CN114498070A - 基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于石墨烯‑介质‑金属结构的太赫兹双带可调吸收器。该吸收器自下而上依次由金属层，中间介质层和顶层U形石墨烯图案组成，所述上层U形石墨烯图案在x,y方向呈周期排列，底层金属薄膜、中间介质层和顶层U形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，在太赫兹波段实现了一个宽带和一个单带的吸收，并且本发明在不改变器件结构的情况下，通过调节外加电压可有效调谐吸收率的幅值。另外，本发明结构紧凑，制造简单，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
技术领域
本发明属于太赫兹波应用技术领域。具体是基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器。
背景技术
石墨烯是一层具有六角形晶格的单层碳原子,由于其显著的光电特性，如异常的量子霍尔效应、高载流子迁移率和可调电导率，被认为是调节太赫兹波传播特性的功能性光学材料。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。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。
一种石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，实质上是U形图案化的石墨烯单元结构周期排列放置于介质层聚酰亚胺-金属反射板组合衬底上。本设计主要通过U形石墨烯的开口距离以及调节石墨烯电压改变其化学式实现吸收水平的调节，进而实现石墨烯双带可调吸收器的设计和研究。
根据调研，发现目前所研究的传统的双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双带吸收器，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、多频带、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石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，解决的技术问题是现有吸波器无法获得高吸收、高调制深度的效果，且存在只可实现双单频点的吸收问题，为了解决该问题，本发明提供基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，其既可以实现宽带可调又可以实现单带可调，从而达到双带可调谐吸收的目的。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：一种基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，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U形石墨烯。底层金属、中间电介质层和上层U形石墨烯之间相互贴合。所述底层金属是全金属薄膜，上层U形石墨烯结构在同一水平位置开口形成对称的的U形石墨烯图案结构。
本发明的特点为：
每个单元结构在同一水平位置开口，形成对称的的U形石墨烯图案结构相同。U形环的长为15μm，宽为1.5μm，对称U形石墨烯的开口间距为2μm，开口在同一方向上。
所述中间电介质层的材料为聚酰亚胺，所述介质层的厚度h=16~17.5μm。
所述下层为金属层，其厚度为0.6μm。
所述每个单元结构的周期是 15*15μm。
所述石墨烯的费米能级为0.1eV～0.6eV。
所述U形石墨烯采用化学气相法来制作，U形石墨烯(2)中的开口间距通过激光刻蚀来制作。
所述U形石墨烯为单层原子排列结构。
所述底层金属是为了阻止太赫兹波穿透。
本发明的有益效果是：
(1)基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，利用石墨烯的半金属性质，外加电压，改变其费米能级，进而有效的调控吸收器的频率和幅度，促进了太赫兹波段可调器件的发展。
(2)基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，实现了既有宽频带又有单频带的双带超强吸收，解决了现有技术中吸波器应用范围小的问题，可广泛应用到传感器、光探测器、隐身和太阳能电池等领域。
基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，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0.1~0.6eV不同费米能级的吸收曲线图。
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，本发明是一种基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，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，其中上层为石墨烯层，中间层为聚酰亚胺层，底层为金属层。
(3)所述上层石墨烯层的U形环单元结构对应序号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图案化石墨烯结构上，得到一段吸收带宽，实现了双带吸收，通过改变侧端栅电压来调节结构中石墨烯的费米能级，在侧端栅电压通电情况下，改变石墨烯的费米能级，进而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U形环石墨烯图案的长为15μm，宽为1.5μm，对称U形石墨烯的开口间距为2μm，开口在同一方向上。中间电介质层的材料为聚酰亚胺，其厚度h=16~17.5μm。所述下层为金属层，其厚度为0.6μm。每个单元结构的周期是 15*15μm。另外，石墨烯的费米能级变化为0.1eV～0.6eV。
(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U形环的开口处激发了局域表面等离子体共振，形成第一个宽频带近乎完美的吸收。同时由于U型带之间相互作用，形成第二峰。另外，采用时域有限差分法，在FDTDsolution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石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双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0.6eV，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2.26-3.2THz内实现吸收率近乎完美吸收，在频率范围8THz内实现吸收率接近90％。
(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0.6eV，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带吸收器。
(10)图5为吸收器在不同开口距离下的吸收率曲线图，该吸收器在开口距离为4μm时依然可以在频率范围2.26-3.2THz和8THz内皆可实现吸收率不小于90％。
(11)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 (9)
1.基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，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U形图案石墨烯层，中间为电介质聚酰亚胺层，下层为金属层；
实际加工过程为：首先在衬底上形成介质层薄膜，然后在介质层上采用化学方法或物理 方法镀一层石墨烯薄膜形成石墨烯层，按照设定的周期和基本单元的个数，通过光刻或电子束曝光对石墨烯进行刻画，去掉多余的石墨烯薄膜，在同一水平位置开口形成对称的的U形石墨烯图案，进而构成具有周期结构的石墨烯层；当所有石墨烯层一次性刻画完毕后，需要在石墨烯层上镀一层导电胶。
2.如权利要求1所述的基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，其特征在于，所述的每个基本单元对应的同一水平位置开口形成对称的的U形石墨烯图案结构相同，其具体结构形状如下：U形环的长为15μm，宽为1.5μm，对称U形石墨烯的开口间距为2μm，开口在同一方向上。
3.如权利要求1所述的基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，其特征在于所述中间电介质层的材料为聚酰亚胺，所述介质层的厚度h=16~17.5μm。
4.如权利要求1所述的基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，其特征在于所述下层为金属层，其厚度为0.6μm。
5.如权利要求1所述的基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，其特征在于，所述每个单元结构的周期是 15*15μm。
6.如权利要求1所述的基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，其特征在于，所述石墨烯的费米能级为0.1eV～0.6eV。
7.根据权利要求1所述的基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，其特征在于：所述U形石墨烯(2)采用化学气相法来制作，U形石墨烯(2)中的开口间距通过激光刻蚀来制作。
8.根据权利要求1所述的基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，其特征在于：所述U形石墨烯(2)为单层原子排列结构。
9.根据权利要求1所述的基于石墨烯-介质-金属结构的太赫兹双带可调吸收器，其特征在于：所述底层金属(4)是为了阻止太赫兹波穿透。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN115810921A (zh) * | 2023-02-09 | 2023-03-17 | 中北大学 | 石墨烯/介质多层叠加的柔性太赫兹吸波器及制备方法 |
| CN116154484A (zh) * | 2023-04-04 | 2023-05-23 | 湖南工商大学 | 一种双通道太赫兹完全吸收器件 |
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2022
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