CN111817025B - 一种可调的石墨烯太赫兹频率选择器 - Google Patents

一种可调的石墨烯太赫兹频率选择器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种可调的石墨烯太赫兹频率选择器，包括由下向上依次层叠的截面为正方形的金层和二氧化硅层；所述二氧化硅层的表面设有石墨烯谐振结构，所述的石墨烯谐振结构包括多层层叠的方形环，方形环的每条边沿中部分别设有垂直向外的方形块。本发明对太赫兹波具有非常优越的吸收性能，可以实现对吸收峰和吸收频率的调控。

Description

一种可调的石墨烯太赫兹频率选择器
技术领域
本发明涉及微波吸收器技术领域，具体为一种可调的石墨烯太赫兹频率选择器。
背景技术
太赫兹（THz）波是位于微波和远红外线之间的电磁波，是宽带光的一种。近年来，随着超快激光技术的发展，使得太赫兹脉冲的产生有了稳定、可靠的激发光源，从此使得人们能够研究太赫兹。太赫兹波在社会高速发展的今天其优势极为显著，因此吸引了广泛的研究关注。超材料电磁吸波器，是一类能够有效吸收电磁波，并使其为后续过程所利用的元件，通过设计超材料电磁吸波器表面阵列单元结构，可达到对电磁波的精确操控。超材料电磁吸波器精密的微米级结构，使吸收器的尺寸更小，更易于集成，性能更加优越，这让它比传统吸收设备拥有更强的竞争力，其巨大的应用潜力使其受到全世界研究人员的关注。但超材料电磁吸波器通常都面临着有限的带宽或者复杂的设计和制造过程等缺陷，而且吸收频带带宽不足，吸收性能差，不利于实际的应用。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可调的石墨烯太赫兹频率选择器。本发明对太赫兹波具有非常优越的吸收性能，可以实现对吸收峰和吸收频率的调控。
本发明的技术方案：一种可调的石墨烯太赫兹频率选择器，包括由下向上依次层叠的截面为正方形的金层和二氧化硅层；所述二氧化硅层的表面设有石墨烯谐振结构，所述的石墨烯谐振结构包括多层层叠的方形环，方形环的每条边沿中部分别设有垂直向外的方形块；所述二氧化硅层的厚度为10μm，宽度2μm，介电常数为3.9，损耗正切角为0.0006；所述金层的厚度为0.1μm，宽度2μm；所述方形环的厚度为0.3nm，方形环的外边长为1.8μm，内边长为1.2μm，宽度为0.3μm；所述方形块的宽度为0.3μm。
上述的可调的石墨烯太赫兹频率选择器，所述方形环的内边沿中部分别设有波浪形的拓扑边界。
前述的可调的石墨烯太赫兹频率选择器，所述方形环的内的四角处分别设有透射孔点阵，每个角处的透射孔点阵呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵之间构成阵列栅。
与现有技术相比，本发明的石墨烯太赫兹频率选择器包括由下向上依次层叠的截面为正方形的金层和二氧化硅层，二氧化硅层上设置有石墨烯谐振结构，该石墨烯谐振结构包括多层层叠的方形环，方形环的每条边沿中部分别设有垂直向外的方形块，与其他石墨烯吸波器相比，本发明的表面石墨烯谐振结构为一个整体，更有利于通过外加电压实现统一控制，而且其中金层的厚度要远大于电磁波在金表面的趋肤深度，电磁波透过率为零，以此来将透射的部分有效的消除，而且由于传统典型的超材料吸收器多是由金属层-介质层-金属层组成，有工作频率固定的局限性，本发明可以可以在不改变结构的条件下动态调节吸收性能和工作频段。本发明可以对3.0THz的太赫兹达到99%的吸收，实现了完美吸收的效果，而且本发明可以改变石墨烯的介电常数，从而让间接影响石墨烯的吸收峰，实现对太赫兹范围内的吸收器可调。此外，方形环的内边沿中部分别设有波浪形的拓扑边界；方形环的四角处分别设有透射孔点阵，每个角处的透射孔点阵呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵之间构成阵列栅。通过上述结用使得基于太赫兹波的同相和反相的两个偏振态相互叠加得到自旋态，能诱使金层的结构中可以产生拓扑相变，从而得到具有更优的鲁棒性
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图；
图3是吸收率和频率之间的关系图；
图4是石墨烯谐振结构的费米能级调整所带来的太赫兹吸收率变化图；
图5是实施例2中的石墨烯谐振结构的结构示意图。
附图标记
1、金层；2、二氧化硅层；3、石墨烯谐振结构；4、方形环；5、方形块；6、拓扑边界；7、透射孔点阵。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1：一种可调的石墨烯太赫兹频率选择器，包括由下向上依次层叠的截面为正方形的金层1和二氧化硅层2；所述二氧化硅层2的表面设有石墨烯谐振结构3，所述的石墨烯谐振结构3包括3层层叠的石墨烯材质的方形环4，方形环4的每条边沿中部分别设有垂直向外的方形块5。所述二氧化硅层2的厚度为10μm，宽度2μm，介电常数为3.9，损耗正切角为0.0006。所述二氧化硅层2的厚度为10μm，宽度2μm，介电常数为3.9，损耗正切角为0.0006。所述金层1的厚度为0.1μm，宽度2μm。所述方形环4的厚度为0.3nm，方形环的外边长为1.8μm，内边长为1.2μm，宽度为0.3μm。所述方形块5的宽度为0.3μm。
申请人对二氧化硅层上设置石墨烯谐振结构的工艺进行了优选，具体是，对石墨烯片进行氟化处理，用臭氧气体在密封环境下催化氧化，通过原子层沉积技术在表面形成隔绝介质，将处理后的石墨烯片裁切至指定的形状，得到石墨烯谐振结构。将石墨烯谐振结构放置到二氧化硅层表面，石墨烯谐振结构的隔绝介质与二氧化硅层表面相贴合，在80%氮气和20%氧气的环境下对石墨烯谐振结构与二氧化硅层加热并退火处理，使得石墨烯谐振结构与二氧化硅层相结合。本发明通过上述工艺可以使得石墨烯谐振结构与二氧化硅层之间结合更为的紧密与稳定，减少了石墨烯谐振结构的翘曲，不仅大大降低了石墨烯谐振结构与二氧化硅层之间应力，还能保证太赫兹吸收器这类敏感器件的谐振性能。
申请人运用CST进行仿真，设定石墨烯的费米能级 =0.8eV，弛豫时间 =0.5ps，电磁波正入射时，反射曲线和吸收率曲线如图3所示，从图3中可以看出，本发明在入射波频率在3THz时形成了吸收峰，此频率下本发明的吸收器阻抗和自由空间阻抗达到理想的匹配状态，几乎全部的电磁波都能够进入吸收器内部，电磁波的反射率极低，对入射电磁波能达到99％以上的吸收效率，接近100％，达到了多带完美吸收的效果，由此可以证明本发明对太赫兹波具有非常优越的吸收性能。
由于石墨烯的介电常数主要是由弛豫时间以及费米能级来决定的，通常可以通过外加的合适的门电压的方式，改变石墨烯的介电常数，从而间接影响石墨烯吸收峰，实现在太赫兹范围内的吸收器的可调。本发明通过调整费米能级，进行测试太赫兹吸收效率的变化，得到如图4所示的不同费米能级下的吸收光谱，从图4可以看出，随着费米能级的增加，本发明的选择器的共振频率和吸收峰值都发生了改变。当石墨烯的费米能级为0.4eV时，共振频率为2.1THz,费米能级增加至0.8eV时，共振频率为3.1THz,发生了明显的蓝移。当费米能级为0.8eV时，吸收率达到最大99.5%。因此本发明可以实现对吸收峰和吸收频率的调控。
实施例2：在实施例1的基础上，如图5所示，所述方形环4的内边沿中部分别设有波浪形的拓扑边界6；所述方形环4的内的四角处分别设有透射孔点阵7，每个角处的透射孔点阵7呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵7之间构成阵列栅，通过上述结用使得基于太赫兹波的同相和反相的两个偏振态相互叠加得到自旋态.能诱使方形环4的结构中可以产生拓扑相变，从而得到具有更优的鲁棒性。申请人将实施例2中的选择器和实施例1中的选择器进行进了比对,用于测试太赫兹的吸收率,经过测试,相比实施例1中的吸收效果,实施例2中的吸收率可以再进一步的提高。
综上所述，本发明对太赫兹波具有非常优越的吸收性能，可以实现对吸收峰和吸收频率的调控。

Claims (1)

1.一种可调的石墨烯太赫兹频率选择器，其特征在于：包括由下向上依次层叠的截面为正方形的金层（1）和二氧化硅层（2）；所述二氧化硅层（2）的表面设有石墨烯谐振结构（3），所述的石墨烯谐振结构（3）包括多层层叠的方形环（4），方形环（4）的每条边沿中部分别设有垂直向外的方形块（5）；所述二氧化硅层（2）的厚度为10μm，宽度2μm，介电常数为3.9，损耗正切角为0.0006；所述金层（1）的厚度为0.1μm，宽度2μm；所述方形环（4）的厚度为0.3nm，方形环的外边长为1.8μm，内边长为1.2μm，宽度为0.3μm；所述方形块（5）宽度为0.3μm；所述方形环（4）的内边沿中部分别设有波浪形的拓扑边界（6）；所述方形环（4）的内四角处分别设有透射孔点阵（7），每个角处的透射孔点阵（7）呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵（7）之间构成阵列栅。
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