CN212968075U - 一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器。该吸收器由多个吸收器单元构成，吸收器单元自下而上依次设置的底层金属，中间介质层和顶层花瓣形石墨烯，底层金属薄膜、中间介质层和顶层花瓣形石墨烯之间相互贴合。所述底层金属是全金属薄膜，所述顶层花瓣形石墨烯中有一个圆环形穿孔。圆环形穿孔的几何中心、花瓣形石墨烯的几何中心、中间介质层的几何中心、底层金属的几何中心在一条直线上。本发明主要通过有限频域差分方法计算模拟出太赫兹波段吸收器的吸收光谱，对吸收器结构进行优化，具有在太赫兹波段实现两个宽带的超强吸收能力，并且可以有效调谐吸收率的幅值。本发明结构简单紧凑，易于加工。

Description

一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器

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太赫兹双宽带可调吸收器。

背景技术

太赫兹是介于微波与红外线之间的电磁波，被称作是“改变未来世界的十大技术”之一，在医学成像、公共安全、宽带移动通信、雷达探测等国防和民用领域具有巨大的应用前景。目前，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之一。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，太赫兹宽带吸收技术成为了当前太赫兹技术领域研究的热点之一。

传统的宽带吸收器设计主要通过多个微结构组合成一个大的共面单层结构单元或多层金属微结构的堆栈来实现宽带吸波器，但它们还拥有着一些缺点：一、吸波器的研究主要集中在一个宽带吸收，不利于实际应用；二、器件结构单元庞大不利于器件的小型化发展；三、结构复杂或多层结构堆栈增加器件制备的难度和准确度不利于器件的实用化和商业化；四、器件一旦制作出来，其吸收性能就很难改变，无法满足应用需求。目前所设计的吸收器也很难同时满足工作频带多、频带宽、吸收率高、极化无关、大角度斜入射不敏感等特点，因此设计多频带、频带宽、极化无关、结构简单的吸收器具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，具有吸收器覆盖频带宽、极化无关且大角度入射不敏感等特点。

本发明所采用的技术方案是一种基于石墨烯的双宽带可调吸波器，该吸收器由多个吸收器单元构成，吸收器单元自下而上依次设置的底层金属(1)，中间介质层(2)和顶层花瓣形石墨烯(3)，底层金属(1)、中间介质层(2)和顶层花瓣形石墨烯(3)之间相互贴合。所述底层金属(1)是全金属薄膜，顶层花瓣形石墨烯结构(3)中有一个圆环形穿孔(4)。圆环形穿孔(4)的几何中心、花瓣形石墨烯(3)的几何中心、中间介质层(2)的几何中心、底层金属(1)的几何中心在一条直线上。

本发明的特点在于：

所述每个吸收器单元的横剖面都为正方形，其边长p为28微米。

所述花瓣形包括一个正方形和四个直径与该正方形边长相等的半圆，且四个半圆的直径侧与正方形的四边重合。

所述圆环形穿孔(4)的内半径r₂为3微米，外半径r₃为5微米。

所述底层金属(1)是金、银、铜或铝，其厚度t_m为0.5微米。

所述中间介质层(2)是二氧化硅，其厚度t_d为30微米。

所述花瓣形石墨烯(3)采用氧化石墨还原法来制作，花瓣形石墨烯(3)中圆环形穿孔(4)通过激光刻蚀来制作。

所述花瓣形石墨烯(3)为单层原子排列结构。

所述底层金属(1)作为反射镜使用。

本发明的有益效果是：

(1)本发明一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，实现了两个宽频带的超强吸收，解决了现有技术中吸波器工作频带窄的问题；

(2)本发明一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，弥补了现有技术中吸收器设计结构复杂的缺陷；

(3)本发明一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器与极化无关，并且在大角度斜入射时仍然有较高的吸收率，在实际问题中斜入射比正入射的情况更具有普遍性，因此该吸收器的适用范围广，可应用于太赫兹探测、太赫兹成像、太赫兹隐身等领域。

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：本发明实施例不同极化波正入射时吸收器的吸收率曲线图。

图4：本发明实施例0～0.8eV不同费米能级的吸收曲线图.

图5：本发明实施例水平极化波斜入射时吸收器的吸收率曲线图。

图6：本发明实施例垂直极化波斜入射时吸收器的吸收率曲线图。

图中，1.底层金属薄膜，2.中间介质层，3.顶层花瓣形石墨烯，4.圆环形穿孔。

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，一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，该吸收器由多个吸收器单元构成，吸收器单元自下而上依次设置的底层金属(1)，中间介质层(2)和顶层花瓣形石墨烯(3)，底层金属(1)、中间介质层(2)和顶层花瓣形石墨烯(3)之间相互贴合。所述底层金属(1)是全金属薄膜，顶层花瓣形石墨烯结构(3)中有一个圆环形穿孔(4)。圆环形穿孔(4)的几何中心、花瓣形石墨烯(3)的几何中心、中间介质层(2)的几何中心、底层金属(1)的几何中心在一条直线上。

当多个吸波单元沿平面连续设置时，底层金属(1)和中间介质层(2)均连为一体。

所示中间介质层(2)为无损耗二氧化硅，相对介电常数为3.9。

作为实施例，每个吸收单元的三层结构各尺寸参数如下：单元结构的边长p＝28微米，底层金属铜的厚度t_m＝0.5微米，中间介质层二氧化硅的厚度t_d＝30微米，花瓣中心正方形的边长a＝14微米，半圆半径r₁恰好为正方形边长的一半，即r₁＝7微米，圆环形穿孔的内半径r₂＝3微米，外半径r₃＝5微米。

本实施例所述的一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调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。本发明设计的吸收单元的底层金属为全金属薄膜，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。

图3为通过仿真计算出的不同极化波正入射时吸收器的吸收率曲线图。这里设定石墨烯的化学势为0.8eV，驰豫时间为0.25ps。可以看出本发明的吸收器结构对入射的太赫兹波具有较强吸收特性，在频率范围0.92～1.80THz和3.44～4.33THz内皆可实现吸收率不小于90％，并且该吸波器对极化方式不敏感，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0.8eV，所述吸收器的吸收率能够在6％～100％范围内调节，且费米能级越大，所述吸波器的吸收率也越大，是一种性能良好的吸收率可调的新型双宽带吸收器。

图5和图6分别为水平极化波和垂直极化波斜入射时吸收器的吸收率曲线图，该吸收器在入射角为40°时依然可以在频率范围0.93～1.84THz和3.5～4.37THz内皆可实现吸收率不小于80％。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例仅是用于举例和说明，而非意在将本发明局限于所描述的实施例范围内。此外本领域的技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，其特征在于：该吸收器由多个吸收器单元构成，吸收器单元自下而上依次设置的底层金属(1)，中间介质层(2)和顶层花瓣形石墨烯(3)，底层金属(1)、中间介质层(2)和顶层花瓣形石墨烯(3)之间相互贴合，所述底层金属(1)是全金属薄膜，所述顶层花瓣形石墨烯(3)中有一个圆环形穿孔(4)，圆环形穿孔(4)的几何中心、花瓣形石墨烯(3)的几何中心、中间介质层(2)的几何中心、底层金属(1)的几何中心在一条直线上。

2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，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28微米。

3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，其特征在于：所述花瓣形包括一个正方形和四个直径与该正方形边长相等的半圆，且四个半圆的直径侧与正方形的四边重合。

4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，其特征在于：所述圆环形穿孔(4)的内半径r₂为3微米，外半径r₃为5微米。

5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，其特征在于：所述底层金属(1)是金、银、铜或铝，其厚度t_m为0.5微米。

6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，其特征在于：所述中间介质层(2)是二氧化硅，其厚度t_d为30微米。

7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，其特征在于：所述花瓣形石墨烯(3)采用氧化石墨还原法来制作，花瓣形石墨烯(3)中圆环形穿孔(4)通过激光刻蚀来制作。

8.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，其特征在于：所述花瓣形石墨烯(3)为单层原子排列结构。

9.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的太赫兹双宽带可调吸收器，其特征在于：所述底层金属(1)作为反射镜使用。

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