CN113437526B - 基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法及器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法及器件，属于有源调制技术领域。其中调制方法为将电磁高效透射超表面与石墨烯超表面相结合，在微波波段内实现特定的工作频带和透射强度，同时通过在石墨烯上加载电压，实现双频带电磁波透射率的动态可调。其中调制器件包括两个独立的金属亚单元结构和石墨烯三明治结构，电磁高效透射超表面与石墨烯超表面的结合使该结构在微波波段内实现特定的工作频带和透射强度，同时通过在石墨烯上加载电压，实现双频带电磁波透射率的动态可调。

Description

基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法及 器件

技术领域

本发明属于有源调制技术领域，涉及双频带工作的复合超表面电磁波透射有源调制技术，尤其涉及一种基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法及器件，包括石墨烯超表面和独立设计工作频段的电磁高效透射超表面，可以实现不同的工作频带和透射率，且透射强度动态可调。

背景技术

超透射现象最开始源于人们对光通过小孔传输问题的讨论。1944年Bethe提出电磁波通过小孔会发生衍射的新理论，由于上述理论对材料做了完美的假设，所以提出的理论仅适用于远场，对近场却不适用。随着制造工艺的日渐成熟，在1998年T.W.Ebbesen在对金属银膜上的圆孔阵列研究时发现，若圆孔的直径远小于电磁波的波长时会在某频段内出现异常的高透射现象，并指出当光通过金属膜上的亚波长周期性小孔时会出现异常高的透射波峰。随后，研究人员基于此设计了许多超表面结构用来实现各个频段的异常透射现象，超透射现象在滤波器、传感器、光刻机等光学器件有着广泛的应用前景。

超表面是指人工设计的自然界中不存在的周期性或非周期性的二维微结构，打破了传统材料对电磁波的限制，具有特殊的性能，其奇特的电磁特性来源于微结构的单元尺寸和几何形状，一旦设计成型，超表面便具有固定的谐振频率、幅值以及相位，而超出这个频率范围，特异的电磁特性就会消失。如果需要根据实际情况调整超表面器件的电磁参数，就必须重新设计超表面的尺寸和形状，这极大地限制了超表面的应用前景，而现代科技要求器件的电磁参数能随环境的变化而自主调节。

为解决上述问题，研究人员将可调超表面作为重要研究对象。有源调制器件通过引入电压或其他可控有源元件，改变材料的电磁特性或单元结构电路模型中的电容或电阻等，实现对电磁材料的动态调节。Sievenpiper D F等人在蘑菇型单元结构组成的超表面中加载变容二极管，形成一个电容、电感并联电路，通过加载的变容二极管对电容进行调节，达到对谐振频率进行有效调节的目的；Zhu B O等人通过在人工电磁表面加载变容二极管，实现对反射相位进行360°调节，解决了传统单元结构的反射相位在±180°附近随频率变化趋势很慢的问题。这种有源调制器件具有操作简单、切换速度快以及安全可靠等优点，对于提高设计灵活性以及丰富电磁材料的功能性具有重要作用，可被广泛应用于多种场景。

石墨烯作为一种特殊的零带隙二维平面材料，具有单原子厚度、高透光性、高强度、良好的导电性以及极高的载流子迁移率，在众多材料中凭借其独特的电学特性、光学特性和物理性质，得到众多学者的广泛关注。目前石墨烯的调控方式主要有三种：第一种方式是在绝缘层外加载偏置电压，以此来提高石墨烯的载流子浓度，进而改变石墨烯化学势。但这种方式要求外加电压很大，存在一定的安全隐患；第二种方式是利用离子液体或离子凝胶对石墨烯进行调节，这种方法的外加电压值一般在几伏特以内，但使用离子液体进行调节时，施压的外加电压范围受限于离子液体的电化学窗口，故应选择适当类型的离子液体或将外加电压值控制在电化学窗口范围内，而使用离子凝胶对石墨烯进行调节时，电压加载过程和样品制作过程较为困难；第三种方法是对石墨烯进行掺杂改性，以增强石墨烯的物化性能，但掺杂过程的进行需要具有完整的设备仪器，且掺杂后石墨烯性质受掺杂浓度影响较大，实际掺杂浓度与理论掺杂浓度存在误差。Osman Balci等利用石墨烯三明治结构和距离石墨烯三明治结构四分之一波长处的金属板，通过外加偏置电压(0～2.2V)调节石墨烯的方阻，使其与自由空间阻抗相匹配，在7～15GHz范围内实现对微波反射和相位的控制；Jin Zhang等提出一种基于石墨烯的电可调宽带相干完美吸波体，采用集成等效电路模型和三维全波数值仿真，制作样品进行试验，证明在3.4GHz～4.9GHz范围内，相干吸收可以在50％～100％的范围内进行调控(0～4V)，电磁波入射角度可以达到80°；基于石墨烯超表面的电调方法具有工作频带宽、所需电压小、响应速度快以及安全易操作等特性，被广泛应用于从射频到太赫兹波段的可调超表面设计领域。

目前很多传统器件体积较大且实现方法较为复杂，因此传统器件的使用范围受到限制，阻碍了微型电子器件的发展，而基于超表面的亚波长特性可以实现微波电子器件的小型化设计。在众多关于电磁波透射的研究中，由于超表面结构的一旦加工设计完成，其相应尺寸无法改变，进而使得对应的电磁特性单一受限。本发明引入石墨烯材料，利用石墨烯化学势受外加电压影响的特性实现对透射率的动态调控。传统滤波器件中双频带或多频带的滤波设计复杂且实现较为困难，一般只能实现在单一频带下工作，从而限制了带宽的展宽，导致器件只能在非常窄的频段内工作。

发明内容

要解决的技术问题

为了实现微波电子器件的小型化设计与超表面电磁响应的动态调节，克服单一频带工作的限制，解决器件双频带工作实现方法较为复杂的问题，本发明提出一种基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法及器件。

技术方案

一种基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法，其特征在于：将电磁高效透射超表面与石墨烯超表面相结合，在微波波段内实现特定的工作频带和透射强度，同时通过在石墨烯上加载电压，实现双频带电磁波透射率的动态可调。

一种基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制器件，其特征在于包括介质基板、位于介质基板上表面的两个金属亚单元结构以及位于介质基板下面的石墨烯三明治结构；所述的石墨烯三明治结构两端加载偏置电压。

优选地：所述的两个金属亚单元孔型结构分别为“工”字型结构和方形“锤子”金属结构。

优选地：所述的“工”字型结构和方形“锤子”金属结构的邻边相等。

优选地：所述的介质基板的材料是聚四氟乙烯。

优选地：所述的石墨烯三明治结构包括两片附着在柔性衬底上的石墨烯，中间是被离子液体浸润的隔膜纸。

有益效果

本发明提出的一种基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法及器件，包括两个独立的金属亚单元结构和石墨烯三明治结构，电磁高效透射超表面与石墨烯超表面的结合使该结构在微波波段内实现特定的工作频带和透射强度，同时通过在石墨烯上加载电压，实现双频带电磁波透射率的动态可调。有益效果如下：

1、基于超表面的亚波长特性可以实现微波电子器件的小型化设计。

2、在同一基底上设计了两个不同的电磁超表面单元，实现了双频带的电磁超透射行为。

3、本发明基于石墨烯超表面的独特性质，利用外加偏置电压对石墨烯方阻的可调性，通过引入独立设计的电磁超透射超表面，实现双频带的微波动态透射调制。

4、本发明的制备样品，加工技术成熟，成本可控，可实现高效率的微波调制，性能稳定。本发明中调节所需的电压较低，切换简便快速，能够高效率地调节石墨烯的化学势，进而实现双频带微波透射强度的连续控制，操作简单，节约能源，安全可靠。

5、本发明设计的两个金属亚单元孔型结构分别为“工”字型结构和方形“锤子”金属结构，为特殊结构形式，其中，所述的“工”字型结构和方形“锤子”金属结构的邻边相等，可有效的减小两者之间的隔离度。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射有源调制方法的原理结构示意图；

图2是本发明基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射有源调制方法的顶层金属孔径平面结构示意图；

图3是本发明基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射有源调制方法的仿真透射曲线；

图4是本发明基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射有源调制方法的实施例实物图；

图5是本发明基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射有源调制方法实施例在不同电压下的透射曲线。

1-金属亚单元结构；2-介质基板；3-石墨烯三明治结构。

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，以下结合附图和实施例，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。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出了一种基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射有源调制方法，并基于此方法设计了一种双频带工作的复合超表面电磁波透射有源调制器件，具体结构见附图1。整个石墨烯超表面双频带超透射结构分为三部分，第一部分是底层的石墨烯三明治结构，单层石墨烯附着在透明柔性衬底聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate，简记为PET)上，PET厚度为0.18mm，两片附着在柔性衬底上的石墨烯相对放置，中间是被离子液体浸润的隔膜纸，整个石墨烯三明治结构的厚度约为0.56mm；第二部分是位于中间的介质层，厚度为6.1mm，相对介电常数为1.0，介质层的主要目的是隔开超透射金属结构和石墨烯三明治结构。测试时所使用的波导型号是WR-90，它的横截面尺寸是(22.86×10.16mm²)，将双频带超透射金属结构垂直地卡在波导校准件的正面，石墨烯三明治结构垂直的放置在校准件的背面，这样既可以保证介质层的厚度有6.1mm，也能确保电磁波垂直入射到整个结构上；第三部分是顶层经过独立设计的两个金属亚单元结构，厚度为0.035mm、电导率为5.8×10⁷S/m的铜膜附着特氟龙(Teflon)衬底上，特氟龙衬底的厚度为1mm，相对介电常数为2.65；整个基于石墨烯超表面的双频带超透射结构的厚度约为7.7mm。

顶层两个金属亚单元结构的平面图见附图2：结构参数分别为：a＝22.86mm，b＝10.16mm，a₁＝4.43mm，f₁＝2mm，g₁＝0.8mm，e₁＝6mm，g₂＝1.1mm，f₂＝2.4mm，h₁＝1mm。图中条纹部分没有铜膜覆盖，没有条纹的部分有铜膜覆盖，两个独立设计的金属亚单元孔型结构分别为图中左侧的侧“工”字型结构和右侧的方形“锤子”金属结构。为特殊结构形式，其中，所述的“工”字型结构和方形“锤子”金属结构的邻边相等，可有效的减小两者之间的隔离度。

两个亚单元金属孔径相互靠近会发生耦合作用，根据等效电路法设计的结构有其特定的工作频率，我们通过设计使这两个工作频率相近，就可以通过耦合作用使得两个谐振频率中间的波段，其原本很低的透射率提高，从而实现更宽可调谐的工作频段。两个金属亚单元孔型结构的间距不影响两个结构本身的工作频率，只影响两个结构工作频率(9.564GHz、11.56GHz)之间的(9.564GHz～11.56GHz)频段的低透射率。

为了将所设计的结构应用到现实中，需要在实验室对样品进行测试。所设计结构的工作频段为8～12GHz，测试使用WR-90波导，该波导的校准件厚度为固定值6.1mm，因此在设计时考虑实际情况，以校准件的厚度作为石墨烯三明治结构和电磁高效透射超表面结构之间介质层的厚度。仿真过程中也考虑实际情况，改变厚度，研究厚度对透射率的影响。仿真结果表明，虽然厚度对电磁波透射率有影响，但通过改变介质层的介电常数(实际中改变介质层的材料)可以抵消这种影响，使结构的透射率达到相同的效果。

当未接通电源时，隔膜纸上的阴阳离子并未移动，而是维持原有的运动状态。当接通电源并逐渐增大时，隔膜纸中的阴阳离子开始受到电压的影响，分别向上下两层石墨烯电极移动并逐渐靠近电极表面，这时石墨烯三明治结构就类似于一个超级电容器。离子液体中的阴阳离子改变了石墨烯上载流子的浓度，从而影响了石墨烯的化学势，进而石墨烯的方阻可以通过外加电压来改变，实现电磁波透射率的动态可调。没有经过结构设计的金属小孔在此处的透射率很低，而经过结构设计的金属小孔能够显著提高整个器件的透射率，实现超透射。通过设计金属单元结构不同的孔型和尺寸，可以在不同的工作频带实现超透射现象。

基于此，利用两个独立设计的金属亚单元孔型结构实现双频带超透射，利用石墨烯三明治结构实现透射率的动态调节。因此，设计将石墨烯超表面和电磁超透射超表面相结合，形成石墨烯/金属复合超表面，并通过在石墨烯上加载偏置电压，在8Hz～12GHz范围内对透射率进行动态调节。设计调制方法的透射曲线如附图3所示。当石墨烯的方阻为1500Ω时，谐振频率分别为9.564GHz和11.56GHz，对应的透射率分别为56.8％和41.2％(附图2中左侧的侧“工”字型结构对应的透射图谱为高频处的透射谱线，右侧的方形“锤子”金属结构对应的透射图谱为低频处的透射谱线)；随着石墨烯方阻值的不断降低，谐振频率处所对应的透射率也在不断下降，当方阻降低为250Ω时，整个复合结构的谐振频率分别为9.584GHz和11.588GHz，对应的透射率分别为12.3％和8.5％；石墨烯的方阻值从1500Ω降低到250Ω时，低频谐振处整个复合结构的透射率变化了44.5％，高频谐振处整个复合结构的透射率变化了32.7％。本发明案例的实际样品图见附图4所示。

本发明实施例的透射图谱如附图5所示：当外加电压为0V时，整个结构的透射率分别为57.6％和32.2％，随着电压的不断增大，透射率不断降低，当外加电压达到3.5V时，透射率分别降低为11.9％和4.2％(附图2中左侧的侧“工”字型结构对应的透射图谱为高频处的透射谱线，右侧的方形“锤子”金属结构对应的透射图谱为低频处的透射谱线)。本发明实施例涉及的石墨烯三明治结构和金属孔型结构简单，在加工中可以改变金属孔型和尺寸对其电磁响应进行调控，进而实现不同的工作频率和透射强度。

具体设计方法包括如下步骤：衬底选择、确定亚单元结构和尺寸、研究电磁超表面的透射增强原理和石墨烯调控原理、制备基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射有源调制实物。(1)衬底选择：先确定金属薄膜的衬底，不同材料的衬底会对谐振频率和透射率产生较大的影响，同时考虑材料的耐热性、滑动性、抗湿性、耐磨损性和耐腐蚀性等特性，确保结构在不同环境下均能保持良好的性能。当前印刷电路板(PCB)工艺成熟，可结合实际工艺技术要求进行具体选择；本实施例选择特氟龙衬底(聚四氟乙烯的别称)主要有三个原因。一是由于这种材料损耗很低，电磁波在穿过亚波长金属孔径单元和石墨烯时均会产生不可避免的损耗，因此要选用损耗较低的衬底，减少对电磁波的损耗，尽可能保证较高的透射率；二是该材料成本低，适合大范围使用；三是生产制备工艺成熟，印刷电路板(PCB)工艺多选择特氟龙做衬底，很多公司都可以制备，应用广泛，受限较少。(2)确定亚单元结构和尺寸：超表面微结构可供选择的图案较多且各有差异，不同结构的金属孔径决定了不同的谐振频率，且透射率也受结构和尺寸的影响，应该根据设计的频率范围和工作带宽，通过谐振方面的相关计算来确定亚单元金属孔径的结构和尺寸，确保器件的工作频段和强度能够达到预期的要求；本实施例为X波段双频带工作，因此设计两个独立的金属亚单元孔型结构，尺寸为毫米量级；等效电路法作为一种分析方法，对于设计电磁超材料是十分重要的，能帮助我们更有效的设计电磁超材料的结构，等效电路包括电阻元件、电感元件和电容元件。谐振频率公式为：

其中L和C分别表示电感和电容，金属谐振器可以看做电容、电感与电阻的结合。根据电路谐振原理的频率与电容电感的公式设计结构尺寸，从而实现在特定频率处工作。两个独立的亚单元金属孔径均以此思路设计尺寸。两个亚单元金属孔径的结构设计在最早研究超材料时就已经存在，但是将这两个结构结合起来并与石墨烯结合，在微波波段实现透射率的可调谐性，是首创内容。两个亚单元金属孔径相互靠近会发生耦合作用，根据等效电路法设计的结构有其特定的工作频率，我们通过设计使这两个工作频率相近，就可以通过耦合作用使得中间波段原本很低的透射率提高，从而实现更宽可调谐的工作频段。本发明设计为X波段(微波波段中的8～12GHz)双频带工作，设计两个的金属亚单元孔型结构的尺寸为毫米量级；(3)研究电磁超表面的透射增强原理和石墨烯调控原理：改变亚单元金属结构的构型和尺寸，反复仿真并利用电场强度分布图来研究电场在金属结构中的局域效果，以此来提高整个器件对电磁波的透射率，通过金属表面的电流分布图来研究谐振模式，在仿真计算中不断改变设定的石墨烯方阻值，研究整个结构透射率的变化情况；(4)制备基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射有源调制实物：在确定了金属薄膜的衬底材料和亚单元金属孔径的构型与尺寸之后，又经过充分研究电磁超表面的透射增强原理和石墨烯调控原理之后，确定独立设计的亚单元金属结构能够达到双带超透射效果的时候就可以制备实物了。

由于采用了独立设计的电磁超表面，本发明在实现双频带工作的同时提高了透射率，通过在石墨烯超表面上外加偏置电压，利用电压对石墨烯方阻的影响，实现对透射强度的动态调节。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制方法，其特征在于：将电磁高效透射超表面与石墨烯超表面相结合，在微波波段内实现特定的工作频带和透射强度，同时通过在石墨烯上加载电压，实现双频带电磁波透射率的动态可调；所述的电磁高效透射超表面上设有两个金属亚单元孔型结构；所述的两个金属亚单元孔型结构分别为“工”字型结构和方形“锤子”金属结构，所述方形“锤子”金属结构具体为两个相对放置且具有一定间隔的“E”字型组成，两个“E”字型中间孔相连通；所述的“工”字型结构和方形“锤子”金属结构的邻边相等。

2.一种由权利要求1所述的方法得到的基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制器件，其特征在于包括介质基板、位于介质基板上表面的两个金属亚单元结构以及位于介质基板下面的石墨烯三明治结构；所述的石墨烯三明治结构两端加载偏置电压。

3.根据权利要求2所述的基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制器件，其特征在于所述的介质基板的材料是聚四氟乙烯。

4.根据权利要求2所述的基于石墨烯/金属复合超表面的双带电磁波透射调制器件，其特征在于所述的石墨烯三明治结构包括两片附着在柔性衬底上的石墨烯，中间是被离子液体浸润的隔膜纸。

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