CN211126084U - 一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的是一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器。该超材料吸收器由多个吸收器单元构成，吸收器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜(1)，中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)组成，底层金属薄膜(1)、中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)之间相互贴合。所述底层金属薄膜(1)是全金属薄膜，顶层石墨烯薄膜(3)是图案化的单层石墨烯，图案化的单层石墨烯的几何中心、中间介质层(2)的几何中心以及底层金属薄膜(1)的几何中心在一条直线上。本实用新型提供的超材料吸收器具有高吸收率、频率可调谐、宽入射角度、极化不敏感特性，具有很高的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及光学特性技术领域，具体涉及一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器。
背景技术
光能量的高效率吸收，尤其是完美吸收是人们所期望的，这是因为完美吸收可以应用到很多领域，例如：成像、传感、隐身、检测等。要实现器件的完美吸收，选择合适的材料是一个非常重要的问题。超材料是周期性排列的人工电磁材料。它可以通过调节结构的几何形状、尺寸和分布等形式来控制材料的电磁属性，从而获得许多新颖特性，如负折射、完美透镜、超强吸收等。而完美吸收器则是超材料最重要的应用领域之一，自2008年Landy等人设计并提出第一个完美超材料吸收器以来，完美超材料吸收器便迅猛发展起来，涌现出各式各样的吸收器。总的来说，根据不同的应用需求吸收器可划分为两大类型：窄带吸收器和宽带吸收器。窄带吸收器主要应用于传感、成像、探测等领域，而宽带吸收器主要应用于太阳能收集、热辐射、隐身等领域。不幸的是，这些方法中遇到了一些具有挑战性的问题。如，在大多数情况下，利用改变超材料结构参数的方法来调整吸收峰的位置。然而，在实际应用中，这种方法需要重新制造结构来改变超材料吸收器的尺寸，并进一步调整吸收峰的频率，这样做的话既浪费时间，又浪费材料，从实际应用的角度出发，这种方法是不可取的。因此，以一种简单有效方法实现吸收峰频率的主动调谐，是目前迫切需要解决的问题。
本发明具有结构简单、吸收率高、可调谐等优点。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器。
本发明的目的是这样实现的：该超材料吸收器由多个吸收器单元构成，吸收器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜(1)，中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)组成，底层金属薄膜(1)、中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)之间相互贴合，所述底层金属薄膜(1)是全金属薄膜，顶层石墨烯薄膜(3)是图案化的单层石墨烯，图案化的单层石墨烯的几何中心、中间介质层(2)的几何中心以及底层金属薄膜(1)的几何中心在一条直线上。
所述的每个吸收器单元的横剖面都为正方形，其边长为1.7微米。
所述的底层金属薄膜(1)的厚度d为0.5微米，由金、银、铜或铝中的一种制成。
所述的中间介质层(2)是二氧化硅，其厚度t为3.6微米，相对介电常数为3.9。
所述的顶层石墨烯薄膜(3)是图案化的单层石墨烯，在对称的十字形单层石墨烯中心挖去一个对称的十字形孔，且十字形单层石墨烯的几何中心与挖去的十字形孔的几何中心相重合。
所述的十字形石墨烯的长边L1为1.6微米，短边W1为0.6微米，挖去的十字形孔的长边L2为0.9微米，短边W2为0.1微米。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1.超材料吸收器的顶层采用一个十字形石墨烯组成，结构简单，紧凑，完美对称，易于实现，还可以使吸收器具有极化不敏感特性；
2.本发明提出的超材料吸收器，可以在6～18THz的频率范围内实现两个吸收峰，且都具有近乎完美的吸收率；
3.由于本发明使用的是通过外加偏压来改变石墨烯的介电常数，这样对应不同偏压，可以对应不同共振频率，可以实现电压调频吸收。
4.当入射角增大时，仍能保持良好的吸收效果。
附图说明
图1：本发明的三维结构示意图。
图2：本发明的单元结构平面图。
图3：本发明在不同石墨烯费米能级情况下的吸收光谱图。
图4：TM模式下，0°～50°入射时各角度的吸收光谱图。
图5：TE模式下，0°～50°入射时各角度的吸收光谱图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1～2所示，一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器，包括沿平面连续设置的多个吸收单元。吸收器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜(1)，中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)组成，底层金属薄膜(1)、中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)之间相互贴合，所述底层金属薄膜(1)是全金属薄膜，顶层石墨烯薄膜(3)是十字形微结构，十字形微结构的几何中心、中间介质层(2)的几何中心以及底层金属薄膜(1)的几何中心在一条直线上。
当多个吸收单元沿平面连续设置时，底层金属薄膜1和中间损耗介质2均连为一体，而顶层石墨烯薄膜(3)之间则相互隔离，使各个吸收单元独立工作。
作为实施例，每个吸收单元的三层结构各尺寸参数如下：晶格周期P为1.7微米；所示的十字形石墨烯的长边L1为1.6微米，短边W1为0.6微米，挖去的十字形孔的长边L2为0.9微米，短边W2为0.1微米；所示的顶层石墨烯薄膜(3)的厚度为1纳米；所示的底层金属薄膜(1)采用金，其厚度d为0.5微米；所示的中间介质层(2)是二氧化硅，其厚度t为3.6微米，相对介电常数为3.9。
本实施例所述的双频可调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。本发明设计的吸波单元的底层为全金属膜(1)，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。
通过控制外加电压(偏压)，控制石墨烯的费米能级，从而改变石墨烯的光学响应，进而改变基于石墨烯的十字形微结构的共振频率，实现调频的超材料吸收器。由于十字形微结构对水平和竖直极化不敏感，本装置可以实现大角度的吸收。
本实施例在电磁波正入射下的仿真结果如图3所示，该仿真结果由CST MicrowaveStudio软件计算得到。从图中可以看到，当采用0.6电子伏特，0.7电子伏特，0.8电子伏特，0.9电子伏特，1.0电子伏特的费米能级所需要的偏压施加在石墨烯薄膜(3)上，可以看到随着偏压导致的费米能级的变化，吸收峰也产生了移动，吸收率有微弱的变化，但依然保持在90％以上。这说明了可以通过控制外加电压(偏压)，控制石墨烯的费米能级，从而改变石墨烯的光学响应，进而改变十字形微结构的共振频率，实现调频。
本实施例在TM模式和TE模式下，0°～50°入射时各角度的吸收光谱如图4和图5所示。从图中可以看出本发明提出的吸收器在TM模式和TE模式下的入射电磁波在角度0°～50°范围内具有良好的角度不依赖的吸收特性，而且吸收率均可保持在90％以上。由此可见，本实施例是一种性能良好的双频带、高吸收率的可调超材料吸收器。
Claims (8)
1.一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器，其特征在于：该超材料吸收器由多个吸收器单元构成，吸收器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜(1)，中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)组成，底层金属薄膜(1)、中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)之间相互贴合，所述底层金属薄膜(1)是全金属薄膜，顶层石墨烯薄膜(3)是图案化的单层石墨烯，图案化的单层石墨烯的几何中心、中间介质层(2)的几何中心以及底层金属薄膜(1)的几何中心在一条直线上。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器，其特征在于：所述每个吸收器单元的横剖面都为正方形，其边长P为1.7微米。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器，其特征在于：所述底层金属薄膜(1)的厚度d为0.5微米，由金、银、铜或铝中的一种制成。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器，其特征在于：中间介质层(2)是二氧化硅，其厚度t为3.6微米，相对介电常数为3.9。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器，其特征在于：顶层石墨烯薄膜(3)是图案化的单层石墨烯，在对称的十字形单层石墨烯中心挖去一个对称的十字形孔，且十字形单层石墨烯的几何中心与挖去的十字形孔的几何中心相重合。
6.根据权利要求5所述的一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器，其特征在于：所述的十字形石墨烯的长边L1为1.6微米，短边W1为0.6微米，挖去的十字形孔的长边L2为0.9微米，短边W2为0.1微米。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器，其特征在于：所述吸收器工作在6THz～18THz频段内。
8.根据权利要求1所述的一种石墨烯可调的双频带超材料吸收器，其特征在于：由于石墨烯的表面电导率具有主动可调性，可以改变其化学势能，从而在不同的频带内实现高吸收功能。
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