CN111883936A - 基于超构材料的太赫兹电磁吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，包括以水平方向截面为正方形的介质层，所述介质层的底面设有吸收底层；所述介质层的表面设有材质为氧化铟锡的贴片层；所述的贴片层包括设置在位于介质层表面中心位置的正方形贴片，正方形贴片的外侧设有与正方形贴片同中心的环形贴片，环形贴片的外侧设有与环形贴片同中心的且呈正方形的框型贴片。本发明对太赫兹波具有非常优越的吸收性能，具有吸收频带宽的特点。

Description

基于超构材料的太赫兹电磁吸收器

技术领域

本发明涉及微波吸收器技术领域，具体为一种基于超构材料的太赫兹电磁吸收器。

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。基于超构材料的太赫兹电磁吸即是超材料电磁吸波器，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，提供一种基于超构材料的太赫兹电磁吸收器。本发明对太赫兹波具有非常优越的吸收性能，具有吸收频带宽的特点。

本发明的技术方案：基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，包括以水平方向截面为正方形的介质层，所述介质层的底面设有吸收底层；所述介质层的表面设有材质为氧化铟锡的贴片层；所述的贴片层包括设置在位于介质层表面中心位置的正方形贴片，正方形贴片的外侧设有与正方形贴片同中心的环形贴片，环形贴片的外侧设有与环形贴片同中心的且呈正方形的框型贴片；所述介质层的长度为500μm,厚度为80μm；所述吸收底层的长度为500μm，厚度为0.2μm；所述贴片层的厚度为0.2μm；所述正方形贴片的长度为200μm；所述环形贴片的外半径为175μm，内半径为150μm；所述框型贴片的外边框长为450μm，内边框长为400μm。

上述的基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，所述介质层的材质为玻璃材料，介质层的介电常数为4.41；介质层的损耗正切角为0.0004。

前述的基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，所述介质层上设有框形贴片槽、环形贴片槽和方形贴片槽；所述框形贴片槽和环形贴片槽之间的介质层表面设有石墨烯层，所述石墨烯层的四条边沿中部分别设有波浪形的拓扑边界；所述框形贴片的四条边的内侧设有与拓扑边界相配合的共振边界。

前述的基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，所述石墨烯层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，本发明通过设置一层介质层，介质层的底面设置吸收底层；介质层的表面设置材质为氧化铟锡的贴片层；其中贴片层包括设置在位于介质层表面的正方形贴片、环形贴片和框型贴片，以此构成本发明的整体结构，本发明采用氧化铟锡材料得到三层“方-圆-方”的贴片层结构，正方形贴片、环形贴片和框型贴片都能够实现对相应频率太赫兹波的单频吸收，由于三个贴片结构的叠加，从而具有非常优越的吸收性能，而且由于增加了吸收峰的增加，相应的也提高了吸收频带；本发明优化了结构参数，使得本发明对入射波频率在0.273THz、0.385THz以及0.494THz时的太赫兹形成了吸收峰，吸收率达到99％，接近100％，吸收效果大大的提高，达到了多带完美吸收的效果；进一步地，本发明通过在介质层上设置框形贴片槽、环形贴片槽和方形贴片槽，然后将框形贴片槽和环形贴片槽之间的介质层铺设一层石墨烯层，该石墨烯层的四条边沿中部设置有波浪形的拓扑边界；该拓扑边界可以在太赫兹的频率范围内，以有限尺寸***能带会出现无带隙边界态，这种无带隙边界态使得介质层表面若有杂质或者结构缺陷的干扰之下，使得该太赫吸收器还可以保持优良传输性能,既具有良好的鲁棒性，而且将框形的四条边的内侧设置成与拓扑边界相配合的共振边界，该共振边界一方面可以和拓扑边界相互配合使得框形贴片贴合容易方便，另一方面可以使得入射太赫兹在形成共振，使得太赫兹吸收其表面会形成一种趋肤效应，让电磁波能更多地攒头材料，极大的增强透射效率，从而提高太赫兹吸收器的增益。再进一步地，石墨烯层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.能诱使石墨烯层的结构中可以产生拓扑相变，结合拓扑边界从而得到具更优效果的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的主视结构示意图；

图3是ITO薄膜可见光透过率随薄膜厚度变化的曲线图；

图4是大周期平面吸波阵列图；

图5是吸收率和频率之间的关系图；

图6是结构吸收率、反射率随入射波波长的变化图；

图7是随框型贴片的外边框参数变化的入射光吸收率曲线图；

图8是随框型贴片的内边框参数变化的入射光吸收率曲线图；

图9是随正方形贴片的边长参数变化的入射光吸收率曲线图；

图10是随吸收底层和贴片层厚度参数变化的入射光吸收率曲线图；

图11是随介质层的厚度参数变化的入射光吸收率曲线图；

图12是实施例2中的介质层的结构示意图；

图13是实施例3中的框型贴片的结构示意图。

附图标记

1、介质层；2、吸收底层；3、贴片层；4、正方形贴片；5、环形贴片；6、框型贴片；7、框形贴片槽；8、环形贴片槽；9、石墨烯层；10、拓扑边界；11、共振边界；12、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：基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，如图1-2所示，包括以水平方向截面为正方形的介质层1，所述介质层1的材质为玻璃材料，介质层1的介电常数为4.41；介质层1的损耗正切角为0.0004；所述介质层1的长度为500μm,厚度为80μm；所述介质层1的底面设有吸收底层2；所述吸收底层2的长度为500μm，厚度为0.2μm，材质为氧化铟锡；所述介质层1的表面设有材质为氧化铟锡的贴片层3；氧化铟锡即ITO(Indium Tin Oxide)，是一种n型半导体镀膜加工的材料该材料，具有良好的导电性，在可见光波段(380-780nm)内表现为透明材料，在可见光频段内其对光的透射率高达90％，对红外光产生强反射，对紫外线产生强烈吸收，被广泛的运用在触摸屏、平面液晶显示、太阳能电池以及电磁辐射防护等方面；所述贴片层3的厚度为0.2μm；所述的贴片层3包括设置在位于介质层1表面中心位置的正方形贴片4，所述正方形贴片4的长度为200μm，正方形贴片4的外侧设有与正方形贴片4同中心的环形贴片5，所述环形贴片5的外半径为175μm，内半径为150μm。，环形贴片5的外侧设有与环形贴片5同中心的且呈正方形的框型贴片6，所述框型贴片6的外边框长为450μm，内边框长为400μm。

申请人对介质层上设置贴片层的工艺进行了优选，具体是，对氧化铟锡进行氟化处理，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，将处理后的氧化铟锡裁切至指定的形状，得到贴片层。将贴片层放置到介质层表面，贴片层的隔绝介质与介质层表面相贴合，在80％氮气和20％氧气的环境下对贴片层与介质层加热并退火处理，使得贴片层与介质层相结合。本发明通过上述工艺可以使得贴片层与介质层之间结合更为的紧密与稳定，减少了贴片层的翘曲，不仅大大降低了贴片层与介质层之间贴片应力，还能保证太赫兹吸收器这类敏感器件的谐振性能。

本发明所运用的理论为阻抗匹配理论，当一束光入射到电磁超材料表面，一部分光会在接触面发生反射，另一部分光会在接触面产生透射，还有一部分光会被材料吸收，材料的吸收率计算如下：

A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)

其中，ω表示入射电磁波的角频率,A(ω)表示吸收率，R(ω)表示反射率，T(ω)表示透射率。由上式可知，电磁波的反射率和透射率越高，吸收率就越小，因此想要获得高吸收率，就要使得材料的透射率和反射率尽可能地小，因此设计超构材料电磁吸波器时，必须充分的考虑材料与自由空间的的匹配程度，往往完美的吸收器都有着最佳的阻抗匹配。当材料与空间发生阻抗匹配后，可以使吸收材料对相应频率的光的反射率大大减小，从而让所需频率的电磁波更多地进入超构材料的内部，产生更高的吸收率。超表面的反射系数可表示为：

其中，Z_i表示吸波材料的表面阻抗，Z₀表示外部自由空间的波阻抗，μ_i和μ₀分别表示为吸波材料的磁导率和自由空间的磁导率，ε_i和ε₀分别表示为吸波材料的介电常数和自由空间的介电常数；

由上式可知，要使电磁波完全入射到超材料的内部并被吸收，就要使表面阻抗与波阻抗相同，此时电磁波的反射会大大减小，甚至不反射，从而使吸收器达到更好的吸收效果。

申请人通过对ITO(Indium Tin Oxide)的性能进行研究，利用ITO薄膜对可见过光段的电磁波吸收率得到如图3所示的ITO薄膜可见光透过率随薄膜厚度变化的曲线图。从图3中可知ITO薄膜的表面电阻以及电阻率会随ITO薄膜厚度的变化而发生变化，当ITO薄膜的厚度开始增加时，ITO薄膜的表面电阻值迅速降低，当ITO薄膜厚度进一步增加时，ITO薄膜的表面电阻值降低速度会减小，并逐渐趋于某个常数，最终ITO薄膜的表面阻抗值趋于0.9Ω。但是在实际运用过程中，一味的增加ITO薄膜的厚度是不可取的，因为ITO薄膜的厚度增加的过程中，会导致ITO薄膜内部晶粒增长不均匀，最终导致ITO薄膜的质量不符合生产与后续运用的要求。此外，ITO薄膜厚度增加，会削弱ITO薄膜对可见光段的电磁波的透过率，导致ITO薄膜透明度下降，最终导致整体材料的透明度下降，甚至导致吸收效果下降。因此，选择合适的ITO薄膜的厚度，在研发以及生产过程中都极为重要，选择了合适的ITO薄膜厚度，可以尽最大可能的提高ITO薄膜对相应波段的电磁波吸收率，增加整体材料结构的透明度，加强电磁吸波器单元结构对相应波段电磁波的吸收性能，提高后续过程中对电磁波的利用率。

根据上述理论，申请人采用CST仿真软件，对本发明的太赫兹吸波器周期结构进行仿真建模，将ITO的表面阻抗设置为8ohm/square，然后设置边界条件，在Boundaries中将x、y方向的单元空间分布设置为Unit cell，z方向空间分布设置为open space，并用这个结构模拟如图4所示的无限大周期平面吸波阵列，同时设置电磁波传播方向垂直xoy平面，沿着z负轴方向传播。运用CST进行仿真后得到如图5所示的吸收率和频率之间的关系和如图6所示的结构吸收率、反射率随入射波波长的变化，从图5和图6中可以看出，本发明在入射波频率为0.273THz、0.385THz以及0.494THz时都形成了吸收峰，在这些吸收峰附近该单元结构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，说明当入射电磁波的频率在这几种情况下时，入射波在底部ITO结构内的趋肤深度小于底部薄膜厚度，并且该入射波在吸波器表面反射率几乎为0。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，具有吸收频带宽的特点。

此外，申请人通过修改本发明的结构参数对不同频率的入射光的吸收率进行测定，通过控制变量的方法，修改单一参数，得到图7所示随框型贴片的外边框参数变化的入射光吸收率(为了方便仪器运行，图中参数数值显示的是外边框边长的一半)，如图8所示的随框型贴片的内边框参数变化的入射光吸收率(为了方便仪器运行，图中参数数值显示的是内边框的一半)，如图9所示的随正方形贴片的边长参数变化的入射光吸收率(为了方便仪器运行，图中数值显示的是正方形贴片边长的一半)，如图10所示的随吸收底层和贴片层厚度参数变化的入射光吸收率，如图11所示的随介质层的厚度参数变化的入射光吸收率，从图7-图11中可以看出，本实施例中各个参数均是各组分中的最优选参数，将每个最优选参数组合后得到本发明的最优选组合，达到了吸收效率最好，透明度也较高，表面电阻较低的效果。

实施例2：在实施例1的基础上，如图12和图13所示，申请人在所述介质层1上设有框形贴片槽7、环形贴片槽8和方形贴片槽9；所述框形贴片槽7和环形贴片槽8之间的介质层表面设有石墨烯层9，所述石墨烯层9的四条边沿中部分别设有波浪形的拓扑边界10；所述框形贴片6的四条边的内侧设有与拓扑边界10相配合的共振边界11；所述石墨烯层9的四角处分别设有透射孔点阵12，每个角处的透射孔点阵12呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵12之间构成阵列栅13。本发明通过在介质层上设置框形贴片槽、环形贴片槽和方形贴片槽，然后将框形贴片槽和环形贴片槽之间的介质层铺设一层石墨烯层，该石墨烯层的四条边沿中部设置有波浪形的拓扑边界；经过试验发现，该拓扑边界可以在太赫兹的频率范围内，以有限尺寸***能带会出现无带隙边界态，这种无带隙边界态使得介质层表面若有杂质或者结构缺陷的干扰之下，使得该太赫吸收器还可以保持优良传输性能,既具有良好的鲁棒性，而且将框形的四条边的内侧设置成与拓扑边界相配合的共振边界，该共振边界一方面可以和拓扑边界相互配合使得框形贴片贴合容易方便，另一方面可以使得入射太赫兹在形成共振，使得太赫兹吸收其表面会形成一种趋肤效应，让电磁波能更多地攒头材料，极大的增强透射效率，从而提高太赫兹吸收器的增益。再进一步地，石墨烯层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.能诱使石墨烯层的结构中可以产生拓扑相变，结合拓扑边界从而得到具更优的鲁棒性。将实施例2中的太赫兹吸收器和实施例1中的太赫兹吸收进行进了比对,用于测试太赫兹吸收器的吸收率,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，本发明采用氧化铟锡材料得到三层“方-圆-方”的贴片层结构，正方形贴片、环形贴片和框型贴片都能够实现对相应频率太赫兹波的单频吸收，由于三个贴片结构的叠加，从而具有非常优越的吸收性能，而且由于增加了吸收峰的增加，相应的也提高了吸收频带；而且制造加工方便，适用于太阳能光伏领域、安保成像、无线通信、医学检测等领域。

Claims (4)

1.基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，包括以水平方向截面为正方形的介质层(1)，其特征在于：所述介质层(1)的底面设有吸收底层(2)；所述介质层(1)的表面设有材质为氧化铟锡的贴片层(3)；所述的贴片层(3)包括设置在位于介质层表面中心位置的正方形贴片(4)，正方形贴片(4)的外侧设有与正方形贴片(4)同中心的环形贴片(5)，环形贴片(5)的外侧设有与环形贴片(5)同中心的且呈正方形的框型贴片(6)；所述介质层(1)的长度为500μm,厚度为80μm；所述吸收底层(2)的长度为500μm，厚度为0.2μm；所述贴片层(3)的厚度为0.2μm；所述正方形贴片(4)的长度为200μm；所述环形贴片(5)的外半径为175μm，内半径为150μm；所述框型贴片(6)的外边框长为450μm，内边框长为400μm。

2.根据权利要求1所述的基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述介质层(1)的材质为玻璃材料，介质层(1)的介电常数为4.41；介质层(1)的损耗正切角为0.0004。

3.根据权利要求1所述的基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述介质层(1)上设有框形贴片槽(7)、环形贴片槽(8)和方形贴片槽(9)；所述框形贴片槽(7)和环形贴片槽(8)之间的介质层表面设有石墨烯层(9)，所述石墨烯层(9)的四条边沿中部分别设有波浪形的拓扑边界(10)；所述框形贴片(6)的四条边的内侧设有与拓扑边界(10)相配合的共振边界(11)。

4.根据权利要求3所述的基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述石墨烯层(9)的四角处分别设有透射孔点阵(12)，每个角处的透射孔点阵(12)呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵(12)之间构成阵列栅。

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