CN114498069A - 基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于镂空结构的宽带太赫兹超材料吸收器。该吸收器自下而上依次由金属层，中间介质层和顶层镂空“王”字型石墨烯图案组成，所述上层“王”字型石墨烯图案在x,y方向呈周期排列，底层金属薄膜、中间介质层和顶层镂空王字形石墨烯之间相互贴合。本发明合理设计镂空“王”字型石墨烯结构的几何尺寸、晶格周期以及中间介质层的厚度可以对垂直入射到超材料表面的电磁波实现宽频带完全吸收的特性，并且本发明在不改变器件结构的情况下，通过调节外加电压可有效调谐吸收率的幅值。另外，本发明尺寸小，体积小，制造简单，可用常规的方法进行制作等优点。

Description

基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器

技术领域

本发明属于超材料以及太赫兹波应用技术领域。具体是基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器。

背景技术

太赫兹在电磁波谱中位于微波和红外之间，是电子学和光子学的过渡区域，频率为0.1-10THz。与其他波段相比，太赫兹波具有高空间分辨率、低能量、无损性等特点，因此在光谱学、生物医学、军事航天等领域具有广阔的应用前景。在过去的二十几年里，由于缺乏有效的太赫兹波段功能器件，人们对这段波的了解甚少以致形成了“太赫兹空白”的现象，阻碍了太赫兹技术的发展。近年来，随着新型材料的不断出现，一些新型材料能够对太赫兹波的振幅、相位、偏振以及传播实现灵活多样的控制，从而给太赫兹功能器件的发展和设计提供了新的方向和思路。

超材料是指那些具有天然材料所不具备的超常物理性能的人工复合材料或者复合结构。也就是说超材料是根据应用需求，按照人们的想法，经过严格而复杂的人工设计与制备加工制成的一种具有周期性或者非周期性人造微结构单元排列的复合型材料。超材料所呈现的物理性能是超常态，即负折射率、负磁导率、负介电常数、逆多普勒效应，而现有材料与天然材料无这种超常物理性能。超材料的设计与实现说明人类在一定程度上可对光波、电磁波实现有效的操控。

吸收器是指能够吸收入射电磁波的器件，但由天然材料形成的传统吸收器需要结构的尺寸与入射波的波长成正比，这将导致所设计的器件有厚度大的缺陷，限制了小型化的进展。但对于石墨烯而言，其波长远远小于相同频率电磁波在自由空间的波长，利用这一特点，可设计一些亚波长结构，将石墨烯加工成太赫兹波段的超材料以便实现器件的小型化、集成化。基于这些优点，许多基于石墨烯超材料完美吸收器已被广泛研究并成功应用，如化学和生物医学传感器、光探测器、成像和太阳能电池等。

根据调研，发现目前所研究的传统的宽带吸收器主要通过多个微结构组合成一个大的共面单层结构单元或多层金属微结构的堆栈来实现宽带吸收器，这将导致器件结构单元庞大不利于器件的小型化发展。另外，结构复杂或多层结构堆栈增加器件制备的难度和准确度，不利于器件的实用化和商业化。器件一旦制作出来，其吸收性能就很难改变，无法满足应用需求。因此，设计小型化、宽频带、吸收明显、结构简单的吸收器具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器，解决的技术问题是现有吸波器无法获得高吸收、高调制深度的效果。为了解决该问题，本发明提供基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器，可以实现近乎完美的宽带吸收。同时，该耦合器件尺寸小厚度薄，结构简单易于集成与制作。

本发明所采用的技术方案是：一种基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器，该吸收器由多个吸收器单元构成，吸收器单元自下而上依次设置的底层金属，中间电介质层和上层镂空王字型石墨烯。底层金属、中间电介质层和上层镂空王字型石墨烯之间相互贴合。所述底层金属是全金属薄膜，上层镂空王字型石墨烯结构呈周期结构排列。

本发明的特点为：

每个单元结构呈周期排列，形成对称的的镂空王字型石墨烯图案结构相同。镂空王字型的长为12μm，宽为2μm。

所述中间电介质层的材料为聚酰亚胺，所述介质层的厚度h=15~17μm。

所述下层为金属层，其厚度为0.1~0.5μm。

所述每个单元结构的周期是 19*19μm。

所述石墨烯的费米能级为0.6eV～1.2eV。

所述镂空王字型石墨烯采用化学气相法来制作，镂空王字型石墨烯图案通过激光刻蚀来制作。

所述镂空王字型石墨烯为单层原子排列结构。

所述底层金属是为了阻止太赫兹波穿透。

本发明的有益效果是：

(1)基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器，利用石墨烯超材料的半金属性质，外加电压，改变其费米能级，进而有效的调控吸收器的频率和幅度，促进了太赫兹波段可调器件的发展。

(2)基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器，通过合理优化镂空王字型的几何尺寸、晶格周期以及介质层的厚度，实现宽带超强吸收，解决了现有技术中吸波器吸收低、应用范围小的问题。

(3)基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器，实现了宽带为1.5Thz的近乎完美吸收，最大吸收率高达99.71%。

基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器，弥补了现有技术中吸收器设计结构复杂的缺陷。选用石墨烯超材料，其制备技术成熟，更容易制造。

附图说明

图1：本发明的单元结构示意图。

图2：本发明的单元结构俯视图。

图3：本发明吸收器的吸收率曲线图。

图4：本发明0.6~1.2eV不同费米能级的吸收曲线图。

图5：本发明吸收器的中心频率电场图。

具体实施方式

(1)下面结合附图和实施例进一步阐释说明。

(2)如图 1、2 所示，本发明是一种基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器，所述的吸收器为周期结构，每个基本单元结构相同且在 xy 平面上沿着同一方向排列，其中上层为镂空王字型石墨烯层，中间层为聚酰亚胺层，底层为金属层。

(3)所述上层石墨烯层的镂空王字型单元结构对应序号1，中间介质层为聚酰亚胺层对应序号2，底层金属对应序号3。

(4)太赫兹平面波光源垂直照射在图案化石墨烯结构上，得到一段吸收带宽，实现了超强宽带吸收，通过改变侧端栅电压来调节结构中石墨烯的费米能级，在侧端栅电压通电情况下，改变石墨烯的费米能级，进而实现基于石墨烯宽带吸收器的吸收水平的动态调节。

(5)在实施本例中，上层镂空王字型石墨烯图案的长为12μm，宽为2μm。中间电介质层的材料为聚酰亚胺，其厚度h=15~17μm。所述下层为金属层，其厚度为0.1~0.5μm。每个单元结构的周期是 19*19μm。另外，石墨烯的费米能级变化为0.6eV～1.2eV。

(6)本发明的工作原理如下：将一束平面波垂直入射到设计的超表面上，由于超材料的不同结构，在镂空王字型处激发了局域表面等离子体共振，形成宽带近乎完美的吸收。另外，通过合理优化结构参数值，使吸收在特定的频率下的阻抗和自由空间的阻抗值相匹配。在计算中，可以使用合适的非均匀网格来满足良好收敛结果的条件。

(7)本实施例所述的一种基于镂空结构的宽带可调太赫兹超材料吸收器的吸收率定义为A=1-R-T，式中R为反射率，T为透射率。为了使吸收率最大化，要求在整个频率范围内反射率和透射率尽可能的小。本发明设计的吸收单元的底层金属为全金属薄膜，电磁波不能透射，透射率趋近于零，因此吸收率计算公式可简化为A＝1-R。

(8)图3为通过仿真计算出吸收器的吸收率曲线图。这里设定石墨烯的化学势为1.2eV，驰豫时间为1ps。可以看出本发明的吸收器结构对入射的太赫兹波具有较强吸收特性，在频率范围2.5-4THz内实现吸收率近乎完美吸收。

(9)图4为本发明几何参数固定时，将石墨烯的费米能级从0.6eV增加到1.2eV，所述吸收器的吸收率至少在80%以上，且费米能级越大，所述吸波器的吸收率也越大，是一种性能良好的吸收率可调的新型宽带吸收器。

(10)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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的基础上所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于镂空结构的宽带太赫兹超材料吸收器，由周期结构组成，其特征在于包括若干在平面上沿同一个方向周期排列的基本单元；每个基本单元包括三层：上层为镂空“王”字形图案石墨烯层，中间为电介质聚酰亚胺层，下层为金属层。

2.实际加工过程为：首先在衬底上形成介质层薄膜，然后在介质层上采用化学方法或物理方法镀一层石墨烯薄膜形成石墨烯层，按照设定的周期和基本单元的个数，通过光刻或电子束曝光对石墨烯进行刻画，去掉多余的石墨烯薄膜，刻蚀出镂空“王”字型石墨烯图案，进而构成具有周期结构的石墨烯层，当所有石墨烯层一次性刻画完毕后，需要在石墨烯层上镀一层导电胶。

3.如权利要求1所述的基于镂空结构的宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述的每个基本单元对应的镂空王字型石墨烯图案结构相同，其具体结构形状如下：王字型的长为12μm，宽为2μm。

4.如权利要求1所述的基于镂空结构的宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于所述中间电介质层的材料为聚酰亚胺，所述介质层的厚度h=15~17μm。

5.如权利要求1所述的基于镂空结构的宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于所述下层为金属层，其厚度为0.1~0.5μm。

6.如权利要求1所述的基于镂空结构的宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述每个单元结构的周期是 19*19μm。

7.如权利要求1所述的基于镂空结构的宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述石墨烯的费米能级为0.6eV～1.2eV。

8.根据权利要求1所述的基于镂空结构的宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于：所述镂空王字型石墨烯(2)为单层原子排列结构。

9.根据权利要求1所述的基于镂空结构的宽带太赫兹超材料吸收器，其特征在于：所述底层金属(4)是为了阻止太赫兹波穿透。

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