英基板表面镀上1～2μm厚度的金属反射镜；通过水热法制备PDMS溶液，然后通过超声精密喷涂机将PDMS溶液喷涂在金属反射镜表面，真空干燥，得到12～18μm厚度的PDMS薄膜；运用化学气相沉积法在铜箔衬底上生长0.7nm～1.8nm厚度的石墨烯，然后将石墨烯薄膜从铜箔衬底上转移至PDMS薄膜表面(具体可以采用湿化学腐蚀基底法)；最后，采用光刻的方法在石墨烯表面刻蚀出硅半球层。
这是一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器，由下到上依次为金属反射层、介质层、石墨烯层和硅半球层。所述金属反射层为一层连续的金属薄膜,其材料可为金、银、铝或铜，厚度应大于工作太赫兹波的趋肤深度，约为1～2μm。所述介质层应位于金属反射层与石墨烯层之间，材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜,相对介电常数可在1～2之间，厚度约为12～18μm。介质层上为石墨烯层，本发明石墨烯层无需图案化，其化学势约为0.1～0.9eV，厚度约为1nm。石墨烯层之上为硅负载层，其由四个处于边缘的旋转半椭球和位于中心的一个半圆球构成结构单元，其相对介电常数约为11～12。整个超材料结构单元的晶格周期为90～110μm，每个半椭球的长轴为35～40μm，短轴长为8～13μm，中心半圆球的半径范围约为20～30μm。
本发明所述的太赫兹超材料吸收器，优异的吸收特性主要来源于无边缘效应石墨烯的引入，以及经优化设计的吸收器结构，使其可激发多个离散的石墨烯等离子体共振(GPRS)和连续变化的法布里珀罗共振(FPRS)，从而实现宽带强吸收的优异性能。其中，椭球-半球体结构单元具有连续改变的几何轮廓，形成一系列法布里-珀罗谐振腔(F-P腔)，并导出具有连续频率的F-P谐振。该连续的F-P谐振不仅可有效填充离散GPRS的频率间隔，还可避免形成谐振频率的重叠。一方面，通过椭球-半球F-P谐振腔的结构优化设计；另一方面，利用外场通过对石墨烯化学势的适当调控，可实现GPRS和FPRS的有效耦合，最终实现吸收带宽与吸收强度的协同优化。具体的，本发明所述的超材料吸收器，其吸收率保持90％以上的吸收频带宽度最大可达6.2THz，且其最大吸收率可高达99.48％。
综上所述，本发明所述太赫兹超材料吸收器具有图形结构相对简单、不需多层超材料堆叠，具有宽频带和近100％吸收等显著优势，适用于太赫兹波收集和探测等领域。
附图说明：
图1是本发明所述的基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器的阵列结构示意图
图2是本发明所述的基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器结构单元示意图：(a)正视图和(b)俯视图
图3本发明所述的基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器吸收率随频率变化关系(a)当石墨烯化学势为0.2eV时和(b)当石墨烯化学势为0.9eV时
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器，如图1、2所示，包括金属反射层、介质层、石墨烯层和硅半球层。所述金属反射层为一层连续的金属金薄膜，电导率为4.561×107S/m，其厚度tm＝2μm；介质层为聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜薄膜，相对介电常数和损耗角正切为1.72和0.15，介质厚度ts＝15μm；石墨烯层化学势E＝0.2eV和0.9eV，厚度tn＝1nm，硅半球层的材料为硅，相对介电常数和损耗角正切分别为11.65和0.174。椭球-半球F-P谐振腔的具体尺寸为：每个旋转半椭球的长轴为r1＝38μm，短轴为r2＝11μm，半圆球半径为r3＝26μm，每个椭圆中心与近邻单元侧壁距离分别为m＝40μm，n＝12μm，晶格周期p＝104μm。
在垂直入射TE波情况下，利用CST Studio Suite 2020电磁仿真软件，上述太赫兹超材料吸收器的吸收率随频率变化关系的仿真计算结果如图3所示。由图可知，(1)当石墨烯化学势为0.2eV时，吸收超过90％的频带有两个，分别为：0.1THz～3.1THz与3.7THz～6.3THz，总吸收带宽可达5.7THz，最大吸收率高达99.20％。(2)当石墨烯化学势为0.9eV时，吸收超过90％的频带范围为1.7THz～7.9THz，其吸收频带宽度可达6.2THz，最大吸收率高达99.48％。根据分析，其基本工作原理可能为，经结构优化设计和外加电压调节，可实现吸收器阻抗在特定频率范围内与自由空间阻抗的良好匹配。在此情况下，电磁波可几乎完全进入吸收器而尽可能不被反射，即反射率R越小越好；此外，底部的金属反射层尽可能抑制入射电磁波的透射，使透射率T也越小越好。这样，设计良好的吸收器可将电磁波完全限制在该器件内部，从而实现近乎100％的完美吸收。

Claims (1)

1.一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，包括金属反射层、介质层，石墨烯层和硅半球层；所述金属反射层为一层连续的金属薄膜，材料为金、银、铝或铜，厚度为1 ~ 2 μm；介质层位于金属反射层和石墨烯层之间，为聚二甲基硅氧烷PDMS，相对介电常数为1～2之间，介质层的厚度为12 ~ 18 μm；未图案化的石墨烯层的化学势在0.1 eV ～ 0.9 eV之间, 石墨烯层的厚度为0.7 ~ 1.8 nm；石墨烯层之上负载着硅半球层，由复合的半椭球和半圆球周期性排列而成，且每个周期包含旋转对称的四个半椭球和中心的一个半圆球结构，硅半球层的材料为硅，相对介电常数在11～12之间，该超材料结构单元的晶格周期为90 ~ 110μm，每个半椭球的长轴长为35 ~ 40 μm短轴长为8 ~ 13 μm，而中心半圆球的半径长度在20～30 μm之间；
并且通过以下方法制备得到：
首先，通过真空镀膜工艺在石英基板表面镀上1 ~ 2 μm厚度的金属反射镜；通过水热法制备PDMS溶液，然后通过超声精密喷涂机将PDMS溶液喷涂在金属反射镜表面，真空干燥，得到12 ~ 18 μm厚度的PDMS薄膜；运用化学气相沉积法在铜箔衬底上生长0.7 nm ~1.8 nm厚度的石墨烯， 然后将石墨烯薄膜从铜箔衬底上转移至PDMS薄膜表面；最后，采用光刻的方法在石墨烯表面刻蚀出硅半球层。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111308588B (zh) * 2020-03-23 2022-03-25 中北大学 一种基于表面等离激元多频带完美吸收器
CN113764961B (zh) * 2021-08-26 2022-11-25 中国计量大学 小半球结构太赫兹双功能器件及其方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108646325A (zh) * 2018-05-07 2018-10-12 厦门大学 一种频率可调的石墨烯宽角度太赫兹吸波器
AU2020101400A4 (en) * 2020-07-17 2020-08-20 Guilin Univ. Electr. Techol. A four-band terahertz absorber with independently modulation of amplitude and frequency
CN111817019A (zh) * 2020-06-12 2020-10-23 电子科技大学 渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108646325A (zh) * 2018-05-07 2018-10-12 厦门大学 一种频率可调的石墨烯宽角度太赫兹吸波器
CN111817019A (zh) * 2020-06-12 2020-10-23 电子科技大学 渐变结构介质加载石墨烯超宽带高效广角太赫兹吸波器
AU2020101400A4 (en) * 2020-07-17 2020-08-20 Guilin Univ. Electr. Techol. A four-band terahertz absorber with independently modulation of amplitude and frequency

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Dielectric stereostructure on graphene for ultrawideband terahertz absorber;Renbin Zhong等;《2020 IEEE Asia-Pacific Microwave Conference (APMC)》;20210201;第II节 *

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