CN114336088A - 基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器及其方法，所述吸波器从顶部至底部依次设有二硫化钼阵列层、中间介质层、金属层；所述二硫化钼阵列层以按规则图形周期性排列的多个二硫化钼单元组成，在高载流子浓度下呈现二硫化钼的类金属性质，具备对特定频段的入射太赫兹波的高吸收率；本发明用二维材料替代传统金属超表面的吸波器设计，实现了对太赫兹波的宽带可调吸收，结构简单、调制功能优异、吸收带宽极宽、对入射角度和偏振不敏感。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹频段吸波领域，尤其是基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器及其方法。
背景技术
太赫兹（THz）波是频段约在0.1~10 THz之间的电磁波。随着新兴太赫兹科学与技术的不断发展，已经延伸出包括宽带通信、雷达探测、医学成像、无损检测、安全检查等方面在内的新应用。由于太赫兹频段包含更为丰富的频率信息，可以用于探测到更小的目标，因此开发专用于吸收太赫兹波的吸波器就显得尤为重要。
二硫化钼是一种常见于天然辉钼矿中的过渡金属二硫化物，通过简单的机械剥离等方式，从块状的二硫化钼晶体中可以提取出单层的二硫化钼二维结构，它具有及其独特的二维材料性质，包括非零的天然带隙、圆偏振光选择性和谷霍尔效应等。由于单层二硫化钼具有的优越光电特性，使其被广泛地运用于电磁波吸收的研究中。
传统的太赫兹吸波器通常是利用金属超表面的图案化结构，与底部的金属层相耦合，实现对入射太赫兹波的电磁场局域，从而增强对太赫兹波的吸收。然而，一旦在设计时规定了结构参数，太赫兹吸波器的吸波性能便已经确定了，且一般无法达到宽带吸收。本发明是基于静电掺杂来调控单层二硫化钼的载流子浓度及电导率，并在结构顶层贴覆图案化的二硫化钼超表面，完成该太赫兹吸波器的加工，最终能够实现对入射太赫兹波的宽带吸收。应用基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，在雷达通讯、近场成像、传感检测等方面具有潜在的应用价值。
发明内容
本发明提出基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器的吸收性能调节方法，用二维材料替代传统金属超表面的吸波器设计，实现了对太赫兹波的宽带可调吸收，结构简单、调制功能优异、吸收带宽极宽、对入射角度和偏振不敏感。
本发明采用以下技术方案。
基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，所述吸波器从顶部至底部依次设有二硫化钼阵列层（1）、中间介质层（2）、金属层（3）；所述二硫化钼阵列层以按规则图形周期性排列的多个二硫化钼单元组成，在高载流子浓度下呈现二硫化钼的类金属性质，具备对特定频段的入射太赫兹波的高吸收率。
所述多个二硫化钼单元行列式地贴覆于中间介质层上，排列的周期为p x = p y =60 μm，所述二硫化钼单元包括圆环图案的二硫化钼子单元和位于圆环图案中部的十字叉图案的二硫化钼子单元，所述圆环图案的二硫化钼子单元、十字叉图案的二硫化钼子单元位于同一平面内，通过几何中心对齐。
所述圆环图案的外径为r 1 = 20 μm，内径为r 2 = 16 μm；所述十字叉图案的长边为c 1 = 30 μm，短边为c 2 = 2 μm。
二硫化钼阵列层为单层二硫化钼结构，其高度为单层二硫化钼结构的厚度，约为0.65 nm。
所述中间介质层为TOPAS材料的环烯烃类共聚物，其介电常数为2.35，高度为h =26 μm。
所述金属层为金元素，其电导率为5.9×107 S/m，厚度为0.2 μm，所述金属层符合衬底的趋肤深度要求，可阻止太赫兹波透过。
所述太赫兹吸波器的完美工作频段为吸收率大于90%的频段，范围是1.2~2.67THz, 相对吸收带宽为76.0%。
基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器的制备方法，上述的单层二硫化钼结构，其制备方法是以机械剥离方法从块状的二硫化钼晶体中提取。
基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器的吸收性能调节方法，所述太赫兹吸波器的吸收性能调节方法，为通过改变二硫化钼阵列层的二硫化钼载流子浓度，使吸波器的吸收性能在从零吸收到完全吸收范围内进行调节。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，创新性地将传统的用于太赫兹吸波器的金属超表面替换成为静电掺杂的单层图案化二硫化钼，利用高载流子浓度下二硫化钼的类金属性质，在特定频段实现对入射太赫兹波的完美吸收（吸收率＞90%）。此外通过改变二硫化钼的载流子浓度，可以调节吸波器的吸收性能，甚至实现从零吸收到完全吸收的转变。
本发明所述方案中，对于不同的入射条件（入射角度及相位），该太赫兹吸波器在大部分情况下都能够保持较高的吸收水平。
本发明所述方案太赫兹吸波器，结构简单、调制性能优异、吸收带宽极宽、对入射角度和偏振不敏感，在研究高性能的太赫兹吸波器方面具有潜在的应用价值；适用于太赫兹频段的包括军用雷达、无线通讯、近场成像等的吸波应用场合。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明二硫化钼单元的俯视示意图；
图2为是本发明的的结构示意图；
图3为本发明在不同载流子浓度条件下的吸收谱示意图；
图4为本发明在入射不同角度的横电波条件下的吸收热图示意图；
图5为本发明在入射不同角度的横磁波条件下的吸收热图示意图；
图6为本发明在不同相位角的入射波条件下的吸收热图示意图；
图中：1-二硫化钼阵列层；2-中间介质层；3-金属层。
具体实施方式
如图所示，基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，所述吸波器从顶部至底部依次设有二硫化钼阵列层1、中间介质层2、金属层3；所述二硫化钼阵列层以按规则图形周期性排列的多个二硫化钼单元组成，在高载流子浓度下呈现二硫化钼的类金属性质，具备对特定频段的入射太赫兹波的高吸收率。
所述多个二硫化钼单元行列式地贴覆于中间介质层上，排列的周期为p x = p y =60 μm，所述二硫化钼单元包括圆环图案的二硫化钼子单元和位于圆环图案中部的十字叉图案的二硫化钼子单元，所述圆环图案的二硫化钼子单元、十字叉图案的二硫化钼子单元位于同一平面内，通过几何中心对齐。
所述圆环图案的外径为r 1 = 20 μm，内径为r 2 = 16 μm；所述十字叉图案的长边为c 1 = 30 μm，短边为c 2 = 2 μm。
二硫化钼阵列层为单层二硫化钼结构，其高度为单层二硫化钼结构的厚度，约为0.65 nm。
所述中间介质层为TOPAS材料的环烯烃类共聚物，其介电常数为2.35，高度为h =26 μm。
所述金属层为金元素，其电导率为5.9×107 S/m，厚度为0.2 μm，所述金属层符合衬底的趋肤深度要求，可阻止太赫兹波透过。
所述太赫兹吸波器的完美工作频段为吸收率大于90%的频段，范围是1.2~2.67THz, 相对吸收带宽为76.0%。
基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器的制备方法，上述的单层二硫化钼结构，其制备方法是以机械剥离方法从块状的二硫化钼晶体中提取。
基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器的吸收性能调节方法，所述太赫兹吸波器的吸收性能调节方法，为通过改变二硫化钼阵列层的二硫化钼载流子浓度，使吸波器的吸收性能在从零吸收到完全吸收范围内进行调节。
实施例：
如图1、图2所示，基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，从顶部至底部依次包括图案化的二硫化钼阵列层1、中间介质层2、金属层3。将利用静电掺杂的图案化的二硫化钼阵列1贴覆于由TOPAS材料构成的26 μm厚的中间介质层2上方，并在介质层下方覆上0.2 μm的金属层3作为衬底，以此组成该太赫兹吸波器以实现宽带可调吸波的功能。如图所示，图案化的二硫化钼阵列层1由多个圆环图案和十字叉图案的二硫化钼单元周期性排列组成，排列的周期为p x = p y = 60 μm；圆环图案的外径为r 1 = 20 μm，内径为r 2 = 16 μm；十字叉图案的长边为c 1 = 30 μm，短边为c 2 = 2 μm。
如图3所示，不同线型的曲线分别表示二硫化钼在未掺杂和不同载流子浓度条件下，该吸波器在不同太赫兹频率下的吸收率。从图中可以看到，在未贴覆二硫化钼的条件下，该吸波器对太赫兹波的吸收率几乎为0；随着载流子浓度的不断增加，该吸波器在一定频率下的吸收率逐渐增多；当载流子浓度达到n = 1×1015 cm-2时，该吸波器在1.2~2.67THz频率下的吸收率达到完美吸收（吸收率＞90%），相对吸收带宽高达76%。因此，可以通过有效地调节二硫化钼的载流子浓度，实现从零吸收到宽带完美吸收的转变，说明该太赫兹吸波器具有很好的调制深度。
如图4、5所示，该吸波器对于不论是横电波还是横磁波入射条件均有良好的吸收率。在横电波条件下，吸波器在入射角度40°以内保持有70%以上的吸收率；在横磁波条件下，吸波器也在入射角度60°以内保持较高的吸收率。该结果充分说明该太赫兹吸波器具有良好的对入射角度的高容忍性，可以满足实际的应用场景需求。
如图6所示，该吸波器在不同相位角度下的宽带吸收特性保持不变，充分说明该太赫兹吸波器具有偏振不敏感性。
Claims (9)
1.基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述吸波器从顶部至底部依次设有二硫化钼阵列层（1）、中间介质层（2）、金属层（3）；所述二硫化钼阵列层以按规则图形周期性排列的多个二硫化钼单元组成，在高载流子浓度下呈现二硫化钼的类金属性质，具备对特定频段的入射太赫兹波的高吸收率。
2. 根据权利要求1所述的基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述多个二硫化钼单元行列式地贴覆于中间介质层上，排列的周期为p x = p y = 60 μm，所述二硫化钼单元包括圆环图案的二硫化钼子单元和位于圆环图案中部的十字叉图案的二硫化钼子单元，所述圆环图案的二硫化钼子单元、十字叉图案的二硫化钼子单元位于同一平面内，通过几何中心对齐。
3. 根据权利要求2所述的基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述圆环图案的外径为r 1 = 20 μm，内径为r 2 = 16 μm；所述十字叉图案的长边为c 1 = 30 μm，短边为c 2 = 2 μm。
4. 根据权利要求2所述的基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：二硫化钼阵列层为单层二硫化钼结构，其高度为单层二硫化钼结构的厚度，约为0.65 nm。
5. 根据权利要求1所述的基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述中间介质层为TOPAS材料的环烯烃类共聚物，其介电常数为2.35，高度为h = 26 μm。
6. 根据权利要求1所述的基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述金属层为金元素，其电导率为5.9×107 S/m，厚度为0.2 μm，所述金属层符合衬底的趋肤深度要求，可阻止太赫兹波透过。
7. 根据权利要求1所述的基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述太赫兹吸波器的完美工作频段为吸收率大于90%的频段，范围是1.2~2.67 THz, 相对吸收带宽为76.0%。
8.基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器的制备方法，其特征在于：权利要求4中的单层二硫化钼结构，其制备方法是以机械剥离方法从块状的二硫化钼晶体中提取。
9.基于二硫化钼的宽带可调太赫兹吸波器的吸收性能调节方法，其特征在于：所述太赫兹吸波器的吸收性能调节方法，为通过改变二硫化钼阵列层的二硫化钼载流子浓度，使吸波器的吸收性能在从零吸收到完全吸收范围内进行调节。
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