CN110658571A - 一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器 - Google Patents

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张进峰
刘丹
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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，以金属作为反射基底，结构向上依次为绝缘介质层、石墨烯层，所述的石墨烯层由周期性单层石墨烯方形片结构组成。因石墨烯在红外、太赫兹波段表现出很强的金属性，直接将石墨烯结构作为共振结构单元，石墨烯结构的局域表面等离子体共振与表面等离子体共振相结合实现了单层结构的宽带吸波器，使得结构的加工工艺大为简化。且由于石墨烯独特的电学特性，通过外加偏压的改变可以改变其化学势及表面电导率，从而大范围调节入射太赫兹波的宽带强吸收。本发明结构简单，吸收效率高，可在太赫兹成像、光谱、隐身等多个领域有重要应用前景。

Description

一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器
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宽带可调太赫兹吸波器。该吸波器结构能实现宽带吸波、大范围调节宽带太赫兹波的吸收率、大角度宽带吸波以及极化不明感的特性，可用于太赫兹波段的太赫兹探测，太赫兹成像、太赫兹隐身等方面。
背景技术
太赫兹(Terahertz)波一般是指频率介于0.1～10THz范围内的电磁波，处于红外波段和微波波段之间，处于电子学与光子学研究的交叉领域。太赫兹波具有宽带性、低能性、相干性等独特性质，使得它在医学成像、传感检测、安全检查、雷达、通信等领域具有巨大应用前景。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。超材料是一种由亚波长微结构单元按照一定规律排列所构成的人工材料，其优点在于可以通过调节微结构单元的几何形状、尺寸和分布形式来任意控制材料的电磁属性，从而获得多种新奇的特性。近年来，基于金属超材料/介质/金属膜三明治结构的吸波器得到了国内外学者的高度关注。通过调节超材料吸波器件的结构参数可以实现宽带吸波，但其顶层超材料结构一旦确定，其吸波特性便不具有可调性，这就在很大程度上限制了其实际应用。
石墨烯是由单层六边形原胞碳原子组成的蜂窝状二维碳纳米材料，具有高导电性、高电子迁移率、光学透明性以及可调谐介电特性。鉴于石墨烯的优良特性，应用具有特定周期性形状结构的石墨烯材料替代顶层金属层，则可以设计出吸波性能可调的新型吸波器。例如，2018年Chen等人(Jiajia Chen，Yu Zeng，Xibin Xu，Xifang Chen，Zigang Zhou，Pengcheng Shi，Zao Yi，Xin Ye，Shuyuan Xiao，and Yougen Yi.“Plasmonic absorptionenhancement in elliptical graphene arrays.”Nanomaterials 8，175，2018)发表在Nanomaterials上的论文表明，采用单层石墨烯周期性纳米椭圆形状结构能够实现红外和太赫兹波段的窄带强吸收，且其吸收峰的位置可通过石墨烯的材料参数来调节。然而，目前多数基于石墨烯的吸波器采用周期性独立圆盘、十字形、条带状或其他形状的石墨烯阵列，造成完美吸收入射电磁波的带宽较窄，极大限制了它们在太赫兹领域的实际应用，因此寻求结构简单、特性可调，易于调控的新型太赫兹宽带吸波器受到广泛的兴趣。
发明内容
本发明的目的在于为了实现对宽带太赫兹波的可调吸收，提供一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器。
为实现上述目的，本发明的技术解决方式如下：
一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特点在于：以金属作为反射基底，结构向上依次为绝缘介质层、石墨烯层，所述的石墨烯层由周期性单层石墨烯方形片结构组成。
所述的绝缘介质层为SiO2或其它在太赫兹波段损耗角正切小于0.1的介质材料。
所述的绝缘介质层的厚度t为16～25微米。
所述的石墨烯方形片的宽度w为20～30微米。
所述的石墨烯方形片结构单元的晶格周期p为30～45微米。
所述的石墨烯为单层原子排列结构。
所述的金属基底由高电导率的金属材料制成，金属基底的厚度为0.1～500微米。
所述的金属基底为金、铜、银或铝。
本发明的工作原理为：
本发明为一种周期性方形石墨烯层/介质层/金属层三明治结构器件，能够抑制透射和反射通道，其方形石墨烯结构与入射的太赫兹波发生相互作用，可以同时激发石墨烯的表面等离子体激元谐振和局域表面等离子体激元谐振，从而实现对太赫兹波宽带吸收；利用石墨烯的电可调性，改变石墨烯的表面等离子体激元和局域表面等离子体激元的束缚性能，从而实现对入射宽带太赫兹波吸收率的调谐。
本发明的有益效果是：
(1)本发明具有周期性的方形石墨烯层结构，能够实现对太赫兹波的宽带强吸收，合理设置参数，本发明对太赫兹波的吸收率大于90％的相对宽度可达70％以上。
(2)本发明利用石墨烯的电可调性，能够在大范围内调节入射宽带太赫兹波的吸收率。
(3)本发明结构简单，具有一般性，通过尺度变换能够用于中红外、远红外、微波或其他波段的电磁波的吸收。
(4)本发明具有周期性的方形石墨烯层结构，结构简单，紧凑，完美对称，易于实现，还可以使吸波器具有极化不敏感特性。
附图说明
图1：本发明实施例的结构示意图。
图2：本发明实施例的单元结构示意图。
图3：本发明实施例0.9eV化学势吸收曲线图。
图4：本发明实施例0～1eV不同化学势吸收曲线图。
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。
请参阅图1，图1为该吸波器的单元结构示意图，如图所示，一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，以金属1作为反射基底，结构向上依次为绝缘介质层2、石墨烯层3，所述的石墨烯层由周期性单层石墨烯方形片结构组成。采用高电导率的金作为结构基底实现完全反射式结构，金的厚度大于100纳米(大于趋肤深度)，在太赫兹波段金膜反射损耗很小，仿真中可以视为完美电导体(PEC)。图2为顶层石墨烯层俯视图。顶层石墨烯层为周期性方形片石墨烯结构，方形片石墨烯的宽度w＝24微米，周期p＝36微米。本实施例中绝缘介质层采用二氧化硅，厚度t＝20微米，介电常数设置为3.9，太赫兹波段二氧化硅损耗很小，仿真中可视为无损介质，介电常数虚部可设为零。
该吸波器结构的工作原理可通过如下内容解释：本发明中采用大于趋肤深度的金作为基底，使得入射光不能透过只能被反射回去，因此吸收率计算公式为A(ω)＝1-R(ω)。由于石墨烯的金属性，与电磁波作用能与金属一样产生表面等离子体局域表面等离子体，顶层石墨烯结构与入射电磁波发生作用，产生电共振；石墨烯层与底层金属间距离足够近(仅20微米)，石墨烯层与底层金属间可以产生很强的耦合，形成反向平行的电流产生磁共振。调节结构的尺寸参数，当电、磁共振使得介电常数与磁导率相等时，结构的阻抗与自由空间中的阻抗相匹配，就可以使得反射率为零。此时结构中引入适量损耗，使得结构的辐射损耗与本征吸收速率相等时，就能实现最大限度的电磁波吸收。
图3为通过有限元仿真计算出的垂直入射下结构的吸收光谱图。这里设定石墨烯的化学势为0.9eV。可以看出本发明的吸波器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1.4THz，相对带宽越为73％。
通过改变加载在石墨烯层上的偏置电压可以改变石墨烯的化学势，进而能够实现吸收率的调节，如图4所示，当保持本实施结构几何参数及其它条件固定不变时，仅通过外加偏压变化改变石墨烯的化学势从0V增大到0.9eV，所述太赫兹宽带可调吸波器的吸收率能够在14％～100％范围内调节，且化学势越大，所述吸波器的吸收率越大，是一种良好的吸收率可调的新型太赫兹宽带吸波器。
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 (8)

1.一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：以金属作为反射基底，结构向上依次为绝缘介质层、石墨烯层，所述的石墨烯层由周期性单层石墨烯方形片结构组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述的绝缘介质层为SiO2或其它在太赫兹波段损耗角正切小于0.1的介质材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述的绝缘介质层的厚度t为16～25微米。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述的石墨烯方形片的宽度w为20～30微米。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述的石墨烯方形片结构单元的晶格周期p为30～45微米。
6.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述的石墨烯为单层原子排列结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述的金属基底由高电导率的金属材料制成，金属基底的厚度为0.1～500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太赫兹吸波器，其特征在于：所述的金属基底为金、铜、银或铝。
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