CN212323220U - 一种基于石墨烯的宽带可调吸波体 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，包括若干个结构单元，单元结构包括金属基底、介质隔离层和石墨烯层，所述金属基底的上端设置有所述介质隔离层，介质隔离层的上端设置有所述石墨烯层，在石墨烯层设置有一个正方形凹槽，所述正方形凹槽深入至介质隔离层，在所述正方形凹槽底部上端设置有正方形石墨烯片；通过控制外加电压(偏压)，调节石墨烯的费米能级，从而改变石墨烯的光学响应，进而改变吸波体的吸收率。本发明具有结构简单、吸收率高、控制原理简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的宽带可调吸波体。
背景技术
太赫兹波一般是指频率介于0.1～10THz范围内的电磁波，位于红外波和微波之间。由于太赫兹波具有许多独特性质，如瞬态性、宽带性、低能性、相干性等，使得它在基础研究领域、工业应用领域、医学领域、军事领域、生物领域以及通信领域中都具有重要的应用前景。目前，太赫兹波产生源与太赫兹波检测被公认为是制约太赫兹技术发展的两大关键问题。而太赫兹波的吸收和能量捕获是实现太赫兹检测的基础，也是太赫兹波标定、调控、转换和应用的核心问题。因此，太赫兹宽带吸波技术成为了当前太赫兹技术领域研究的热点之一。
近年来，基于超材料的太赫兹吸波体受到人们的关注，这是因为它在微型测辐射热仪、太赫兹成像、太赫兹隐身技术、太赫兹通信、食品安全等领域具有重要的应用前景。在许多应用中，往往需要的是太赫兹宽带吸波来制备传感器、调制器、微型测辐射热计和宽带抗反射膜等宽带太赫兹功能性器件。然而，传统的超材料吸波体尽管通过改变其自身结构尺寸可以有效地调节其工作性能，但是结构一旦制作完成就很难改变，这就无法满足日益增长的灵活需求。
本发明在石墨烯的基础上构建宽带可调谐超材料太赫兹吸波体。利用这种结构制备的吸波器具有宽带电可调、高吸收率、大入射角度、极化不敏感、厚度薄等特点。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种随外界电压变化可实现吸波效率改变的宽带可调吸波体。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，其特征在于，单元结构包括金属基底(1)、介质隔离层(2)和石墨烯层(3)，所述金属基底(1)的上端设置有所述介质隔离层(2)，介质隔离层(2)的上端设置有所述石墨烯层(3)，在石墨烯层设置有一个正方形凹槽(31)，所述正方形凹槽(31)的四边顶点与单元结构四边的中点相连接，所述正方形凹槽(31)深入至介质隔离层，在所述正方形凹槽(31)底部上端设置有正方形石墨烯片(32)，所述正方形石墨烯片(32)的四边顶点与正方形凹槽(31)四边中点相连接；石墨烯连接外加电场，石墨烯的光学响应由外加电压来控制。
所述若干个单元结构周期性排列。
所述若干个单元结构周期性排列，具体为：若干个单元结构的边长相等。
所述的金属基底(1)为金、银、铜或铝，厚度为0.2～500微米。
所述的介质隔离层(2)为二氧化硅，厚度为22微米。
所述的石墨烯层(3)为单层原子排列结构。
所述的金属基底(1)作为反射镜使用。
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，进而改变吸波体的吸收率，实现调幅的亚波长太赫兹吸波体。由于正方形凹槽(31)和正方形石墨烯片(32)对水平和竖直极化不敏感，本发明可以实现大角度的吸收。
与现有技术相比，本发明具有如下的效果和优点：
(1)本发明由具有连续图案的石墨烯所组成的，因此对于石墨烯费米能级的调节，只需要加载一个外界电压在石墨烯表面即可，方便实现吸收率的灵活调控。
(2)本发明结构简单紧凑，具有一般性，通过尺度变换能够用于中红外、远红外、微波或其他波段。
(3)本发明中的正方形凹槽和正方形石墨烯片对水平和竖直极化不敏感，可实现大角度吸收。
附图说明
图1：本发明实施例的单元结构示意图。
图2：本发明实施例的单元结构俯视图。
图3：本发明实施例0.6eV费米能级吸收曲线图。
图4：本发明实施例0～0.6eV不同费米能级的吸收曲线图。
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。
参照图1的宽带可调谐吸波体结构，单元结构包括金属基底(1)、介质隔离层(2)和石墨烯层(3)，所述金属基底(1)的上端设置有所述介质隔离层(2)，介质隔离层(2)的上端设置有所述石墨烯层(3)，在石墨烯层(3)设置有一个正方形凹槽(31)，所述正方形凹槽(31)四边的顶点与单元结构四边的中点相连接，所述正方形凹槽(31)深入至介质隔离层(2)，在所述正方形凹槽(31)底部上端设置有正方形石墨烯片(32)，所述正方形石墨烯片(32)四边的顶点与正方形凹槽(31)四边的中点相连接；石墨烯(3)连接外加电场，石墨烯的光学响应由外加电压来控制。金属基底(1)采用铜，厚度为tm＝200纳米，其电导率为4.56×107S/m。介质隔离层(2)采用二氧化硅，厚度为td＝22微米。单元结构边长的形貌参照图2所示，单元结构边长p＝30微米。
图3为通过有限频域差分方法计算出的不同极化波正入射时吸波体的吸收率。这里设定石墨烯的化学势为0.6eV，驰豫时间为0.1ps。可以看出本发明吸波体的结构对入射的太赫兹波具有较强吸收特性，吸收率大于90％的带宽达1.13THz，相对带宽约为61.58％，并且该吸波体对极化方式不敏感，在水平极化和垂直极化下的吸收率完全相同。
如图4所示，当维持本实施例几何参数固定时，将石墨烯的费米能级从0eV增加到0.6eV，所述宽带可调吸波体的吸收率能够在23％～100％范围内调节，且费米能级越大，所述吸波体的吸收率也越大，是一种性能良好的吸收率可调的新型宽带吸波体。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，其特征在于：包括若干个结构单元，单元结构包括金属基底(1)、介质隔离层(2)和石墨烯层(3)，所述金属基底(1)的上端设置有所述介质隔离层(2)，介质隔离层(2)的上端设置有所述石墨烯层(3)，在石墨烯层设置有一个正方形凹槽(31)，所述正方形凹槽(31)深入至介质隔离层，在所述正方形凹槽(31)底部上端设置有正方形石墨烯片(32)。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，其特征在于：所述若干个单元结构周期性排列。
3.根据权利要求2所述的一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，其特征在于：所述若干个单元结构周期性排列，具体为：若干个单元结构的边长相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，其特征在于：所述正方形凹槽(31)四边的顶点与单元结构四边的中点相连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，其特征在于：所述正方形石墨烯片(32)四边的顶点与正方形凹槽(31)四边的中点相连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，其特征在于：所述正方形凹槽(31)的厚度与所述正方形石墨烯片(32)的厚度相等。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，其特征在于：所述金属基底(1)的材料为金、银、铜或铝，厚度为0.2～500微米。
8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，其特征在于：所述介质隔离层(2)为二氧化硅，厚度为22微米。
9.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，其特征在于：所述石墨烯层(3)为单层原子排列结构。
10.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调吸波体，其特征在于：所述金属基底(1)作为反射镜使用。
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