CN113193382B - 一种吸波器及电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明属于太赫兹超材料吸波器领域，提供了一种吸波器及电子设备。其中，吸波器包括金模层和至少一个硅金结构，所述硅金结构设置在金模层上，所述金模层用于阻挡电磁波的透射，所述硅金结构由从下到上的硅层和金层构成，所述硅金结构为圆柱体，所述圆柱体的半径大小用来决定所述吸波器的吸收峰波段。其具有对入射波的入射角和极化角不敏感的优点。

Description

一种吸波器及电子设备
技术领域
本发明属于太赫兹超材料吸波器领域，尤其涉及一种吸波器及电子设备。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
吸波器件在军事国防、医疗、电子产品等领域具有重要应用价值，太赫兹波由于宽带性、低能性、瞬态性近年来成为研究热点，因此太赫兹吸波器件具有实际应用意义和广泛市场。随着人工复合超材料的发展，各种不同材料、不同结构的金属和介质被设计为谐振单元来激发表面等离子激元从而达到吸波的效果，但是发明人发现，金属谐振器吸收太赫兹波的波段过窄使得其实际应用受到限制。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明的第一个方面提供一种吸波器，其具有对入射波的入射角和极化角不敏感的优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
在一个或多个实施例中，一种吸波器，其包括金模层和至少一个硅金结构，所述硅金结构设置在金模层上，所述金模层用于阻挡电磁波的透射，所述硅金结构由从下到上的硅层和金层构成，所述硅金结构为圆柱体，所述圆柱体的半径大小用来决定所述吸波器的吸收峰波段。
作为一种实施方式，当所述硅金结构的数量为至少两个时，这些硅金结构的半径均不同。
作为一种实施方式，所述吸波器还包括基底层，所述基底层用于支撑金模层。
在一个或多个实施例中，一种吸波器，其包括金模层和至少一个硅金结构，所述硅金结构设置在金模层上，所述金模层用于阻挡电磁波的透射，所述硅金结构由从下到上的硅层和金层构成，所述硅金结构为圆台体，所述硅金结构的数量用来决定所述吸波器的吸波频段。
作为一种实施方式，所述硅金结构的数量越少，所述吸波器的吸波频段越窄。
作为一种实施方式，所述吸波器还包括基底层，所述基底层用于支撑金模层。
在一个或多个实施例中，一种吸波器，其包括金模层、至少一个第一硅金结构和至少一个第二硅金结构，所述第一硅金结构设置在金模层上，所述第二硅金结构设置在第一硅金结构上，所述金模层用于阻挡电磁波的透射，所述第一硅金结构和第二硅金结构均由从下到上的硅层和金层构成，所述第一硅金结构为圆柱体，所述第二硅金结构为圆台体，所述圆柱体的半径大小用来决定所述吸波器的吸收峰波段，所述第二硅金结构的数量用来决定所述吸波器的吸波频段。
作为一种实施方式，当所述第一硅金结构的数量为至少两个时，这些第一硅金结构的半径均不同。
作为一种实施方式，所述第二硅金结构的数量越少，所述吸波器的吸波频段越窄。
作为一种实施方式，所述吸波器还包括基底层，所述基底层用于支撑金模层。
本发明的第二个方面提供一种电子设备。
在一个或多个实施例中，一种电子设备，其包括上述任一所述的吸波器。
本发明的有益效果是：
(1)本发明提供了一种吸波器包括金模层和至少一个硅金结构，利用金模层阻挡电磁波的透射，硅金结构由从下到上的硅层和金层构成，硅金结构为圆柱体，通过改变圆柱体的半径大小来改变所述吸波器的吸收峰波段，而且硅金结构的数量对应吸收峰波段的数量，从而形成单波段或多波段吸波器。
(2)本发明提供了一种吸波器包括金模层和至少一个硅金结构，硅金结构设置在金模层上，金模层阻挡电磁波的透射，硅金结构由从下到上的硅层和金层构成，硅金结构为圆台体，通过改变硅金结构的数量来决定所述吸波器的吸波频段，从而形成具有宽带吸波效果的吸波器。
(3)本发明提供了一种吸波器包括金模层、至少一个第一硅金结构和至少一个第二硅金结构，第一硅金结构为圆柱体，第二硅金结构为圆台体，圆柱体的半径大小用来决定所述吸波器的吸收峰波段，第二硅金结构的数量用来决定所述吸波器的吸波频段，从而形成具有单波段吸收与宽带吸收结合的吸波效果或多波段吸收与宽带吸收结合的吸波效果。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例的单波段吸波器结构示意图；
图2(a)是本发明实施例的单波段吸波器的吸收率与反射系数图谱；
图2(b)是本发明实施例的单波段吸波器的吸收率图；
图2(c)是本发明实施例的谐振的波长与上两层圆的半径的线性关系；
图3是本发明实施例的多波段吸波器结构示意图；
图4(a)是本发明实施例的带宽吸波器结构示意图；
图4(b)是本发明实施例的带宽吸波器侧视图；
图5(a)是本发明实施例的带宽吸波器结构宽带吸波器对入射波的入射角和极化角变化时的吸收率；
图5(b)是本发明实施例的带宽吸波器入射波以不同的入射角入射时的吸收率；
图6是本发明实施例的带宽吸波器中随着圆台形“MI”数量减少的吸收率；
图7是本发明实施例的单波段吸收与宽带吸收结合的吸波器结构示意图；
图8是本发明实施例的单波段吸收与宽带吸收结合的吸波器的吸收率；
图9是本发明实施例的双波段吸收与宽带吸收结合的吸波器的吸收率；
图10是本发明实施例的三波段吸收与宽带吸收结合的吸波器的吸收率。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例一
如图1所示，本实施例提供了一种吸波器，其包括金模层3和一个硅金结构，所述硅金结构设置在金模层上，所述金模层3用于阻挡电磁波的透射，所述硅金结构由从下到上的硅层2和金层1构成，所述硅金结构为圆柱体，所述圆柱体的半径大小用来决定所述吸波器的吸收峰波段。
在图1中，所述吸波器还包括基底层4，所述基底层4用于支撑金模层。
例如：图1的吸波器结构一共有4层，从上到下依次为半径为18.5um的金圆、半径为18.5um的硅、金模、基底，其厚度依次为0.5um、2um、1um、5um，整体为周期性亚波长结构，单个单元在横向与纵向的周期均为55um。图1中的吸波器具有单波段吸波的效果。
金模的厚度只要大于其趋肤深度都可以实现功能。
需要说明的是，基底的材料及厚度，本领域技术人员可根据实际情况来具体设置。
在1.36THz，该吸波器的上层金属结构产生了电谐振响应，上下两层金属之间产生了磁谐振响应，在两种谐振的共同作用下该吸波器实现了高达99.6％的完美吸收效果。从图2(a)和图2(b)可以看到，吸波器的反射系数在谐振频率处为0，而金模的存在使得透射系数为0，因此吸收率几乎接近100％。并且谐振的波长与上两层圆的半径成良好的线性关系，如图2(c)所示，可以通过改变圆的半径得到满足实际应用场景的吸波频率。
实施例二
本实施例供了一种吸波器，其包括金模层和多个(比如：2个或3个等)硅金结构，所述硅金结构设置在金模层上，所述金模层用于阻挡电磁波的透射，所述硅金结构由从下到上的硅层和金层构成，所述硅金结构为圆柱体，所述圆柱体的半径大小用来决定所述吸波器的吸收峰波段。
当所述硅金结构的数量为至少两个时，这些硅金结构的半径均不同。
图3中的吸波器具有多波段吸波的效果，在图1中结构的基础上，把一层“金圆-硅圆”记为一个“MI”，将两个或三个不同半径的MI叠加起来，放置到金模之上就形成来双波段或三波段吸波器。
三个MI的半径依次为12.5um、16.5um、22.5um，如图3所示。可以通过更多“MI”的叠加得到更多的吸收峰。每一层MI在一个频率点对应产生一个吸收峰，从而两层、三层叠加后在双波段、三波段实现吸波效果。如图3所示，图3中的第一个图与如图1所示的结构保持一致，是单层的吸波器，该单层吸波器中圆的半径分别取12.5um、16.5um、22.5um时对应在2THz、1.52THz、1.1THz处独立产生一个吸收峰；第二个图将半径为16.5um、22.5um的“MI”叠加形成双波段吸波器，对应在2THz、1.52THz处同时得到2个吸收峰；图3将以上三个不同半径的“MI”叠加从而在以上三个波段同时得到吸收峰，从而形成三波段吸波器。
实施例三
本实施例提供了一种吸波器，其包括金模层和多个硅金结构，所述硅金结构设置在金模层上，所述金模层用于阻挡电磁波的透射，所述硅金结构由从下到上的硅层和金层构成，所述硅金结构为圆台体，所述硅金结构的数量用来决定所述吸波器的吸波频段。
在该实施例中，保持如图1中结构的金模与玻璃基底不变，将上层的圆形MI改为圆台形MI，把预设层(比如：45层)圆台形MI叠加起来形成一个大圆台，然后将大圆台放置在与如图1相同的金模、玻璃基底上，大圆台的上下直径分别为22.5um、45um，高度为50.625um，每一个小圆台形MI中，金圆台高度为0.25um，硅圆台高度为1um。之后可以通过减少大圆台中MI的层数调谐吸波频段，如图4(a)和图4(b)所示。这些形成的吸波器具有宽带吸波的效果。宽带吸波器是由多频段吸波器过渡而来的，45层中每一层都对应于特定的一个频率点，45层叠加起来就起到了点连成线，即宽带吸收的效果。也因此，如果层数更少，那么吸收波段会变窄，如果层数更多，那么吸收波段会变宽。
在基于表面等离激元的电偶极子共振和不同金属层间的磁偶极子共振的共同作用下，频率在1.2THz到2THz范围的入射太赫兹波被宽带吸波器以99％的平均吸收率高效吸收。从图5(a)可见宽带吸波器对入射波的入射角和极化角不敏感；从图5(b)可见入射波以不同的入射角入射时，45°之内的入射角对吸收率的影响较小，即便是在入射角高达60°时吸波器依旧有85％的平均吸收率。此外由于宽带吸波器的特定高度对应特定波段的吸收，通过由上而下地减少大圆台中MI的层数可以有效地调谐吸波波段，如图6所示，随着圆台形“MI”数量的减少，吸收波段也逐渐变窄。在图6中，25层的效果用直线表示，向上加到30层的效果用划线表示，继续向上加5层的效果用点线表示，加到共45层的效果用点划线表示。总之层数设置非常灵活，其原则就是特定半径的层数对应特定频率点的吸收效果。
实施例四
本实施例提供了一种吸波器，其包括金模层、一个第一硅金结构和多个一个第二硅金结构，所述第一硅金结构设置在金模层上，所述第二硅金结构设置在第一硅金结构上，所述金模层用于阻挡电磁波的透射，所述第一硅金结构和第二硅金结构均由从下到上的硅层和金层构成，所述第一硅金结构为圆柱体，所述第二硅金结构为圆台体，所述圆柱体的半径大小用来决定所述吸波器的吸收峰波段，所述第二硅金结构的数量用来决定所述吸波器的吸波频段。这样形成的吸波器具有单波段吸收与宽带吸收结合的吸波效果。
例如：45层的宽带吸波器可以高效吸收1.2THz到2THz范围内的入射电磁波，但是如果实际应用只需要吸收1.3THz到1.8THz范围的电磁波的话，我们就可以只选择使用11层到35层。如图7所示，以图1中与图3中的结构为基础，先将图3中45层圆台的第11层至第35层取出，再将之放置到图1的圆形MI上方，所有的材料和结构参数保持不变。之后改变了图1中圆形MI的半径以改变单波段的吸波频率。
图4(a)中的结构可以视为结构图1与图3中的结构的重构，因此其吸波效果也表现为单频带吸波器与宽带吸波器吸波效果的组合，如图8所示，图4(a)中的吸波器同时在单波段和宽波段实现了高吸波效果。并且根据半径与谐振波长的线性关系，可以根据实际需要，通过改变图1中圆形MI的半径调谐吸波频率，并且同时基本不改变宽带吸波效果。
实施例五
本实施例还提供了一种吸波器，其包括金模层、多个第一硅金结构和至少一个第二硅金结构，所述第一硅金结构设置在金模层上，所述第二硅金结构设置在第一硅金结构上，所述金模层用于阻挡电磁波的透射，所述第一硅金结构和第二硅金结构均由从下到上的硅层和金层构成，所述第一硅金结构为圆柱体，所述第二硅金结构为圆台体，所述圆柱体的半径大小用来决定所述吸波器的吸收峰波段，所述第二硅金结构的数量用来决定所述吸波器的吸波频段。
在本实施例中，当所述第一硅金结构的数量为至少两个时，这些第一硅金结构的半径均不同。所述第二硅金结构的数量越少，所述吸波器的吸波频段越窄。所述吸波器还包括基底层，所述基底层用于支撑金模层。
当第一硅金结构的数量为两个时，形成双波段吸收与宽带吸收结合的吸波效果，如图9所示；
当第一硅金结构的数量为三个时，形成三波段吸收与宽带吸收结合的吸波效果，如图10所示。
实施例六
本实施例还提供了一种电子设备，其包括上述任一实施例中所述的吸波器。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种吸波器，其特征在于，包括金模层和至少两个硅金结构，所述硅金结构设置在金模层上，所述金模层用于阻挡电磁波的透射，所述硅金结构由从下到上的硅层和金层构成，所述硅金结构为圆柱体，所述圆柱体的半径大小用来决定所述吸波器的吸收峰波段；所述硅金结构的半径均不同；吸波器整体为周期性亚波长结构；所述吸波器还包括基底层，所述基底层用于支撑金模层。
2.一种吸波器，其特征在于，包括金模层和至少两个硅金结构，所述硅金结构设置在金模层上，所述金模层用于阻挡电磁波的透射，所述硅金结构由从下到上的硅层和金层构成，所述硅金结构为圆台体，所述硅金结构的数量用来决定所述吸波器的吸波频段；吸波器整体为周期性亚波长结构；
所述吸波器还包括基底层，所述基底层用于支撑金模层。
3.如权利要求2所述的吸波器，其特征在于，所述硅金结构的数量越少，所述吸波器的吸波频段越窄。
4.一种吸波器，其特征在于，包括金模层、至少一个第一硅金结构和至少一个第二硅金结构，所述第一硅金结构设置在金模层上，所述第二硅金结构设置在第一硅金结构上，所述金模层用于阻挡电磁波的透射，所述第一硅金结构和第二硅金结构均由从下到上的硅层和金层构成，所述第一硅金结构为圆柱体，所述第二硅金结构为圆台体，所述圆柱体的半径大小用来决定所述吸波器的吸收峰波段，所述第二硅金结构的数量用来决定所述吸波器的吸波频段；吸波器整体为周期性亚波长结构；
所述吸波器还包括基底层，所述基底层用于支撑金模层。
5.如权利要求4所述的吸波器，其特征在于，当所述第一硅金结构的数量为至少两个时，这些第一硅金结构的半径均不同；
或所述第二硅金结构的数量越少，所述吸波器的吸波频段越窄。
6.一种电子设备，其特征在于，包括如权利要求1所述的吸波器；
或包括如权利要求2-3中任一项所述的吸波器；
或包括如权利要求4-5中任一项所述的吸波器。
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