CN113178707A

CN113178707A - 一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器

Info

Publication number: CN113178707A
Application number: CN202110444168.1A
Authority: CN
Inventors: 陈娟; 靳书珍
Original assignee: Shenzhen Research Institute Of Xi'an Jiaotong University; Xian Jiaotong University
Current assignee: Shenzhen Research Institute Of Xi'an Jiaotong University; Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-04-23
Filing date: 2021-04-23
Publication date: 2021-07-27

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，包括由上到下依次设置的顶层、第一介质层、中间层、第二介质层及底层基板；顶层和中间层均为石墨烯层；其中，入射波在顶层与中间层达到谐振时的吸收峰交叉重叠；顶层的化学势大小通过顶层与底层基板之间的偏置电压V_g进行调控，中间层的化学势大小通过中间层与底层基板之间的偏置电压V_s进行调控；本发明通过通过设置顶层和中间层，且均为石墨烯层，实现了良好的阻抗匹配；使入射波在顶层和中间层达到谐振时的吸收峰交叉重叠，实现有效拓宽其工作带宽；分别采用偏置电压动态调控石墨烯层的化学势，实现了吸波器吸波幅度的动态调节效果；本发明结构简单，尺寸小，具有完美的吸收效果，灵活性好。

Description

一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器

技术领域

本发明属于电磁波吸波设备技术领域，特别涉及一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器。

背景技术

随着吸波器在隐形技术、无线安全和太赫兹通信等领域的广泛应用，对于吸波器的带宽、尺寸以及灵活性提出了更高的要求；而超材料吸波器是一种亚波长的吸波结构，它具有高吸收率、厚度薄以及电磁特性可设计等诸多优点，超材料吸波器提升了太赫兹功能器件的灵敏度。但由于超材料吸波器本身的谐振机理，大多数的吸波器结构带宽较窄，且一旦加工完成，其性能也固定不变，无法满足多个场景下的灵活吸波的需求。

发明内容

针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，以解决现有的超材料吸波器带宽较窄，且固定不变，无法满足多个场景下的灵活吸波需求。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，包括由上到下依次设置的顶层、第一介质层、中间层、第二介质层及底层基板；顶层和中间层均为石墨烯层；其中，入射波在顶层与中间层达到谐振时的吸收峰交叉重叠；顶层的化学势大小通过顶层与底层基板之间的偏置电压V_g进行调控，中间层的化学势大小通过中间层与底层基板之间的偏置电压V_s进行调控。

进一步的，顶层与底层基板之间设置有第一导电接触件，中间层与底层基板之间设置有第二导电接触件；第一导电接触件及第二导电接触件分别用于施加栅极电压。

进一步的，石墨烯层的厚度为1nm，温度T＝298-300K，弛豫时间τ＝0.1-1.0ps。

进一步的，第一介质层及第二介质层均为二氧化硅材料，二氧化硅材料的相对介电常数ε_r＝3-5。

进一步的，底层基板为金构成的底层基板；其中，金构成的底层基板的厚度大于入射波长的趋肤深度，金构成的底层基板的电导率σ_gold＝(4.52×10⁷-4.561×10⁷)S/m。

进一步的，顶层和中间层均为长方形贴片结构，顶层的面积小于中间层的面积；底层基板为长方形金属背板；第一介质层和第二介质层均为长方体板结构，且第一介质板的高度小于第二介质板的高度。

进一步的，顶层的尺寸特征为：长×宽×厚＝1.1μm×0.45μm×0.001μm；第一介质层的尺寸特征为：长×宽×高＝2μm×0.8μm×0.83μm；中间层的尺寸特征为：长×宽×厚＝1.6μm×0.8μm×0.001μm；第二介质层的尺寸特征为：长×宽×高＝2μm×0.8μm×4μm；底层基板的尺寸特征为：长×宽×厚＝2μm×0.8×0.3μm。

进一步的，顶层的化学势为0-1ev，中间层的化学势为0-1ev。

进一步的，顶层与中间层的化学势均为1ev。

进一步的，顶层与中间层的化学势均为0ev。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，通过设置顶层和中间层，且均为石墨烯层，实现了良好的阻抗匹配；通过调节顶层与中间层的结构尺寸，使入射波在顶层和中间层达到谐振时的吸收峰交叉重叠，实现有效拓宽其工作带宽；分别采用偏置电压动态调控石墨烯层的化学势，实现了吸波器吸波幅度的动态调节效果；本发明结构简单，尺寸小，具有完美的吸收效果，灵活性好。

进一步的，采用导电接触件施加栅极电压，能够动态调节石墨烯层的电导率，石墨烯层化学势的大小随其电导率的变化而变化；能够在不改变吸波器的结构前提下，实现对吸波器与反射器的转换，提高了吸波器吸波幅度性能，满足多个场景下的灵活吸波需求。

进一步的，石墨烯层的厚度采用1nm，成本低，在保证电磁波吸收效果的情况下，能够尽可能减小石墨烯层的使用面积。

进一步的，上下两个石墨烯层的化学势通过偏置电压独立调控，当两个石墨烯层的化学势均为1ev时，其吸收率能够达到90％以上，此时该吸波器为完美吸波器；当两个石墨烯层的化学势均为0ev时，其反射率能够达到90％以上，此时该吸波器为完美反射器；与传统吸波器相比，实现了幅度可调和更好的吸收效果。

进一步的，采用金构成的底层基板，金构成的底层基板的厚度大于入射波长的趋肤深度时，阻挡电磁波通过，此时可以使结构的透射率降为0，其透射系数实现忽略不计。

本发明所述的基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，通过加载两个石墨烯层，解决了传统太赫兹吸波器带宽窄和灵活性差的问题；与同结构、同尺寸、使用单层石墨烯的吸波器相比，本发明所述的太赫兹吸波器的工作频段为4.7Thz-13.2Thz，带宽提高了约60％，通过对石墨烯层的化学势的调节，实现完美吸波器与完美反射器的灵活转换；本发明具有较高的应用价值，且具有幅度可调、尺寸小及吸收效果良好等优点；在满足高吸收率的同时尽可能的拓宽带宽，另外通过控制石墨烯层的化学势，达到吸波器灵活可调的目的。

附图说明

图1为实施例所述的太赫兹吸波器的整体结构示意图；

图2为实施例所述的太赫兹吸波器的顶层结构示意图；

图3为实施例所述的太赫兹吸波器的侧视图；

图4为实施例所述的太赫兹吸波器的底层结构示意图；

图5为实施例中的太赫兹吸波器在入射电磁波垂直入射下的反射系数仿真结果图；

图6为实施例中的太赫兹吸波器在入射电磁波垂直入射下的吸波率仿真结果图；

图7为实施例中石墨烯层在不同化学势下的吸波率仿真结果图；

图8为实施例中的太赫兹吸波器在入射电磁波斜入射下的吸波率仿真结果图；

图9为实施例中的太赫兹吸波器与同结构同尺寸的单层石墨烯吸波器的吸波率仿真结果对比图。

其中，1顶层，2第一介质层，3中间层，4第二介质层，5底层基板。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，包括顶层1、第一介质层2、中间层3、第二介质层4及底层基板5；顶层1、第一介质层2、中间层3、第二介质层4及底层基板5由上到下依次设置，顶层1、第一介质层2、中间层3、第二介质层4及底层基板5的中心上下重合，且沿中心对称设置；其中，顶层1和中间层3均为石墨烯层；通过调节顶层1和中间层3的形状和面积大小，使入射波在顶层1与中间层3达到谐振时的吸收峰交叉重叠；通过设置两个石墨烯层，实现了良好的阻抗匹配，且拓宽了工作带宽。

顶层1与底层基板5之间设置有第一导电接触件，中间层3与底层基板5之间设置有第二导电接触件；第一导电接触件及第二导电接触件分别用于施加栅极电压；顶层1的化学势大小通过顶层1与底层基板5之间的偏置电压V_g进行调控，中间层3的化学势大小通过中间层3与底层基板5之间的偏置电压V_s进行调控；本发明中，通过导电接触件施加栅极电压，能够动态调节石墨烯层的电导率，石墨烯层化学势的大小随其电导率的变化而变化；偏置电压独立调控两个石墨烯层的化学势，实现了吸波幅度动态调控的效果，灵活性好；结构简单，尺寸小，能够实现完美的吸收效果。

本发明采用石墨烯层作为吸波材料，在高频阶段，石墨烯层电导率的虚部和实部可以相比拟，由于虚部电抗特性的增加，使得石墨烯在高频频段容易发生谐振，其表面与入射波发生等离子共振，从而实现完美吸收；一般吸波器的吸收效果会随石墨烯层厚度以及面积的增加而增强；本发明中，采用1nm的石墨烯层，能够有效降低成本；同时，在保证吸收效果的情况下尽可能减小石墨烯层的使用面积；本发明采用上下两个石墨烯层，通过调整两个石墨烯层的形状和面积，使这两个石墨烯层达到谐振时的吸收峰交叉重叠，从而拓宽了工作带宽。

本发明所述的太赫兹吸波器，顶层1的化学势为0-1ev，中间层3的化学势为0-1ev；优选的，顶层1与中间层3的化学势均为1ev时，其吸收率能够达到90％以上，吸波器为完美吸波器；顶层1与中间层3的化学势均为0ev，其反射率能够达到90％以上，吸波器为完美反射器。

本发明中，石墨烯层的厚度为1nm，温度T＝298-300K，弛豫时间τ＝0.1-1.0ps；第一介质层2及第二介质层4均为二氧化硅材料，二氧化硅材料的相对介电常数ε_r＝3-5；底层基板5为金构成的底层基板；其中，金构成的底层基板的厚度大于入射波长的趋肤深度，金构成的底层基板的电导率σ_gold＝(4.52×10⁷-4.561×10⁷)S/m；顶层1和中间层3均为长方形贴片结构，顶层1的面积小于中间层3的面积；底层基板5为长方形金属背板；第一介质层2和第二介质层4均为长方体板结构，且第一介质板2的高度小于第二介质板4的高度。

本发明所述的太赫兹吸波器，通过设置顶层和中间层，且均为石墨烯层，实现了良好的阻抗匹配；通过调节顶层与中间层的结构尺寸，使入射波在顶层和中间层达到谐振时的吸收峰交叉重叠，有效拓宽了工作带宽；分别采用偏置电压动态调控石墨烯层的化学势，实现了吸波器吸波幅度的动态调节效果；本发明结构简单，尺寸小，具有完美的吸收效果，灵活性好。

实施例

如附图1-4所述，本实施例提供了一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，包括顶层1、第一介质层2、中间层3、第二介质层4及底层基板5；顶层1、第一介质层2、中间层3、第二介质层4及底层基板5由上到下依次对中设置；其中，顶层1和中间层3均为石墨烯层。

顶层1与底层基板5之间设置有第一导电接触件，中间层3与底层基板5之间设置有第二导电接触件；第一导电接触件及第二导电接触件分别用于施加栅极电压；顶层1的化学势大小通过顶层1与底层基板5之间的偏置电压V_g进行调控，中间层3的化学势大小通过中间层3与底层基板5之间的偏置电压V_s进行调控；顶层1的化学势为0-1ev，中间层3的化学势为0-1ev；其中，当顶层1与中间层3的化学势均为1ev时，吸波器为完美吸波器；当顶层1与中间层3的化学势均为0ev时，吸波器为完美反射器。

本实施例中，石墨烯层的厚度为1nm，温度T＝298-300K，弛豫时间τ＝0.1-1.0ps；第一介质层2及第二介质层4均为二氧化硅材料，二氧化硅材料的相对介电常数ε_r＝3-5；底层基板5为金构成的底层基板，金构成的底层基板的厚度大于入射波长的趋肤深度；其中，金构成的底层基板的电导率σ_gold＝(4.52×10⁷-4.561×10⁷)S/m。

顶层1和中间层3均为长方形贴片结构，且顶层1的面积比中间层3的面积小；第一介质层2和第二介质层4均为长方体板结构，且第一介质板2的高度小于第二介质板4的高度；底层基板5为长方形金属背板；其中，第一介质板2、第二介质板4及底层基板5的长度及宽度尺寸均相同。

本实施例中，记：顶层1的长为l_t，宽为w_t，厚为d；第一介质层2的长为a，宽为a₁，高为h₁；中间层3的长为l_m，宽为w_m，厚为d；第二介质层4的长为a，宽为a₁，高为h₂；底层基板5的长为a，宽为a₁，厚为d₁；上述结构特征的尺寸具体如下表1所示：

表1实施例所述的太赫兹示波器的结构尺寸表

试验结果

本实施例所述的太赫兹示波器，其工作频段为4.7Thz-13.2Thz。

如附图5所示，附图5中给出了实施例中的太赫兹吸波器在入射电磁波垂直入射下的反射系数仿真结果图；从附图5中可以看出，在工作波段4.7Thz-13.2Thz，该吸波器的反射系数均低于-10dB，且呈现出极化不敏感的特性。

如附图6所示，附图6中给出了实施例中的太赫兹吸波器在入射电磁波垂直入射下的吸波率仿真结果图；其中，两个石墨烯层的化学势为1ev，由于透射系数可忽略不计，吸波系数由公式A＝1-|S₁₁|²＝1-R计算得到，并通过CST2018得到如附图6所示仿真结果；从附图6中可以看出，在工作频段4.7Thz-13.2Thz范围内，吸波率达到80％以上，而在4.93-12.46Thz区间，吸收率高达90％以上，呈现出良好的吸收效果。

如附图7所示，附图7中给出了实施例中石墨烯在不同化学势下的吸波率仿真结果图；具体包括吸波器在两层石墨烯的化学势均为1ev、0.6ev、0.4ev及0ev时的吸收率仿真结果；其中，u1表示顶层的化学势，u2表示中间层的化学势；从附图7中可以看出，随着石墨烯层化学势的降低，吸收率逐渐降低，吸波器的幅度可由偏置电压来调控；而当化学势为0ev时，该结构表现为全反射，所以此时可作为一个反射率高达90％的完美反射器；化学势为1ev时，该结构为一个完美的吸收器。

如附图8所示，附图8中给出了实施例中的太赫兹吸波器在入射电磁波斜入射下的吸波率仿真结果图，具体包括吸波器在入射电磁波分别以0°、10°、20°、30°及40°斜入射时得到的仿真结果；从附图8中可以看出，在较高频段时，吸收率随角度的增大而略微增大，而在工作频段内，吸收率曲线在40°范围内具有一定的稳定性。

如附图9所示，附图9中给出了实施例中的太赫兹吸波器与同结构同尺寸的单层石墨烯吸波器的吸波率仿真结果对比图，即u1＝1ev，u2＝0ev；从附图9中可以看出，在工作频段内本发明的吸波性能明显好于单层石墨烯吸波器，带宽增加了60％左右，且在工作频段内的吸收率高达90％以上，实现了完美吸收。

本发明所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，使用时，采用将该太赫兹吸波器采用周期性排列使用；通过在传统的吸波器上加载了两个石墨烯层，实现了良好的阻抗匹配；将入射波在两个石墨烯层达到谐振时的吸收峰交叉重叠，能够拓宽了工作带宽；通过偏置电压独立调控两个石墨烯层的化学势，实现吸波幅度动态调控的效果；与同结构、同尺寸、使用单层石墨烯的吸波器相比，本发明的工作频段为4.7Thz-13.2Thz，带宽提高了约60％，通过对石墨烯的开关可实现完美吸波器与完美反射器的灵活转换，具有尺寸小、结构简单以及完美的吸收效果等优势，解决了传统太赫兹吸波器带宽窄且灵活性差的问题。

上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。

Claims

1.一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于，包括由上到下依次设置的顶层(1)、第一介质层(2)、中间层(3)、第二介质层(4)及底层基板(5)；顶层(1)和中间层(3)均为石墨烯层；其中，入射波在顶层(1)与中间层(3)达到谐振时的吸收峰交叉重叠；顶层(1)的化学势大小通过顶层(1)与底层基板(5)之间的偏置电压V_g进行调控，中间层(3)的化学势大小通过中间层(3)与底层基板(5)之间的偏置电压V_s进行调控。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于，顶层(1)与底层基板(5)之间设置有第一导电接触件，中间层(3)与底层基板(5)之间设置有第二导电接触件；第一导电接触件及第二导电接触件分别用于施加栅极电压。

3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于，石墨烯层的厚度为1nm，温度T＝298-300K，弛豫时间τ＝0.1-1.0ps。

4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于，第一介质层(2)及第二介质层(4)均为二氧化硅材料，二氧化硅材料的相对介电常数ε_r＝3-5。

5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于，底层基板(5)为金构成的底层基板；其中，金构成的底层基板的厚度大于入射波长的趋肤深度，金构成的底层基板的电导率σ_gold＝(4.52×10⁷-4.561×10⁷)S/m。

6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于，顶层(1)和中间层(3)均为长方形贴片结构，顶层(1)的面积小于中间层(3)的面积；底层基板(5)为长方形金属背板；第一介质层(2)和第二介质层(4)均为长方体板结构，且第一介质板(2)的高度小于第二介质板(4)的高度。

7.根据权利要求6所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于，顶层(1)的尺寸特征为：长×宽×厚＝1.1μm×0.45μm×0.001μm；第一介质层(2)的尺寸特征为：长×宽×高＝2μm×0.8μm×0.83μm；中间层(3)的尺寸特征为：长×宽×厚＝1.6μm×0.8μm×0.001μm；第二介质层(4)的尺寸特征为：长×宽×高＝2μm×0.8μm×4μm；底层基板(5)的尺寸特征为：长×宽×厚＝2μm×0.8×0.3μm。

8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于，顶层(1)的化学势为0-1ev，中间层(3)的化学势为0-1ev。

9.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于，顶层(1)与中间层(3)的化学势均为1ev。

10.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于，顶层(1)与中间层(3)的化学势均为0ev。