CN216928948U - 基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器。该吸收器基于超材料设计而成，超材料自下而上依次由金属层，中间介质层和顶层工字型镂空石墨烯图案按照固定的单元周期设计而成，所述结构上层工字型镂空石墨烯图案在x,y方向呈周期排列，底层金属薄膜、中间介质层和顶层工字型镂空石墨烯之间相互贴合。本发明主要通过时域有限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，在2.4THz‑4.3THz波段实现了一个宽带吸收效果，吸收率在95%以上，吸收带宽为1.9Thz；本发明作为吸收器有其灵活可调谐的优势，通过对石墨烯外加电压可有效调谐吸收率的幅值以及吸收宽度。另外，本发明结构简单，可用常规的方法进行制作，避免了工艺复杂，几何尺寸大等缺点。

Description

基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器

技术领域

本发明属于太赫兹波应用技术领域。具体是基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器。

背景技术

石墨烯是一种以蜂窝晶格排列的单层碳原子，由于其卓越的机械性能、高载流子迁移率、柔韧性和支持局部表面等离子体共振的能力，是设计吸收体的理想候选者。此外，与传统的贵金属表面等离子体激元相比，石墨烯表面等离子体激元可以极大地增强光与石墨烯之间的相互作用。 此外，石墨烯的表面电导率可以通过静电掺杂调节化学势来连续调节。 因此，基于石墨烯表面等离子体激元的结构具有可调谐、极强约束、低损耗和通过化学掺杂或偏置电压而可调的电导率等优势。

吸收器是指能够吸收入射电磁波的器件，但由天然材料形成的传统吸收器需要结构的尺寸与入射波的波长成正比，这将导致所设计的器件有厚度大的缺陷，限制了小型化的进展。但对于石墨烯而言，其波长远远小于相同频率电磁波在自由空间的波长，利用这一特点，可设计一些亚波长结构，将石墨烯加工成太赫兹波段的超材料以便实现器件的小型化、集成化。基于这些优点，许多基于石墨烯超材料完美吸收器已被广泛研究并成功应用，如化学和生物医学传感器、光探测器、成像和太阳能电池等。

基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，其表现形式实质上是工字型镂空石墨烯单元结构周期排列放置于由介质层聚酰亚胺和金属反射板组合的衬底上。本设计主要通过改变工字型镂空图案的相关参数，进一部研究一级实现太赫兹宽带可调吸收器的设计和研究。

根据调研，目前所研究的传统的宽带吸收器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收器，这将导致器件结构单元庞大不利于器件的小型化发展。另外，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。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。因此，设计小型化、宽带、吸收明显、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工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，解决的技术问题是现有太赫兹吸波器无法获得高的超宽带的吸收器，且存在在动态调节功能上存在缺陷，为了解决该问题，本发明提供基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，其带宽上可以实现超宽带可调又在功能上实现了动态可调，从而达到宽带可调谐太赫兹吸收的目的。同时，该耦合器件尺寸小厚度薄，结构简单易于集成与制作。

本发明所采用的技术方案是：基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，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，中间电介质层和上层工字型镂空石墨烯。底层金属、中间电介质层和上层工字型镂空石墨烯之间相互贴合。所述底层金属是全金属薄膜，上层工字型镂空石墨烯结构在同一水平位置。

本发明的特点为：

每个单元结构在同一水平位置，形成工字形镂空石墨烯图案，所有的镂空石墨烯图案相同。

本发明中所述间电介质层的材料为聚酰亚胺，所述介质层的厚度h=15μm。

本发明中所述下层为金属层，其厚度为0.2μm。

本发明中所述每个单元结构的周期是 20*20μm。

本发明中所述石墨烯的费米能级为1.2eV。

本发明中所述工字形镂空石墨烯为单层原子排列结构。

本发明中所述底层金属是反射太赫兹波并阻止穿透。

本发明中所述吸收器的吸收结果在2.4THz-4.3THz（吸收带宽1.9THz）吸收率都有大于95%的宽带吸收特性

本发明的有益效果是：

(1)基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，利用石墨烯的半金属性质，通过对石墨烯外加电压，改变其费米能级，从而达到有效的调控吸收器的频率和幅度。

(2)基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，实现了在太赫兹波段的宽带吸收，且吸收接近完美吸收，解决了现有技术中吸波器应用范围小的问题，应用场景广泛。

基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，弥补了现有技术中吸收器设计结构复杂的缺陷。选用石墨烯超材料，其制备技术成熟，更容易制造。

附图说明

图1：本发明的单元结构示意图。

图2：本发明的单元结构俯视图。

图3：本发明吸收器的吸收率曲线图。

图4：本发明石墨烯在不同费米能级下的吸收曲线图。

图5：本发明吸收器在不同开口距离的吸收率曲线图。

具体实施方式

(1)下面结合附图和实施例进一步阐释说明。

(2)如图 1、2 所示，本发明是一种基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，所述的吸收器为周期结构，每个基本单元结构相同且在 xy 平面上沿着同一方向排列，其中上层为工字型镂空石墨烯层，中间层为聚酰亚胺层，底层为金属层。

(3)所述上层工字型镂空石墨烯层对应序号1，中间介质层为聚酰亚胺层对应序号2，底层金属对应序号3。

(4)太赫兹平面波光源垂直照射在工字型镂空石墨烯层上，实现了宽带吸收，通过改变侧端栅电压通电情况，改变石墨烯的费米能级，通过这种方法实现基于石墨烯宽带吸收器的吸收水平的动态调节。

(5)在实施本例中，上层工字型镂空石墨烯层图案中间间隙宽为2μm-10μm，上下宽为2μm-6μm。中间电介质层的材料为聚酰亚胺，其厚度h=10~25μm。所述下层为金属层，其厚度为0.2μm。每个单元结构的周期是 20*20μm。另外，石墨烯的费米能级变化为0.1eV～1.5eV。

(6)本发明的工作原理如下：将一束平面波垂直入射到设计的超表面上，由于超材料的不同结构，在工字型镂空石墨烯层的空隙处激发了局域表面等离子体共振，形成一个近乎完美的宽带吸收。同时由于工字型镂空石墨烯层之间间隙的相互作用，使吸收增强。另外，采用时域有限差分法，在FDTD solution软件中建立三维模型，并使用沿z轴垂直入射的太赫兹平面波。在x和y方向上采用周期性边界条件，在z方向上采用金属边界条件。在计算中，可以使用合适的非均匀网格来满足良好收敛结果的条件。

(7)本实施例所述的一种基于工字型镂空石墨烯超材料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。

(8)图3为通过仿真计算出吸收器的吸收率曲线图。这里设定石墨烯的化学势为1.2eV，驰豫时间为1ps。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2.4-4.3THz内实现吸收率近乎完美吸收。

(9)图4为本发明几何参数固定时，将石墨烯的费米能级从0.1eV增加到1.5eV，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宽带吸收器。

(10)图5为吸收器在工字型镂空中间部分部分宽度吸收率曲线图，该吸收器在中间宽度变化时依然可以在频率范围2.4-4.3THz（吸收带宽1.9THz）内可实现吸收率不大于95％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。对于本技术领域的普通技术人员来说，在本发明的基础上所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，由周期结构组成，其特征在于包括若干在平面上沿同一个方向周期排列的基本单元；每个基本单元包括三层：上层为按照固定周期排列的工字型镂空石墨烯层，中间为全电介质聚酰亚胺层，下层为金属层。

2.如权利要求1所述的基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，其特征在于所述的每个基本单元对应的同一水平位置工字型镂空石墨烯图案结构相同；石墨烯为一层平铺于超材料结构顶层的二位材料，按照单元周期大小对石墨烯进行工字形镂空。

3.如权利要求1所述的基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，其特征在于中间电介质层的材料为聚酰亚胺，所述介质层的厚度h=15μm。

4.如权利要求1所述的基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，其特征在于所述下层为金属层，其厚度为0.2μm。

5.如权利要求1所述的基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，其特征在于，每个单元结构的周期是 20*20μm。

6.如权利要求1所述的基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，其特征在于，所述石墨烯的费米能级1.2eV。

7.根据权利要求1所述的基于工字型镂空石墨烯的宽带可调吸收器，其特征在于：所述工字型镂空石墨烯为单层原子排列结构。

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