CN115621744A - 一种基于石墨烯-vo2的太赫兹超宽带可调吸波器 - Google Patents

一种基于石墨烯-vo2的太赫兹超宽带可调吸波器 Download PDF

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张勇
刘广儒
余怀强
朱华利
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Abstract

本发明公开一种基于石墨烯‑VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，属于太赫兹技术领域，包括自上而下依次设置的相变材料层、第一介质层、石墨烯层、第二介质层和反射层；相变材料层包括多个周期性阵列排布的VO2伞状贴片，各VO2伞状贴片为由8个全等的等腰三角形构成的正八边形结构，相邻等腰三角形之间存在缝隙，相邻VO2伞状贴片之间互不连接。本发明将阵列排布的伞状VO2贴片与石墨烯层结合，实现3～10THz波段的超宽带吸波，吸收率保持90％以上，并通过分别控制相变材料层的电导率和石墨烯层的费米能级，使吸波器呈现不同的工作状态，具备功能多样性的特点。

Description

一种基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器。
背景技术
太赫兹的频率范围通常在0.1THz～10THz，其波段处于微波波段和红外线波段之间。因其具有宽带性、低能量性、强穿透性等多种独特性质，而在通信、传感、成像等领域均有广阔应用。传统结构的太赫兹吸收器由于其结构一旦固定就无法调节，因此可调谐太赫兹吸收器成为研究的热点问题。
二氧化钒VO2作为一种常见的相变材料，在直流偏置、紫外线照射等外界激励下，会发生从绝缘态到金属态的转变，导致电导率迅速增大，其数值大约有3～6个数量级的变化，并且过程可逆。通过将VO2引入太赫兹吸收器结构可以实现吸收器性能的调节，具有较高的灵活性。石墨烯作为一种特殊的二维蜂窝状可调材料，在结构固定时，可以通过调节两端电压改变费米能级，进而操纵石墨烯电导率，引入太赫兹吸收器结构同样可以实现动态可调特性。
目前大多数可调谐太赫兹吸收器的工作带宽较窄(在5THz以内)，因此，合理设计VO2层和石墨烯层的结构与位置，可以有效提高太赫兹吸收器的性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，具有吸收带宽极宽、吸收性能好的优点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，其特征在于，包括自上而下依次设置的相变材料层、第一介质层、石墨烯层、第二介质层和反射层；所述相变材料层包括多个周期性阵列排布的VO2伞状贴片，各VO2伞状贴片为由8个全等的等腰三角形构成的正八边形结构，相邻等腰三角形之间存在缝隙，相邻VO2伞状贴片之间互不连接。
进一步地，所述正八边形结构的边长为8～12μm，相邻等腰三角形之间的缝隙尺寸为0.1～0.8μm。
进一步地，所述相变材料层的厚度为0.03～0.3μm。
进一步地，所述石墨烯层的厚度为0.001μm。
进一步地，所述第一介质层和第二介质层的厚度分别为3.5～7.5μm和2.5～5.5μm。
进一步地，所述反射层的材料为铜或金等金属，厚度为2～4μm。
进一步地，通过紫外照射相变材料层，单独调节相变材料层的电导率；通过调节石墨烯层与反射层之间的直流偏置电压，单独调节石墨烯层的费米能级。
本发明所述基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器的工作原理为：一方面通过紫外照射相变材料层，使相变材料层发生绝缘-金属相变，电导率逐渐增大；另一方面通过调节石墨烯层与反射层之间的直流偏置电压，改变石墨烯层的费米能级；结合上述两种调节方式，实现吸波器的太赫兹超宽带吸收可调，具体为：
当相变材料层处于绝缘态，石墨烯层的费米能级为0eV时，吸波器在整个太赫兹波段内表现为全反射特性；
当相变材料层处于绝缘态，通过调节石墨烯层的费米能级，吸波器在整个太赫兹波段内表现为高反射特性，并且反射率可调谐；
当石墨烯层的费米能级为0eV，通过增大相变材料层的电导率，吸波器在3～8.6THz波段内表现为较宽的吸波状态；
当调节石墨烯层的费米能级为0.65～0.75eV，通过增大相变材料层的电导率，吸波器在3～10THz波段内表现为超宽带吸波状态；
当同时调节相变材料层的电导率和石墨烯层的费米能级，吸波器在两个完美吸收点处实现最大97％以上的调制深度，具有良好的开关特性。
本发明的有益效果为：
本发明提出一种基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，采用阵列排布的伞状VO2贴片作为相变材料层，使吸波器在3～8.6THz波段内表现为较宽的吸波状态，通过在两个介质层中引入可调节费米能级的石墨烯层，实现3～10THz波段的超宽带吸波，吸收率保持90％以上，具有吸收带宽极宽、吸收性能好的优点；此外，通过分别控制相变材料层的电导率和石墨烯层的费米能级，使吸波器呈现不同的工作状态，具备功能多样性的特点。
附图说明
图1为实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器的结构示意图；
图2为实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器的局部结构示意图；
图3为实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器的局部俯视图；
图4为对比例提供的基于VO2的太赫兹可调吸波器的结构示意图；
图5为对比例提供的基于VO2的太赫兹可调吸波器在不同VO2电导率下的吸收谱线图；
图6为实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器在VO2电导率为10S/m时，不同石墨烯层费米能级下的反射率曲线图；
图7为实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器在VO2电导率为200000S/m时，不同石墨烯层费米能级下的吸收谱线图；
图8为实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器在石墨烯层费米能级为0.75eV时，不同VO2电导率下的吸收谱线图；
图9为实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，当同时调节VO2电导率和石墨烯层费米能级时，实现开关功能的示意图；
图10为实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，当相变材料层处于金属态，石墨烯层的费米能级为0.75eV时的吸收率随偏振角变化的吸收谱线图；
图11为实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，当相变材料层处于金属态，石墨烯层的费米能级为0.75eV时的吸收率随入射角度变化的吸收谱线图；
附图中各标记的说明如下：
1：相变材料层；2：第一介质层；3：石墨烯层；4：第二介质层；5：反射层；6：微结构单元。
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，以下结合附图与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。
实施例1
本实施例提供了一种基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，结构如图1所示，包括自上而下依次设置的相变材料层1、第一介质层2、石墨烯层3、第二介质层4和反射层5。
所述吸波器可视为由多个周期性阵列排布的微结构单元6构成，微结构单元6的边长P为28μm，结构如图2和图3所示，包括自上而下依次设置的相变材料层1、第一介质层2、石墨烯层3、第二介质层4和反射层5；其中相变材料层1为VO2伞状贴片，其结构为由8个全等的等腰三角形构成的正八边形，正八边形的边长R为0.98μm，相邻等腰三角形之间存在宽度L为0.4μm的缝隙。
相邻微结构单元6中的VO2伞状贴片之间互不连接。
本实施例中，相变材料层1的厚度为0.05μm；第一介质层2和第二介质层4的材料为石英，厚度分别为4.5μm和3μm；石墨烯层3的厚度为0.001μm；反射层5的材料为金，厚度为3μm。
本实施例可通过紫外照射相变材料层，单独调节相变材料层的电导率；通过调节石墨烯层与反射层之间的直流偏置电压，单独调节石墨烯层的费米能级。
对比例
本对比例提供了一种基于VO2的太赫兹可调吸波器，结构如图4所示，与实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器相比，区别仅在于：在第一介质层2和第二介质层4之间不存在石墨烯层3；其他结构和尺寸不变。
为了说明实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器的性能，对实施例1和对比例所得吸波器分别进行仿真验证，结果如下：
对比例提供的基于VO2的太赫兹可调吸波器的仿真结果如图5所示，通过紫外照射相变材料层，调节相变材料层的电导率σVO2为10～200000S/m，可见对比例的吸波器吸收率可在3.6～8.5THz之间进行调制，相对带宽为4.9THz，并且功能单一。
实施例1提供的基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器的仿真结果如图6～11所示，分别为：
当相变材料层1处于绝缘态，石墨烯层3的费米能级为0eV时，吸波器在整个太赫兹波段0～10THz内表现为全反射特性，而当VO2的电导率为10S/m，即相变材料层1处于绝缘态时，调节石墨烯层3的费米能级为0～0.8eV，如图6所示，吸收器在整个太赫兹波段0～10THz内实现了高反射特性，且反射率可以调谐。
当VO2的电导率为200000S/m，即相变材料层1处于金属态时，调节石墨烯层3的费米能级为0～0.8eV，如图7所示，吸收器的吸收率在3.57～10THz的高频段范围内有较高增加，均超过90％，且基本不影响在低频段的吸收率。
当石墨烯层3的费米能级为0.75eV时，逐渐增大VO2的电导率，升高至20000S/m时，如图8所示，吸收器在3.57～10THz频率范围内实现了超宽带可调吸收特性。
同时对VO2的电导率和石墨烯层3的费米能级进行调节，调整为石墨烯层3的费米能级为0.75eV，VO2的电导率为20000S/m的情形，以及石墨烯层3的费米能级为0eV，VO2的电导率为10S/m的情形，如图9所示，可在两个完美吸收点处实现最大分别为97.9％(4.3THz处)、96.8％(8.25THz处)的调制深度，具有良好的开关特性。
从图10可以看出，当相变材料层1处于金属态，石墨烯层3的费米能级为0.75eV时，吸收器在太赫兹波以不同偏振角入射时，始终保持着良好的吸收特性，即在3.57～10THz频率范围内的吸收率均在90％以上，表明吸收器具有偏振角不敏感特性。
从图11可以看出，当相变材料层1处于金属态，石墨烯层3的费米能级为0.75eV时，吸收器在太赫兹波以一定角度斜入射时，仍然有着较为良好的吸收特性，当太赫兹波的入射角增加65°时，吸收器的吸收率仍然可以达到90％以上，表明吸收器具有一定入射角不敏感特性。
综上所述，本发明提出了一种基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，在不增加结构复杂性的基础上，实现了超宽带吸收、高反射率和开关功能，而且极大的拓展了太赫兹吸波器的吸收带宽，具有结构简单、调制深度大等优点，可应用于电磁隐身、在太赫兹开关及调制器等领域。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (6)

1.一种基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，其特征在于，包括自上而下依次设置的相变材料层、第一介质层、石墨烯层、第二介质层和反射层；所述相变材料层包括多个周期性阵列排布的VO2伞状贴片，各VO2伞状贴片为由8个全等的等腰三角形构成的正八边形结构，相邻等腰三角形之间存在缝隙，相邻VO2伞状贴片之间互不连接。
2.根据权利要求1所述基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，其特征在于，所述正八边形结构的边长为8～12μm，相邻等腰三角形之间的缝隙尺寸为0.1～0.8μm。
3.根据权利要求1所述基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，其特征在于，所述相变材料层的厚度为0.03～0.3μm。
4.根据权利要求1所述基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，其特征在于，所述石墨烯层的厚度为0.001μm。
5.根据权利要求1所述基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，其特征在于，所述第一介质层和第二介质层的厚度分别为3.5～7.5μm和2.5～5.5μm。
6.根据权利要求1所述基于石墨烯-VO2的太赫兹超宽带可调吸波器，其特征在于，所述反射层的材料为铜或金，厚度为2～4μm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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