CN207611869U - 一种基于双梯形石墨烯的宽带太赫兹吸波器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于双梯形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，属于太赫兹技术领域的吸波器件，利用了石墨烯表面等离子体特性。该吸波器件为三维周期性结构，其结构组成为：金构成的金属基底（1），二氧化硅介质层（2），和双梯形石墨烯层（3）。本实用新型主要通过有限元方法计算模拟出石墨烯对太赫兹波的吸收频谱，对吸波器件结构进行优化，得到理想的宽带吸波效果。本实用新型结构简单，易于加工；仅通过叠加两层双梯形石墨烯材料便可实现吸收效率在90%以上，带宽为1.85THz的吸波器件。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种基于双梯形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，属于石墨烯材料在太赫兹波段的应用领域。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1THz到10THz间的电磁波，在毫米波和红外线之间，同时具有这两个波段的部分特性。随着太赫兹技术在通信、成像、传感等方面的应用，引起了人们对太赫兹技术的极大关注。目前在自然界中很少有材料可以应用于这一波段，主要是缺少有效的太赫兹源和探测器，近年来为了提高太赫兹探测器件的探测效率和灵敏度，科研人员开始将太赫兹波吸波材料的研究放在至关重要的位置，其中基于超材料的太赫兹吸波材料的研究是一个重要方向，通过改变结构单元的尺寸，可以使材料作用于太赫兹频段，从而作为一种太赫兹吸波器件。
吸波材料是一种可以将入射到材料表面的电磁波转换为热能或其他形式能量的一类材料，可减少电磁波的透射和反射，从而实现对电磁波的吸收。目前典型的吸波器件结构为三明治型：其顶层为周期性超材料图案，中间是一层非金属介质材料，底层是不透明的金属平面。通过调节单元结构的尺寸来调节吸收峰的位置和吸收效率。在太赫兹波段由于作为常用的表面等离子体材料的金属的介电常数虚部非常大从而不能直接支持表面等离子体，也限制了表面等离子体在太赫兹吸波方面的应用。
相比于传统的金属吸波器，本实用新型提出的基于石墨烯的太赫兹吸波器具有结构简单，易于加工。由于石墨烯的相对介电常数实部在太赫兹波段为负的，所以在太赫兹波段石墨烯表现出金属的性质，支持表面等离子体激元。作为新材料的石墨烯，在太赫兹波段所展现出的特性，使其成为吸波材料研究的热点。
实用新型内容
本实用新型设计了一种双梯形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，提供了一种结构简单，吸收效率高的宽带吸波器，吸收效率在90%以上的带宽为1.85THz，从3.45THz到5.3THz。
为实现上述目的，本实用新型所采取的技术方案如下：
基于双梯形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，该吸波器为三维周期性结构，采用两层不同尺寸的双梯形石墨烯叠加而成。其结构组成自下而上分别为金属材料金作为反射层，一层二氧化硅衬底，两层不同尺寸的双梯形石墨烯以二氧化硅介质层隔开。
本技术方案中的基于双梯形石墨烯的宽带太赫兹吸波器件以石墨烯材料为基础，可以通过氧化石墨还原法来制作，本实用新型使用两层不同尺寸的双梯形石墨烯为吸收介质。
本实用新型所述的有益效果是：
1、可实现宽带太赫兹吸波，吸收带宽为1.85THz，吸收效率在90%以上。
2、本实用新型所述的宽带吸波器结构简单，仅采用两层双梯形石墨烯便可实现宽带吸收效果。
附图说明
图1为本实用新型的吸波器件的单元结构示意图；
图2为本实用新型的中间双梯形石墨烯层俯视图；
图3为本实用新型的顶层双梯形石墨烯俯视图；
图4为本实用新型的吸波器件的吸收率曲线图；
图1中标号：金基底（1），二氧化硅介质（2），双梯形结构的石墨烯（3）。金基底（1）长和宽为P=15μm，厚度为h=2μm，二氧化硅（2）衬底的厚度为d=8μm，隔离层二氧化硅（2）的厚度；d1=1μm。
图2中的尺寸：中间层双梯形石墨烯（3）的上底宽度为w=6.25μm ，高度为a=3μm，b=1μm。
图3中的尺寸：顶层双梯形石墨烯（3）的上底宽度为w1=5.25μm，高度为a1=3μm，b1=1μm。
图4为仿真得到的曲线图。
具体实施方式
图1为一种基于双梯形石墨烯的宽带太赫兹吸波器件的一个单元结构示意图，采用长和宽为P，厚度h的金作为反射基底，二氧化硅衬底的厚度为d,中间层双梯形石墨烯的上底宽度为w，高度为a，如图2所示；隔离层二氧化硅的厚度为d1，顶层双梯形石墨烯的上底宽度为w1，高度为a1，如图3所示；其中二氧化硅的介电常数设为4，且金的厚度远大于金在太赫兹波段的集肤深度，所以材料金基底可视为完美电导体（PEC）。
以下对本实用新型的工作原理进行详细的介绍：
本实用新型采用厚度为 h=2μm 的金作为基底，在太赫兹波段金属基底的厚度远大于其集 肤深度，所以电磁波不能透射穿过基底，电磁波透射的影响可以忽略不计。在这里可以采用化学气相沉淀法在铜箔上制作一层厚度为1nm厚的石墨烯薄膜，再转移到二氧化硅介质层上，通过掩膜光刻法得到双梯形石墨烯阵列。
在太赫兹波段，当太赫兹波垂直入射到双梯形石墨烯表面时，可以激发双梯形石墨烯的表面等离子体激元（SPPs），产生局域表面等离子体谐振，增强对电磁波的约束。在这里，双梯形石墨烯可看成一个谐振器，如图2和图3所示。其谐振条件可由公式2k spp L+2δ=2pπ来表示，其中k spp 为石墨烯表面等离子体波矢，L为谐振腔长度，δ为谐振腔两端的相位变化，p为整数。当太赫兹波入射到石墨烯表面时，太赫兹能量便被束缚在双梯形石墨烯的边界处，使得吸收增强。通过该公式可知，当双梯形石墨烯的谐振腔长度L改变时，石墨烯表面等离子体波矢也会发生变化，从而造成吸收峰值频率的变化。利用这一思路可知，当采用两层不同长度的双梯形石墨烯阵列时，便可得到不同的吸收峰值，当两层不同长度的双梯形石墨烯叠加在一起时，就可以实现宽带的展宽。
图4为采用有限元方法模拟得到的宽带吸收效果图。在这里通过掺杂的方法使得石墨烯的化学势为1eV，可以看到吸收效率在90%以上的带宽为1.85THz，从3.45THz到5.3THz。
Claims (4)
1.基于双梯形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，其结构组成为以材料金作为反射基底，双梯形石墨烯(3)和金属基底(1)以及两层石墨烯之间以二氧化硅(2)介质隔开，其中，中间层双梯形石墨烯和底层金之间的距离为d，两层石墨烯之间的距离为d1。
2.根据权利要求1所述的基于双梯形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，其特征在于：中间层双梯形石墨烯和底层金之间的距离d为8μm，两层石墨烯之间的距离d1为1μm。
3.根据权利要求1所述的基于双梯形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，其特征在于：中间层双梯形石墨烯的上底宽度w为6.25μm，高度a为3μm，b＝1μm。
4.根据权利要求1所述的基于双梯形石墨烯的宽带太赫兹吸波器，其特征在于：顶层双梯形石墨烯的上底宽度w为5.25μm，高度a1为3μm，b1＝1μm。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109378578A (zh) * | 2018-09-19 | 2019-02-22 | 天津大学 | 高辐射效率高增益的硅基片上介质谐振天线及天线阵列 |
| CN110031923A (zh) * | 2019-04-19 | 2019-07-19 | 电子科技大学 | 可拉伸式双面超宽带太赫兹吸波材料及其制备方法 |
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