CN117498043A - 一种石墨烯多频带太赫兹功能吸波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于太赫兹吸波技术领域，具体提供一种石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，用以解决现有技术中吸收频段少、制备成本高、入射角度敏感等问题。本发明由若干个呈阵列排布的吸波单元结构拼接构成，吸波单元结构呈正方形结构，由介质层、设置于介质层上、下表面的石墨烯层、金属层构成；石墨烯层关于介质层上表面中心呈90°旋转对称，由位于中心的十字形结构与其末端连接的U型结构构成，十字形结构位于介质层上表面的中线上；相邻吸波单元结构拼接后，U型结构拼接构成矩形环状结构。本发明利用Fabry‑Perot干涉原理，采用三明治吸波器结构实现多个频段的完美吸收，且具有动态调控的特性，同时具有结构简单、易加工等优点。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹吸波技术领域，涉及太赫兹吸波器，具体提供一种石墨烯多频带太赫兹功能吸波器。
背景技术
太赫兹波（Terahertz, THz）是指频率位于0.1～10THz的电磁波，在电磁频谱中位于微波和红外之间，具有穿透力强、非电离辐射等优异性能，在生物医学、安全检测、通信等领域具有广泛应用前景，而设计高效的太赫兹波吸收材料是实现这些应用的关键。常见的太赫兹吸波材料包括金属、半导体、石墨烯、纳米材料等，其中，石墨烯由于其优异的电学和光学性质，在太赫兹吸波领域得到了广泛的应用；然而，石墨烯仅在单频段上表现出较好的吸波效果，对于多频段的吸波需求则无法满足；因此，需要设计一种能够实现多频带吸波效果的太赫兹吸波器。
目前，太赫兹吸波器主要包括宽带吸波器、窄带吸波器、多频带吸波器等；其中，宽带吸波器可以在太赫兹波段内实现宽带吸收，适用于无线通信、雷达成像等领域；窄带吸波器则可以对单一频段的电磁波进行选择性吸收，适用于医学成像、安检等领域；多频带吸波器则结合了宽带吸波器和窄带吸波器的优点，可以同时实现在不同频段上的吸波效果。近年来，随着纳米技术和光学技术的不断发展，多频带太赫兹吸波器设计也得到了快速发展；其中，具有多层结构的吸波材料较为简单有效，每一层结构可以分别对应不同的吸波频段，实现多频带吸波效果；其次，也可以利用面阻抗相似理论，设计出具有多孔结构的吸波材料，实现多频带吸波效果；此外，基于谐振腔的吸波器也可以基于不同的吸波结构及介质层设计实现不同频段内的吸波效果。基于此，本发明提出一种基于Fabry–Perot干涉的石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，用以提高太赫兹吸波器的适用范围和使用效果，使其在太赫兹通信、雷达成像、医学成像等领域具有更广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于Fabry–Perot干涉的石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，用以解决现有太赫兹吸波器存在的吸收频段少、制备成本高、入射角度敏感等问题。本发明利用Fabry-Perot干涉原理，采用三明治吸波器结构，在石墨烯与金属反射层之间插入夹层用以调节吸波频率和增加吸波带宽，最终实现多个频段的完美吸收，且具有动态调控的特性，同时具有结构简单、易加工等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，由若干个呈阵列排布的吸波单元结构拼接构成；所述吸波单元结构呈正方形结构，由介质层、设置于介质层上表面的石墨烯层、设置于介质层下表面的金属层构成；其中：
石墨烯层关于介质层上表面中心呈90°旋转对称，由位于中心的十字形结构与其末端连接的U型结构构成，十字形结构位于介质层上表面的中线上；相邻吸波单元结构拼接后，U型结构拼接构成矩形环状结构。
进一步的，十字形结构的长度（L1）的取值范围为8~12 μm，宽度（W1）的取值范围为4~6 μm。
进一步的，矩形环状结构的外环宽度（L2）的取值范围为7~9 μm，内环宽度（L3）的取值范围为4~6 μm，外环长度（2W2）的取值范围为8~12 μm，内环长度（2W3）的取值范围为4~8 μm。
进一步的，介质层厚度（H1）的取值范围为34~46 μm。
进一步的，石墨烯层的厚度为0.34 nm。
进一步的，金属层采用金、银、铜或铝。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：
1）本发明设计了一种基于Fabry–Perot干涉的石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，具有三种共振模式的吸收峰，与现有技术相比，实现了多频段、动态可调谐和高灵敏度等特性，其最高灵敏度可达到563.00 GHz/RIU。
2）本发明设计了一种基于Fabry–Perot干涉的石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，所提出吸波器几何结构较为简单，方便制备。且可变的几何参数较多，但对吸收频段的影响较小，大大减轻了吸波器表面加工过程中的精度要求。
3）本发明设计了一种基于Fabry–Perot干涉的石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，该吸波器具有优异的调制特性，可通过改变石墨烯层的费米能级和介质层的厚度来实现吸收频段的调控。且对入射光的偏振无关，并且在光源大角度斜入射时仍具有完美的吸收性能。
附图说明
图1为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器的单元结构三维示意图。
图2为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器的单元结构的俯视示意图。
图3为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器的阵列结构示意图。
图4为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器的原理示意图。
图5为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器的吸收、反射、透射光谱辐射效率图。
图6为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器的相对阻抗图。
图7为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器的吸收光谱变化图。
图8为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器随石墨烯层几何参数W1的吸收变化曲线。
图9为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器随石墨烯层几何参数L2的吸收变化曲线。
图10为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器随石墨烯层几何参数W3的吸收变化曲线。
图11为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器随石墨烯层几何参数L3的吸收变化曲线。
图12为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器随介质层厚度H1的吸收变化曲线。
图13为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器随电磁波偏振角与入射角的吸收光谱图。
图14为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器随外界折射率n的吸收变化曲线图。
图15为本发明中石墨烯多频带太赫兹功能吸波器的峰值波长和外界折射率n的线性关系示意图。
图1中，1为石墨烯层，2为介质层，3为金属层，P为吸波单元结构的边长，H1为介质层的厚度，H2为金属层的厚度；图2中，L1为十字形结构的长度，W1为十字形结构的宽度，L2为矩形环状结构的外环宽度，W2为矩形环状结构的外环长度的二分之一，L3为矩形环状结构的内环宽度，W3为矩形环状结构的内环长度的二分之一。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案与有益效果更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种基于Fabry–Perot干涉的石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，由若干个呈阵列排布的吸波单元结构拼接构成；所述吸波单元结构如图1与图2所示，呈正方形结构，具体由介质层2、设置于介质层2上表面的石墨烯层1、设置于介质层2下表面的金属层3构成，其中，石墨烯层1关于介质层上表面中心呈90°旋转对称，由位于中心的十字形结构与其末端连接的U型结构构成，十字形结构位于介质层上表面的中线上；相邻吸波单元结构拼接后，U型结构拼接构成矩形环状结构。
下面结合工作原理与仿真测试结果对本发明的有益效果进行详细说明。
石墨烯层是由单层碳原子组成的二维材料，具有良好的电导率、热导率和透明性等优秀性能；石墨烯材料本身可以吸收太赫兹波段的能量，并将其转化为热能，从而实现吸波效果；此外，石墨烯还具有可调控性强、制备成本低等优点。本发明中，石墨烯材料的总电导率可以表示为：
，
其中，与/>分别表示带内电导与带间电导，ω表示入射波的角频率；
根据Kube公式，与/>可表示为：
，
，
其中，e表示电子的电荷，KB表示玻尔兹曼常数，表示约化普朗克常数，T表示环境温度，ω表示入射波的角频率，i表示虚数单位，Ef与τ分别表示石墨烯层的费米能级与弛豫时间；
在太赫兹波段：，因此，石墨烯导电率的带间电导/>可以忽略不计，石墨烯的表面电导率主要取决于带内贡献；在室温条件下，对/>进行数学求解，化为Drude电导形式，石墨烯的总电导率/>表示为：
。
根据上式，本发明计算得到不同费米能级的石墨烯材料并导入时域有限差分软件（Finite Difference Time Domain，简称FDTD）进行吸波器构建；设置入射光频段范围为0.1~7.0 THz，入射光波的传输方向垂直于X、Y方向并向下入射，在X、Y和Z方向分别设置仿真精度为0.5 μm、0.5 μm和0.25 μm。在本发明中，石墨烯的费米能级Ef范围0.05 eV~0.15eV；在实际应用中，可对石墨烯层外加栅极电压来调控石墨烯的费米能级。石墨烯层的几何结构采用微米级光刻技术来实现，最优几何参数为：L1=10 μm、W1=5 μm、L2=8 μm、W2=5μm、L3=5 μm、W3=3 μm，如图2所示。本发明将单元结构按照N×N的周期阵列排布形成一种基于Fabry–Perot干涉的石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，任意相邻的两个太赫兹吸波器之间无间距，如图3所示；优选为500×500个谐振单元进行周期阵列排布，形成边长约为1cm的正方形结构的太赫兹吸波器。
上述石墨烯多频带太赫兹功能吸波器的吸收原理可以用Fabry–Perot干涉理论进行说明，根据该干涉理论，石墨烯吸波器结构可以看作是一个类似Fabry–Perot的共振腔，如图4所示。吸波器顶部的石墨烯超表面可以看作是部分反射器，吸波器底部的金属板可以看作是全反射器；从石墨烯表面透射的部分太赫兹波在二氧化硅吸收层中被多次反射，这种叠加的多重反射能够抵消掉空气与石墨烯表面的直接反射，从而能实现高水平的吸收。因此，入射太赫兹波在石墨烯结构表面叠加后的所有反射系数R可以表示为：
，
其中，r12为石墨烯层的表面反射系数，t12为石墨烯层的表面透射系数，r21为石墨烯层的底面反射系数，t21为石墨烯层的底面透射系数，r23为底部金属层（全反射器）的反射系数、r23=−1；β表示传播相位，，εr为相对介电常数，k0为真空中的波矢量，t1为电介质层的厚度；因此，为了实现完美的吸收，反射系数r12必须降低到最大程度；基于此理论，本发明对石墨烯多频带太赫兹功能吸波器结构进行设计。
本发明中太赫兹功能吸波器的吸收效率A(ω)可以由下式计算：
A(ω)=1- T(ω) - R(ω)，
其中，T(ω)与R(ω)分别表示透射效率和反射效率；显然，当T(ω)与R(ω)足够小时，吸收效率A(ω)最大。由于本发明中金属反射层厚度远大于其趋肤深度，足以抑制所有波透过，透射效率T(ω)几乎为零；因此，本发明中太赫兹功能吸波器的吸收率A(ω)可表示为：
A(ω)=1- R(ω)，
即：当R(ω)接近于零时，实现完美吸收。
在此基础上，本发明提供的基于Fabry–Perot干涉的石墨烯多频带太赫兹功能吸波器在0.1~7.0 THz实现了三频段的完美吸收，如图5所示；由图可见，太赫兹功能吸波器所实现的三个吸收峰波段的中心分别位于1.195 THz、3.440 THz和5.832 THz，完美吸收效率分别对应为99.91%、99.96%和99.94%。
同时，阻抗匹配是保证吸波器与入射电磁波之间完美耦合的重要因素；根据超材料吸波器的阻抗匹配理论，要实现完美吸收（R=0），则需要输入阻抗与自由空间阻抗相匹配，即相对等效阻抗Z为1。相对等效阻抗Z可由下式计算：
，
其中，S11和S21分别表示与反射率和透过率相关的散射参数；
根据有效阻抗匹配理论，本发明中太赫兹功能吸波器的相对阻抗Z如图6所示，当石墨烯多频带太赫兹功能吸波器的输入阻抗与自由空间的阻抗相匹配时，即：相对阻抗Z的实部数值接近于1、虚部数值接近于0时，可以显著减小结构的反射，并达到完美吸收的效果；由图可见，在共振频段1.195 THz、3.440 THz和5.832 THz处，相对阻抗Z的实部均为1、虚部均为0，太赫兹功能吸波器实现了与自由空间阻抗的完美匹配；同时，当相对阻抗Z的实部和虚部分别偏离1和0时，吸收效率将急剧下降。
在实际应用中，吸波器的可调特性能够使其得到更广泛的应用；石墨烯可根据所施加的电压进行调整，其关系可描述为：
，
其中，Vg为栅极电压，ɛ0与ɛr分别表示真空介电常数与相对介电常数，e0为电子电荷量，VF为费米速度（VF=c/300，c为真空中的光速），H1为介质层的厚度；
在石墨烯的费米能级从0.05 eV增加到0.15 eV的过程中，本发明中太赫兹功能吸波器件的吸收光谱变化曲线如图7所示；由图可见，随着石墨烯的费米能级从0.05 eV增加到0.15 eV，三个吸收频率存在明显的蓝移（光谱线在波长上向短波长方向移动的现象），吸收频率的移动量分别为0.455 THz、0.110 THz和0.312 THz，这意味着通过调整费米能级能够实现吸收峰频率在0.1 THz~7.0 THz范围内的动态调控，增加了太赫兹功能吸波器件的实际应用效能。
在太赫兹功能吸波器的制备过程中，往往石墨烯层的图案加工会存在一定的误差，可能会引起吸收性能的改变；因此，太赫兹功能吸波器对石墨烯层的几何容忍性极其重要。本发明中太赫兹功能吸波器随石墨烯层的几何参数W1、L2、W3、L3的吸收变化曲线依次如图8~11所示，在图8中可以看出，在W1在4.00 μm到6.00 μm的范围内，吸波器的吸收效率几乎没有变化，吸收频率发生了轻微的蓝移；在图9中可以看出，L2在7.00 μm到9.00 μm的范围内，吸波器的吸收效率和吸收频段几乎没有发生变化；在图10中可以看出，W3在2.00 μm到4.00 μm的范围内，吸波器的吸收效率具有一定的影响，但均实现了超过90%的吸收，吸收频段不变；在图11中可以看出，L3在4.00 μm到6.00 μm的范围内，对太赫兹吸波器的性能影响极小。由此可见，本发明提供的太赫兹功能吸波器具有较强的几何容忍性，大大减轻了吸波器表面加工过程中的精度要求。
由于本发明中太赫兹功能吸波器基于Fabry–Perot干涉原理，因此，介质层厚度对太赫兹功能吸波器的吸波性能具有调制特性。在Fabry–Perot干涉过程中，太赫兹波在介质层中传输时的路径相位φP可表示为：
，
其中，H1与εr分别表示介质层厚度与介电常数，λ为干涉电磁波的波长；
当电磁波垂直入射时，路径相位φP和入射角度θ可以近似为固定值；因此，当介质层厚度H1增加时，干涉电磁波的波长将增大，将导致吸收频率出现红移。本发明中太赫兹功能吸波器随介质层厚度H1的吸收变化曲线如图12所示，可以看出，在34.00 μm到36.00 μm范围内，随着介质层厚度H1的增加，吸波器的吸收效率没有发生变化，同时吸波器的中心吸收频率发生红移（光谱线在波长上向长波长方向移动的现象）；由此可见，本发明提供的太赫兹功能吸波器具有优异的调制特性。
在实际应用中，电磁波的偏振角和入射角会发生变化，在入射光源的偏振角为TE偏振或TM偏振、入射角在0°到50°的条件下，本发明中太赫兹功能吸波器的吸收光谱如图13所示，其中，（a）为TE偏振、（b）为TM偏振；可以看出，随着入射角的增加，吸波器的吸收率强弱几乎没有变化；但当入射电磁波与吸波器表面形成不同角度时，石墨烯层的有效介电常数会发生变化，则吸收峰向高频方向移动，即：吸收频率发生蓝移；由此可见，本发明提供的太赫兹功能吸波器具有可动态调谐的广角吸收特性，有利于太赫兹区域的探测、传感及其他光电应用。
另外，本发明提供的石墨烯多频带太赫兹功能吸波器对外界折射率n的变化十分敏感；当外界折射率n在1.00到1.80的范围内时，本发明中太赫兹功能吸波器的吸收变化曲线如图14所示；可以看出，随着外界折射率n的增加，吸收频段会发生红移，且吸收效率保持不变。本发明基于此特性可以用作折射率传感器，检测折射率的变化，以分析被测物的化学成分。根据传感器灵敏度的计算公式：
S=Δf/Δn，
其中，Δf与Δn分别表示共振频率与环境折射率的变化；
本发明中太赫兹功能吸波器的峰值波长和折射率之间的线性关系如图15所示，其中，模式A、模式B、模式C分别表示吸波器从低到高的三个共振频段；经计算可得，吸波器的最大灵敏度达到了563.00 GHz/RIU，可应用于太赫兹传感、检测领域。
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)
1.一种石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，由若干个呈阵列排布的吸波单元结构拼接构成；其特征在于，所述吸波单元结构呈正方形结构，由介质层、设置于介质层上表面的石墨烯层、设置于介质层下表面的金属层构成；其中：
石墨烯层关于介质层上表面中心呈90°旋转对称，由位于中心的十字形结构与其末端连接的U型结构构成，十字形结构位于介质层上表面的中线上；相邻吸波单元结构拼接后，U型结构拼接构成矩形环状结构。
2.根据权利要求1所述石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，其特征在于，十字形结构的长度为8~12 μm，宽度为4~6 μm。
3.根据权利要求1所述石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，其特征在于，矩形环状结构的外环宽度为7~9 μm，内环宽度为4~6 μm，外环长度为8~12 μm，内环长度为4~8 μm。
4.根据权利要求1所述石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，其特征在于，介质层的厚度为34~46 μm。
5.根据权利要求1所述石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，其特征在于，石墨烯层的厚度为0.34 nm。
6.根据权利要求1所述石墨烯多频带太赫兹功能吸波器，其特征在于，金属层采用金、银、铜或铝。
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