一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器

1.本发明涉及吸收器领域，具体而言，涉及一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器。


背景技术：

2.频率在0.1-10thz范围内的电磁波被称为太赫兹波，在电磁波谱中其位于远红外与微波之间，也是电磁波谱中唯一没有全面和深入开发的频段。由于太赫兹波独特的频率和波长，使其具有高宽带、高穿透性、低电离辐射等特性，已广泛应用于通信、成像和传感等方面。近年来，无论是民用还是军用都希望通过超薄超轻的材料实现对电磁波高效率的吸收和任意的调控，传统的吸收材料，很难实现这些效应。然而，由周期性结构构成，具有独特电磁特性的超材料出现给任意操控电磁波提供了有效的解决方案。
3.太赫兹超材料吸收器，是太赫兹频谱中最具吸引力的领域，常常用于调制器、传感器和太阳能电池等应用，引起人们广泛的兴趣。自三明治结构的太赫兹完美吸收器被提出以来，通过设计的顶部金属图案结构使其实现阻抗匹配，以降低反射率。然而，一旦采用这样的设计结构，就很难实现对吸收强度或者吸收频率的选择，这极大的限制了其应用的潜力。越来越多的人们开始关注于一些新颖的二维材料，如石墨烯、二氧化钒、黑磷等。在这些新颖材料中，石墨烯由于独特的光学、电学、热学等特性而引起了很多关注。特别的是，石墨烯的介电性能可以通过化学掺杂或静电电压实现对费米能的动态调谐。因此，借助于石墨烯材料独特的性质，可以打破传统器件的不可调谐性。因此我们对此做出改进，提出一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：针对目前存在的背景技术提出的问题。为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，包括单个吸收器单元，超材料吸收器由多个周期性排布的吸收器单元组成，单个吸收器单元至下而上包括金属反射底层、中间介质层以及上表面周期排布的石墨烯图案层，所述中间介质层为二氧化硅，所述上表面周期排布的图案层紧贴在中间介质层上，单个周期单元图案由石墨烯十字架和四开口圆环组成；所述开口圆环的中心与十字架中心一致；所述四开口圆环开口位置对应十字架的四个顶点。
5.作为本发明优选的技术方案，所述下表面的金属反射底层的材料为金，厚度为0.2um，电导率为4.56
×
107s/m。
6.作为本发明优选的技术方案，所述介质层的材料为二氧化硅，厚度为10um，介电常数为3.9。
7.作为本发明优选的技术方案，所述上表面周期排布的图案层材料为石墨烯，厚度为1nm，其费米能级为0.3ev～0.6ev。
8.作为本发明优选的技术方案，所述上表面周期排布的石墨烯图案层为由石墨烯十
字架和四开口圆环组成，四开口圆环外半径为r2＝11.5um，内半径为r1＝8um。所述石墨烯圆环有四个开口，其四个开口大小相同，开口大小为g＝1.5um。
9.作为本发明优选的技术方案，所述石墨烯十字架中心与圆环中心保持一致，圆环四个开口位置分别对应十字架的四个顶点。
10.作为本发明优选的技术方案，所述上表面石墨烯可采用化学气相沉积制备，通过激光直写刻蚀或紫外光刻技术实现超材料吸收器上表面石墨烯图案层，金属底层通过金属镀膜制备。
11.作为本发明优选的技术方案，所述上表面图案化层材料为单层石墨烯，厚度为1nm，石墨烯的电导率采用drude模型，其中τ＝0.5ps，石墨烯的费米能级变化为0.3ev变化到0.6ev。所述石墨烯四开口圆环外半径为r2＝11.5um，内半径为r1＝8um，线宽w＝3.5um，开口大小为g＝1.5um。所述石墨烯十字架中心与圆环中心保持一致，其长度与圆环内径保持一致，线宽与开口大小保持一致。
12.作为本发明优选的技术方案，所述石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器的吸收率表示为a＝1-r-t，其中r表示反射率，t表示透射率。所述金属反射层厚度远大于该波段太赫兹的趋肤深度，所以该方式下吸收器的透射率可视为t＝0，则吸收器的吸收率可简化为a＝1-r。
13.作为本发明优选的技术方案，在4.48thz的频率范围处，太赫兹波能量与吸收器相互作用，将绝大部分的太赫兹吸收，产生1个窄带吸收峰且太赫兹吸收率都能达到99％，吸收带宽0.5thz左右，石墨烯的费米能级从0.3ev增加到0.6ev，所述太赫兹超材料吸收器能够在58％～98％范围内调节，吸收峰从3.24thz～4.75thz范围内调谐。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果：
15.1.本发明提出的一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器具备石墨烯图案化简单，易于集成，具有独特的太赫兹吸收响应，能够填补现有吸收器设计复杂等不足。
16.2.本发明提出的一种石墨烯可调谐太赫兹超材料吸收器具有四重旋转对称性，对于不同偏振方式下的te模式和tm模式的电磁波吸收谱具有很好的重叠，具有对入射电磁波偏振不敏感的特性。
17.3.本发明提出的一种石墨烯可调谐太赫兹超材料吸收器，借助于石墨烯费米能级可调特性，通过外加电压，使其费米能级可调，从而实现吸收器对吸收频率及吸收强度的可调谐性，进而开拓了太赫兹吸收器的使用范围。
附图说明
18.图1为本发明实施例提供一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器阵列三维结构示意图。
19.图2为本发明实施例提供一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器的单元结构正视图。
20.图3为本发明实施例提供一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器的吸收率曲线图。
21.图4为本发明实施例提供一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，石墨烯不同费米能级的吸收曲线图。
22.图1中：1为金属反射底层，2为二氧化硅介质层，3为上表面周期排布的石墨烯图案化层。
23.图2中：201为单个单元结构中四开口圆环石墨烯，202为单个单元结构中十字架形石墨烯。
具体实施方式
24.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
25.因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合，应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
26.实施例1：请参阅图1-4，一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，包括单个吸收器单元，超材料吸收器由多个周期性排布的吸收器单元组成，单个吸收器单元至下而上包括金属反射底层1、中间介质层2以及上表面周期排布的石墨烯图案层3，所述中间介质层为二氧化硅，所述上表面周期排布的图案层紧贴在中间介质层上，单个周期单元图案由石墨烯十字架和四开口圆环组成；所述开口圆环的中心与十字架中心一致；所述四开口圆环开口位置对应十字架的四个顶点。
27.所述下表面的金属反射底层1的材料为金，厚度为0.2um，电导率为4.56
×
107s/m。所述介质层的材料为二氧化硅，厚度为10um，介电常数为3.9。所述上表面周期排布的图案层材料为石墨烯，厚度为1nm，其费米能级为0.3ev～0.6ev。所述上表面周期排布的石墨烯图案层为由石墨烯十字架和四开口圆环组成，四开口圆环外半径为r2＝11.5um，内半径为r1＝8um。所述石墨烯圆环有四个开口，其四个开口大小相同，开口大小为g＝1.5um。所述石墨烯十字架中心与圆环中心保持一致，圆环四个开口位置分别对应十字架的四个顶点。所述上表面石墨烯可采用化学气相沉积制备，通过激光直写刻蚀或紫外光刻技术实现超材料吸收器上表面石墨烯图案层，金属底层通过金属镀膜制备。
28.实施例2：本发明涉及的一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，该吸收器至下而上包括金属反射底层1，中间介质层2和上表面周期排布的石墨烯图案化层3，其中金属反射底层1与上表面石墨烯图案化层3分别附于二氧化硅中间介质层2的上下两个面上，如图1所示。
29.该上表面周期排布的石墨烯图案化层3是由周期排布的单元结构组成，单个周期单元结构如图2所示。单个周期单元图案由石墨烯十字架和四开口圆环组成，其中开口圆环的中心与十字架中心一致；圆环的四开口位置对应十字架的四个顶点。
30.所述上表面图案化层材料为单层石墨烯，厚度为1nm，石墨烯的电导率采用drude
模型，其中τ＝0.5ps，石墨烯的费米能级变化为0.3ev变化到0.6ev。所述石墨烯四开口圆环外半径为r2＝11.5um，内半径为r1＝8um，线宽w＝3.5um，开口大小为g＝1.5um。所述石墨烯十字架中心与圆环中心保持一致，其长度与圆环内径保持一致，线宽与开口大小保持一致。
31.所述中间介质层为二氧化硅，其厚度为10um，介电常数为3.9。
32.所述金属反射底层的材料为金，厚度为0.2um，电导率为4.56
×
107s/m。
33.当太赫兹波垂直入射到所述的石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器表面时，吸收器的吸收率可以表示为a＝1-r-t，其中r表示反射率，t表示透射率。所述金属反射层厚度远大于该波段太赫兹的趋肤深度，所以该方式下吸收器的透射率可视为0，则吸收器的吸收率可简化为a＝1-r。
34.本发明对石墨烯图案层的结构参数进行优选，通过cst仿真软件，对所设计的石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器的单元结构进行优选。
35.图3为通过仿真计算，该超材料吸收器吸收曲线图。当该吸收器石墨烯费米能级为0.5ev，十字架宽度g为1.5um，四开口圆环外半径为r2＝11.5um，内半径为r1＝8um，线宽w＝3.5um时，为最优结构。
36.太赫兹波垂直入射到所述的石墨烯可调谐太赫兹超材料吸收器时，顶层的近似金属性的石墨烯结构和底层的金属金层会下产生极化电荷，引起极化电流，而变化的极化电流进而产生出极化磁场，并与入射电磁波耦合产生磁共振响应，从而实现对入射太赫兹波的完美吸收。在4.48thz的频率范围处，太赫兹波能量与吸收器相互作用，将绝大部分的太赫兹吸收，产生1个窄带吸收峰且太赫兹吸收率都能达到99％，吸收带宽0.5thz左右。
37.图4为本发明结构几何参数为最优选时，将石墨烯的费米能级从0.3ev增加到0.6ev，所述太赫兹超材料吸收器能够在58％～98％范围内调节，吸收峰也从3.24thz～4.75thz范围内调谐。同时，随着石墨烯费米能级的增大，该吸收器吸收率出现先增大后降低的现象。
38.以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：
1.一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，包括单个吸收器单元，其特征在于，超材料吸收器由多个周期性排布的吸收器单元组成，单个吸收器单元至下而上包括金属反射底层(1)、中间介质层(2)以及上表面周期排布的石墨烯图案层(3)，所述中间介质层为二氧化硅，所述上表面周期排布的图案层紧贴在中间介质层上，单个周期单元图案由石墨烯十字架和四开口圆环组成；所述开口圆环的中心与十字架中心一致；所述四开口圆环开口位置对应十字架的四个顶点。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述金属反射底层(1)的材料为金，厚度为0.2um，电导率为4.56
×
107s/m。3.根据权利要求2所述的一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述介质层的材料为二氧化硅，厚度为10um，介电常数为3.9。4.根据权利要求3所述的一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述上表面周期排布的图案层材料为石墨烯，厚度为1nm，其费米能级为0.3ev～0.6ev。5.根据权利要求4所述的一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述上表面周期排布的石墨烯图案层为由石墨烯十字架和四开口圆环组成，四开口圆环外半径为r2＝11.5um，内半径为r1＝8um；所述石墨烯圆环有四个开口，其四个开口大小相同，开口大小为g＝1.5um。6.根据权利要求5所述的一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述石墨烯十字架中心与圆环中心保持一致，圆环四个开口位置分别对应十字架的四个顶点。7.根据权利要求6所述的一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述上表面石墨烯可采用化学气相沉积制备，通过激光直写刻蚀或紫外光刻技术实现超材料吸收器上表面石墨烯图案层，金属底层通过金属镀膜制备。8.根据权利要求7所述的一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述上表面图案化层材料为单层石墨烯，厚度为1nm，石墨烯的电导率采用drude模型，其中τ＝0.5ps，石墨烯的费米能级变化为0.3ev变化到0.6ev；所述石墨烯四开口圆环外半径为r2＝11.5um，内半径为r1＝8um，线宽w＝3.5um，开口大小为g＝1.5um；所述石墨烯十字架中心与圆环中心保持一致，其长度与圆环内径保持一致，线宽与开口大小保持一致。9.根据权利要求8所述的一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，其特征在于，所述石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器的吸收率表示为a＝1-r-t，其中r表示反射率，t表示透射率；所述金属反射层厚度远大于波段太赫兹的趋肤深度，吸收器的透射率可视为t＝0，则吸收器的吸收率简化为a＝1-r。10.根据权利要求9所述的一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，其特征在于，在4.48thz的频率范围处，太赫兹波能量与吸收器相互作用，将绝大部分的太赫兹吸收，产生1个窄带吸收峰且太赫兹吸收率都能达到99％，吸收带宽0.5thz左右，石墨烯的费米能级从0.3ev增加到0.6ev，所述太赫兹超材料吸收器能够在58％～98％范围内调节，吸收峰从3.24thz～4.75thz范围内调谐。

技术总结
本发明提供了一种石墨烯可调谐的太赫兹超材料吸收器，该吸收器包括下表面的金属反射层、中间介质层以及上表面周期排布的石墨烯图案层。所述介质层为二氧化硅，所述上表面周期排布的图案层紧贴在中间介质层上，单个周期单元结构由石墨烯十字架和四开口圆环组成；所述开口圆环的中心与十字架中心一致；所述四开口圆环开口位置对应十字架的四个顶点。本发明对不同结构尺寸的吸收器吸收效应进行模拟仿真，并对其结构参数进行优化设计，得到4.48THz的频率范围内实现超过98％的窄带吸收峰。同时，借助于石墨烯的可调谐特性，该吸收器可以通过外加电压等实现对太赫兹吸收强度及频率的调节，对拓展太赫兹吸波器的应用领域具有重要价值。值。值。


技术研发人员：程瑞剑
受保护的技术使用者：江西省科学院应用物理研究所
技术研发日：2023.06.07
技术公布日：2023/9/12