CN113809544A - 一种砷化镓/石墨烯复合超材料太赫兹宽带吸收器 - Google Patents

一种砷化镓/石墨烯复合超材料太赫兹宽带吸收器 Download PDF

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Abstract

一种砷化镓/石墨烯复合动态可调宽带太赫兹超材料吸收器，属于超材料及电磁功能材料领域。该吸收器分为上下两个部分，上部分由砷化镓(GaAs)/石墨烯超材料层，介电层与半导体GaAs层三部分组成；下部分包括十字石墨烯层，介电层和底层金属反射层三部分。金属反射层为一层连续的金属薄膜，厚度大于工作太赫兹波的趋肤深度；介质层为二氧化硅材料。顶层图形由石墨烯十字与四个大小相同的GaAs方框锁构成；第四层为与顶层尺寸不同的石墨烯十字阵列。本发明通过对石墨烯与GaAs层的尺寸优化与电压调控，实现对垂直入射电磁波的完全吸收。本发明结构简单且具有宽频带高吸收频率可调的特性，可用于太赫兹波段电磁波的收集和探测装置。

Description

一种砷化镓/石墨烯复合超材料太赫兹宽带吸收器
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，具体涉及一种砷化镓/石墨烯复合动态可调宽带太赫兹超材料吸收器。
背景技术：
太赫地限制了太赫兹及太赫兹期间的发展，这主要是由于自然界中缺乏能产生有效太赫兹响应的物质。超材料是一类通过尺寸小于波长的人工材料，这种材料的性质主要由其形状和尺寸决定，而与它的材料种类无关。通过设计不同的结构和尺寸的超材料，可以达到操控电磁波、进而对太赫兹波产生响应的作用。最简单的超材料吸收器结构一般由三层构成。它包括表面超材料层、中间介电层，以及底层的金属反射层。吸收单元尺寸一般在几微米到几百微米之间。超材料吸收器已广泛应用于电磁波吸收、滤波、成像等方面，而利用超材料构造的各种太赫兹功能器件也越来越多地见诸于报道，例如超材料传感器、极化转换器与吸收器等。2008年，Landy等首先提出了基于超材料的完美吸收器概念，他们利用开口环等构成的电磁谐振器可对特定频率电磁波实现完美吸收，从而引发了超材料吸收器的研究热潮。现今，对于超材料吸收器的研究主要集中在对于具有结构简单、易制造、宽宽、性能可调节等特点的新一代超材料吸收器的设计研发。
为实现以上要求，超材料吸收器引入了液晶、石墨烯，以及VO2等半导体材料来改善它的性能。其中，石墨烯因其可通过电掺杂改变光学特性最为引人注目，在动态吸收等方面具有独特的优势。半导体材料的电导率可通过温度、光照射等方式而发生改变，因此，半导体材料的引入有利于吸收器实现性能的动态调控。
发明内容：
针对现有太赫兹超材料吸收器的不足，本发明提出了一种砷化镓/石墨烯复合动态可调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)、动态可调等优异特性。
该型超材料吸收器结构可看做由上、下两个吸收器叠加而成，上吸收器由砷化镓(GaAs)/石墨烯超材料层，中间介电层，下层为GaAs半导体层构成；下吸收器则由十字石墨烯层，中间介电层和底部金属反射层构成。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，厚度为0.1～0.2μm，应满足大于太赫兹波在该金属中的趋肤深度。所述介电层位于石墨烯砷化镓(GaAs)/石墨烯复合超材料层与金属或半导体反射层之间，其材料为二氧化硅(SiO2)，相对介电常数在3～4之间，厚度为10～16μm。
石墨烯层，其化学势为0.1～0.9eV，厚度为0.7～1.8nm。最顶层石墨烯层的“十字”径长56～68μm，径宽为7～15μm，下层石墨烯层的“十字”径长为70～75μm，径宽为18～24μm。顶层石墨烯层的“十字”中分布四个尺寸相同的方框状GaAs层，方框外框长为21～26μm，内框长为15～20μm。砷化镓的电导率对泵浦功率的依赖关系的实验参数拟合公式为：σGaAs＝0.32047I3-15.89563I2+778.914I+91.16367[Zhao,X.,et al.Sensors and Actuators APhysical 231(2015):74-80]。其中I为泵浦光功率，单位为Mw，本研究采用波长为800nm的泵浦光激发GaAs，没有光照时GaAs的电导率为100S/m,随着光功率的增加，电导率可到达105量级。该吸收器在施加泵浦光后，可使GaAs材料的电导率控制在4000～200000S/m之间变化。超材料吸收器阵列单元为正方形，其单元边长65～85μm。
本发明所述的超材料太赫兹吸收器的优异吸收特性主要来源于“十字”状石墨烯和“方框”状GaAs复合层对电磁波产生的共振吸收。此外，砷化镓为半导体材料，其电导在光照下可发生改变。这可使对吸收器性能实现动态调节。具体的，当砷化镓为金属态时，其可在频率范围1.7～5THz实现90％以上的宽带(约3.3THz)吸收特性，且最大吸收率可达99.51％；而当砷化镓为绝缘态时，其吸收率保持90％以上的吸收频带调整为两个频段，分别为1.1～2.4THz和4.7～5.8THz，其吸收总带宽可达2.4THz，最大吸收率可达99.99％。
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、宽带吸收、近100％理想吸收、动态可调等显著优势，适用于太赫兹波收集和探测等领域。
附图说明：
图1是本发明所述砷化镓/石墨烯复合超材料太赫兹宽带吸收器的上层吸收器俯视图。
图中：上层十字石墨烯1、方框锁砷化镓2。
图2是本发明所述砷化镓/石墨烯复合超材料太赫兹宽带吸收器的下层吸收器俯视图。
图中：下层十字石墨烯2。
图3是本发明所述砷化镓/石墨烯复合超材料太赫兹宽带吸收器结构正视图。
图中：上层十字石墨烯1、方框锁砷化镓2、上层二氧化硅介质层3、层状砷化镓4、下层十字石墨烯5、下层二氧化硅介质层6、金反射层7。
图4为本发明所述砷化镓/石墨烯复合超材料太赫兹宽带吸收器中“方框”状GaAs层分别处于金属态和绝缘态时，该吸收器太赫兹波吸收率随频率变化关系。
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。
一种砷化镓/石墨烯复合动态可调宽带太赫兹超材料吸收器，如图1、2、3所示，其结构可看作两个简单吸收器叠加，上部分包括超材料层：砷化镓(GaAs)和石墨烯，中间介电层，下层GaAs层；下部分包括上层十字石墨烯层，中间介电层和底层金属反射层。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0.2μm；介质层为二氧化硅(SiO2)，相对介电常数为3.8，介质厚度12μm；上下两层层十字石墨烯层化学势μ＝0.4eV和0.9eV，厚度1nm，上层十字石墨烯径长为63μm，径宽为11μm，下层十字石墨烯径长为75μm，径宽为21μm。顶层十字石墨烯层四周分布四个同大小的GaAs方框，砷化镓的电导率对泵浦功率的依赖关系的实验参数拟合公式为：σGaAs＝0.32047I3-15.89563I2+778.914I+91.16367[Zhao,X.,et al.Sensors and Actuators APhysical 231(2015):74-80]。其中I为泵浦光功率，单位为Mw，本研究采用波长为800nm的泵浦光激发GaAs，没有光照时GaAs的电导率为100S/m,随着光功率的增加，电导率可到达105量级。施加泵浦光，使GaAs材料的电导率控制在4000～200000S/m之间，每个GaAs方框的外框长为23μm，内框长为17μm。该超材料结构单元的晶格周期为75μm。
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)GaAs为金属态，即电导率为200000S/m时，吸收超过90％的频带1.7THz～5THz吸收带宽可达3.3THz，最大吸收率高达99.51％。(2)GaAs为绝缘态，即电导率为200S/m时，，吸收超过90％的频带有两个，分别为：1.1THz～2.4THz与4.7THz～5.8THz，总吸收带宽可达2.4THz，最大吸收率高达99.99％。两个状态下带宽合计5.7THz。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。同时，在GaAs金属态下，吸收器中间的GaAs层可看作金属反射层，实际起吸收作用的只有上层的吸收器，而调节GaAs绝缘态时，GaAs可看作电介质，整个吸收器都起吸收作用，只需要动态调节，即可实现具有不同波段的吸收作用，综合这两种状态的吸收带宽频段来看，这等同于实现了宽带吸收。

Claims (1)

1.一种砷化镓/石墨烯复合动态可调宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，该吸收器每个结构单元由上下两部分叠加而成，上部分包括砷化镓/石墨烯超材料层，中间介电层，下层GaAs层；下部分包括十字石墨烯层，介电层和底层金属反射层；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；介质层位于金属反射层和石墨烯层之间，为二氧化硅，相对介电常数为3～4之间，介质层的厚度为10～16μm；
石墨烯层的化学势在0.1～0.9eV之间,石墨烯层的厚度为0.7～1.8nm；砷化镓/石墨烯超材料层中的上层十字石墨烯径长为56～68μm，径宽为7～15μm，下部分的石墨烯层的十字石墨烯径长为70～75μm，径宽为18～24μm；上层十字石墨烯层四周分布四个同大小的GaAs方框，采用波长为800nm的泵浦光激发GaAs方框，使GaAs材料的电导率在4000～200000S/m之间变化，每个GaAs方框的外框长为23μm，内框长为17μm；该结构单元的晶格周期为65～85μm。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115167026A (zh) * 2022-08-04 2022-10-11 兰州大学 一种可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件
CN115954682A (zh) * 2023-02-28 2023-04-11 湖南博翔新材料有限公司 一种轻质吸波材料及其应用
CN116111364A (zh) * 2023-03-28 2023-05-12 南昌大学 太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器
CN117498043A (zh) * 2023-12-29 2024-02-02 电子科技大学 一种石墨烯多频带太赫兹功能吸波器

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002059414A2 (en) * 2001-01-25 2002-08-01 Outlast Technologies, Inc. Coated articles having enhanced reversible thermal properties and exhibiting improved flexibility, softness, air permeability, or water vapor transport properties
US20100301971A1 (en) * 2008-02-07 2010-12-02 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Tunable metamaterials
CN102568852A (zh) * 2012-01-20 2012-07-11 中国科学院上海硅酸盐研究所 基于三维石墨烯的光伏电池及其制备方法
US9086510B1 (en) * 2013-06-03 2015-07-21 Sandia Corporation Electrically tunable infrared metamaterial devices
US20160172816A1 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Metafilm for Loss-Induced Super-Scattering and Gain-Induced Absorption of Electromagnetic Wave
CN108129144A (zh) * 2017-12-28 2018-06-08 南京航空航天大学 一种低吸收/发射比自适应控温材料及其制备方法
WO2018223068A1 (en) * 2017-06-01 2018-12-06 The Regents Of The University Of California Metallo-graphene nanocomposites and methods for using metallo-graphene nanocomposites for electromagnetic energy conversion
CN111883935A (zh) * 2020-09-03 2020-11-03 浙江科技学院 基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002059414A2 (en) * 2001-01-25 2002-08-01 Outlast Technologies, Inc. Coated articles having enhanced reversible thermal properties and exhibiting improved flexibility, softness, air permeability, or water vapor transport properties
US20100301971A1 (en) * 2008-02-07 2010-12-02 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Tunable metamaterials
CN102568852A (zh) * 2012-01-20 2012-07-11 中国科学院上海硅酸盐研究所 基于三维石墨烯的光伏电池及其制备方法
US9086510B1 (en) * 2013-06-03 2015-07-21 Sandia Corporation Electrically tunable infrared metamaterial devices
US20160172816A1 (en) * 2014-12-11 2016-06-16 United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy Metafilm for Loss-Induced Super-Scattering and Gain-Induced Absorption of Electromagnetic Wave
WO2018223068A1 (en) * 2017-06-01 2018-12-06 The Regents Of The University Of California Metallo-graphene nanocomposites and methods for using metallo-graphene nanocomposites for electromagnetic energy conversion
CN108129144A (zh) * 2017-12-28 2018-06-08 南京航空航天大学 一种低吸收/发射比自适应控温材料及其制备方法
CN111883935A (zh) * 2020-09-03 2020-11-03 浙江科技学院 基于石墨烯超材料的太赫兹吸波体

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
朱礼鹏等: "石墨烯在太赫兹器件中的应用", 《现代物理知识》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115167026A (zh) * 2022-08-04 2022-10-11 兰州大学 一种可调谐多模双频高效率反射型偏振转换器件
CN115954682A (zh) * 2023-02-28 2023-04-11 湖南博翔新材料有限公司 一种轻质吸波材料及其应用
CN115954682B (zh) * 2023-02-28 2023-09-12 湖南博翔新材料有限公司 一种轻质吸波材料及其应用
CN116111364A (zh) * 2023-03-28 2023-05-12 南昌大学 太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器
CN116111364B (zh) * 2023-03-28 2024-03-29 南昌大学 太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器
CN117498043A (zh) * 2023-12-29 2024-02-02 电子科技大学 一种石墨烯多频带太赫兹功能吸波器
CN117498043B (zh) * 2023-12-29 2024-03-19 电子科技大学 一种石墨烯多频带太赫兹功能吸波器

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