CN116111364B - 太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器 - Google Patents

太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器。包括自下而上依次连接的小十字型石墨烯贴片、光学介质层、方形石墨烯贴片、光学介质层、大十字型石墨烯贴片。本发明通过改变石墨烯费米能级调控它的性能,实现器件动态可调特性。本发明采用单层石墨烯代替上层金属层,使上层结构和介质层共同形成全介质结构,石墨烯厚度远小于常规金属层的厚度,可避免常规金属层欧姆损耗过大的问题,提高吸收率,达到完美的吸收。通过对参数的优化,该吸收器的带宽可达2.9THz,实现了超宽带相干完美吸收。本发明设计的石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器能够应用在光学激励、调制、传感和探测等各个领域,对新型光电技术发展起到重要的作用。

Description

太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器
技术领域
本发明属于吸波体材料技术领域,具体涉及一种太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带可调谐相干完美吸收器。
背景技术
太赫兹波一般是指频率范围为0.1~10THz的电磁波,在宽带通信、频谱分析、检测、成像、传感等诸多领域具有广阔的应用前景。超材料是具有周期性的人工电磁介质,能够实现自然界中无法找到的电磁性质,例如负折射率,可以用于光学隐身,慢光效应,生物传感等方面。其中,一个引人瞩目的应用领域即电磁波“完美吸收器”,它可以使吸收器在特定频带内近100%的接收电磁波。
石墨烯由于其优异的电、磁和光学性能,被认为是制作太赫兹吸收器的新一代材料。石墨烯的化学势可以通过使用外加电压来控制,而化学势的变化会引起吸收特性变化。因此,基于石墨烯的太赫兹吸收器的吸收特性也可以通过外加电压来实时调控。
目前已经出现的石墨烯太赫兹吸收器已经有很多种,但或多或少存在一些缺点,影响其应用。比如很多吸收器的工作频谱很窄,或很多吸收器是基于金属材料设计的,欧姆损耗过大,对吸收效率有影响,达不到完美吸收。有的吸收器结构过于复杂,较难用于实际制备,体积较大。其中工作波段单一、对入射电磁波偏振状态敏感的吸收器,限制了它们在光谱检测、能量利用和电磁隐身等方面的应用,宽波段吸收器成为近来研究的热点。
发明内容
为了解决以上技术问题,包括实现超薄超紧凑空间尺度纳米器件,超宽频段吸收器,多角度吸收器,同时具备优异的调控灵敏度。本发明采用的技术方案如下:
一种太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器,包括若干在全空间内周期性排布的基本单元,每个基本单元包括石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器自下而上依次连接的小十字型石墨烯贴片、光学介质层、正方形石墨烯贴片、光学介质层以及大十字型石墨烯贴片;其中光学介质层位于三片贴片两两之间,石墨烯平铺在对应的光学介质层上。
相干完美吸收器单元在全空间以p=8um周期性排布。
优选的,所述相干完美吸收器的外界环境工作波段范围为2.8THz到5.7THz.
优选的,所述的光学介质层材料是介电常数为2.25的二氧化硅,每组光学介质层均由二氧化硅正方体晶体平铺而成。
优选的,两组所述光学介质层厚度相同,并且每组光学介质层的横截面为宽度和长度相同的正方形,其中两块光学介质层上下平行。
优选的,所述相干完美吸收器基本单元的总厚度的结构尺寸均小于工作波段的光波波长;
优选的,所述平铺的单层石墨烯费米能级范围为0.5eV。
优选的,所述光学介质层的长宽度为8um,厚度为1.2um。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:本发明太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器中介质层上设有十字交叉的石墨烯贴片,是轴对称结构,对于太赫兹波段的波达到了2.9THz频带,实现了吸收器的超宽带;同时,在全空间周期性排布,可实现入射角度达到30°的完美吸收;通过调节石墨烯贴片的费米能级,实现吸收器吸收率的动态可调特性;本发明中采用超表面结构,其体积极小,重量轻,易于集成,可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控,提高了吸收率,达到完美吸收。
附图说明
图1是本发明太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器的结构示意图。其中图a为吸收器的透视图,图b为吸收器的顶视结构图。
图2是本发明太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器的结构参数图。
图3是太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器的在正入射太赫兹波下的吸收谱。
图4为太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器在不同入射角的入射太赫兹波下的吸收谱。
具体实施方式
下面将结合附图来进一步详细解释和说明本发明的内容。但是以下附图仅仅是本发明的理想化实施案例的示意图,其中为了清楚展示本发明器件的物理结构,作为示意图不应该被认为严格反映的几何尺寸的比例关系。当然,本发明所示的实施案例也不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。简言之,附图是具备示意性的,不应该被认为限制了本发明的范围.
太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器,包括若干在全空间内周期性排布的基本单元,每个基本单元包括三组不同形状的石墨烯贴片和位于两两石墨烯贴片光学介质层,所述吸收器的基本单元包括自上而下均匀分布的小十字型石墨烯贴片、第一层光学介质层、正方形石墨烯贴片;第二层光学介质层、大十字型石墨烯贴片;其中光学介质层位于三片石墨烯贴片两两之间,石墨烯贴片平铺在对应的光学介质层上。
优选的,所述完美吸收器的外界环境工作波段范围为2.8THz到5.7THz.
优选的,所述的光学介质层材料是介电常数为2.25的二氧化硅。每组光学介质层均由二氧化硅正方体晶体平铺而成宽度和长度相同的正方形。
优选的,两组所述光学介质层厚度相同,并且每组光学介质层的横截面为宽度和长度相同的正方形,其中两组光学介质层上下平行。
优选的,所述完美吸收器的结构尺寸均小于工作波段的光波波长;
优选的,所述平铺的单层石墨烯费米能级范围为0.5eV。
优选的,所述光学介质层的长宽度均为8um,厚度为1.2um。
下面结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明:
图1(a)和1(b)分别为本发明的一种太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器三维透视示意图和顶视结构图,吸收器的每个基本单元包括自上而下由均匀分布的小十字型石墨烯贴片、第一层光学介质层、正方形石墨烯贴片;第二层光学介质层以及大十字型石墨烯贴片。其中介质层位于三片贴片两两之间,石墨烯平铺在下层光学介质层上。完美吸收器单元在全空间以周期性排布。三层石墨烯贴片中心重合,中间两层光学介质层尺寸完全相同,且两组所述光学介质层上下平行。
图2为发明的一种太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器三维结构示意图,其中本实施例中,小十字型石墨烯贴片的长为L3=4.6um,宽为W3=2.4um,光学介质层的厚度为d=1.2um,正方形石墨烯贴片的宽度为W2=6um,大十字型石墨烯贴片的长为L1=7.2um,宽为W1=2.8um。
在实施例中,光学介质层的材料是二氧化硅,其折射率设为1.45-1.6。完美吸收器单元在空间排布的周期P=8um,采用自上而下由均匀分布的小十字型石墨烯贴片、光学介质层、正方形石墨烯贴片、光学介质层和大十字型石墨烯贴片;两层光学介质层之间,包覆正方形石墨烯贴片,两层石墨烯贴片之间的两层光学介质层厚度d=1.2um,上层和下层石墨烯的厚度相同,单层石墨烯费米能级设定为0.5eV。
图3为本发明的实施例中的太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器的吸收谱,在频率2.8THz到5.7THz波段范围内达到了百分之90的吸收率,该吸收峰的位置和强度是由石墨烯的结构参数和费米能级以及石墨烯之间的介质层厚度和折射率所决定的。通过调整上述的结构参数可以调整吸收率和带宽。
图4为本发明的实施例中的太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器的不同入射角的吸收谱。如图可知在入射角达到30度任然可以达到2.9THz的带宽,并且吸收率达到百分之90。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化,均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (8)

1.太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器,其特征在于:所述相干完美吸收器包括若干在全空间内周期性排布的基本单元,每个基本单元包括自上而下分布的小十字型石墨烯贴片、第一层光学介质层、方形石墨烯贴片、第二层光学介质层和大十字型石墨烯贴片;其中光学介质层位于在三层石墨烯贴片两两之间,各层的石墨烯贴片平铺在对应的光学介质层上,三层石墨烯贴片中心重合,中间两层光学介质层为长方体且尺寸完全相同;所述光学介质层折射率范围为1.45~1.6;平铺的单层所述石墨烯贴片的费米能级为0.5eV。
2.如权利要求1所述的太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器,其特征在于:所述光学介质层的材料是介电常数为2.25的二氧化硅。
3.如权利要求1所述的太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器,其特征在于:所述相干完美吸收器的外界环境工作波段范围为2.8 THz 到 5.7 THz,其具有超宽频段。
4.如权利要求1或2所述的太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器,其特征在于:所述光学介质层采用若干组二氧化硅正方体晶体平铺形成长度与宽度相同的正方形;每层光学介质层的长度等于8um,每层光学介质层的厚度为1.2um;两组所述光学介质层上下平行。
5.如权利要求3所述的太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器,其特征在于:所述相干完美吸收器基本单元的总厚度尺寸均小于工作波段的光波波长。
6.如权利要求1所述的太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器,其特征在于:所述小十字型石墨烯贴片与大十字型石墨烯贴片的厚度相同。
7.如权利要求1所述的太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器,其特征在于:最顶层小十字型石墨烯贴片为长4.6um、宽2.4um的矩形中心重合十字交叉;中间方形石墨烯贴片为长6um的正方形;最下方的大十字型石墨烯贴片为长7.2um、宽2.8um的矩形中心重合十字交叉;所述基本单元在全空间以p=8um周期性排布。
8.如权利要求1所述的太赫兹波段基于石墨烯超表面的超宽带相干完美吸收器,其特征在于:所述正方形石墨烯贴片包覆在两层光学介质层之间。
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