一种超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器

1.本发明涉及超材料吸收器技术领域，尤其涉及一种超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.近几十年来，太赫兹科学技术迎来了快速发展。太赫兹波的优良特性使其在军用雷达、医学检测、成像、通信和传感等方面具有良好的应用前景。因此近年来，基于超材料的太赫兹吸收器得到了广泛的研究。
4.然而，发明人发现，目前许多基于超材料的吸收体，一旦设计完成，只能实现单一功能，吸收性能不可调。还有的太赫兹吸收器主要集中在一个宽带吸收，不同宽带的吸收需要更换不同的吸收器，过程复杂且成本较高。另外，占用空间较大，使用不方便也成为部分吸收器的缺点之一，因此，如何获得一种可切换宽带、可调谐、结构简单的太赫兹吸收器成为亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，采用二氧化钒和石墨烯两种材料进行设计制作，对于太赫兹波有良好的吸收特性，实现了太赫兹吸收器的带宽可切换、可调谐功能。
6.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
7.本发明第一方面提供了一种超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，该吸收器由若干个单元结构组成；单元结构包括自上而下的五层结构：顶层为图案化石墨烯结构层；第二层为由二氧化硅构成的介质层；第三层为图案化二氧化钒温控层；第四层为二氧化硅介质层；底层是由金属构成的反射层。
8.进一步的，所述单元结构为周期性单元结构，每个单元结构周期为35μm，每个单元结构相同且单元结构之间紧密连接。
9.进一步的，所述顶层的石墨烯图案为圆形，厚度为1nm，半径为9-11μm。
10.进一步的，所述石墨烯费米能量为0.0-0.7ev，弛豫时间为0.2ps。
11.进一步的，所述第二层的介质层厚度为6.5-8.5μm。
12.进一步的，所述第三层的二氧化钒图案为四个相同的正方形围成，相邻正方形之间间隔1μm，每个正方形靠近中心的角和远离中心的角的位置均挖出一个正方形图案。
13.进一步的，二氧化钒呈现绝缘状态时电导率为200s/m；达到相变温度后呈现金属态，电导率为200000s/m，利用二氧化钒的温控特性，实现宽带吸收调谐。
14.进一步的，所述第三层厚度为0.1μm。
15.进一步的，所述第四层的介质层厚度为6-8μm。
16.进一步的，所述底层是厚度为10μm的金，确保全部太赫兹波被反射。
17.以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：
18.本发明设计了一种基于石墨烯和二氧化钒材料的可调谐宽带-窄带可切换的太赫兹吸收器，相较于传统装置有吸收带宽宽，吸收率高的特点。当二氧化钒处于金属状态时，吸收器在2.85-10thz的宽带范围内几乎完全吸收，吸收率可以利用二氧化钒的相变特性进行调节。当二氧化钒处于绝缘状态时，吸收器切换到窄带吸收器，在2.3thz时可达到95％的吸收率。该吸收器具有良好的吸收性能以及调节功能，还有极化不敏感以及入射角不敏感等优点。
19.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
20.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
21.图1是本发明实施例中超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器的三维结构透视图；
22.图2是本发明实施例中超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器的正视图；
23.图3是本发明实施例中超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器的石墨烯结构层结构图；
24.图4是本发明实施例中超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器的二氧化钒温控层结构图；
25.图5是本发明实施例中超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器的宽带吸收和窄带吸收时的吸收曲线图；
26.图6是本发明实施例中超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器的宽带吸收时，不同温度下的吸收曲线图；
27.图7是本发明实施例中超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器的窄带吸收时，不同费米能量下的吸收曲线图；
28.其中，1.顶层，2.第二层，3.第三层，4.第四层，5.底层。
具体实施方式
29.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
31.二氧化钒作为一种具有独特性能的功能性金属氧化物材料，在341k左右会经历从金属态到绝缘态的可逆转变。这种独特的特性使其广泛应用于可调谐吸收器中。此外，石墨
烯作为一种二维材料，其电导率和载流子迁移率可以通过化学掺杂或静电掺杂进行动态调节，在太赫兹吸收体中也具有良好的性能。当二氧化钒处于金属状态时，吸收器在2.85-10thz的宽带范围内几乎完全吸收，吸收率可以利用二氧化钒的相变特性进行调节。当二氧化钒处于绝缘状态时，吸收器切换到窄带吸收器，在2.3thz时可达到95％的吸收率。该吸收器具有良好的吸收性能以及调节功能。
32.实施例：
33.本发明实施例提供了一种超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，该吸收器由若干个单元结构组成；图1所示为一个单元结构，单元结构为周期性单元结构，在xy平面上以p＝35μm的周期重复，每个单元结构相同且单元结构之间紧密连接。
34.单元结构包括自上而下的五层结构，如图1所示，：
35.顶层1为图案化石墨烯结构层，厚度为1nm，半径为9-11μm。石墨烯费米能量为0.0-0.7ev，弛豫时间为0.2ps。
36.第二层2为由二氧化硅构成的介质层，厚度为6.5-8.5μm。
37.第三层3为图案化二氧化钒温控层，厚度为0.1μm。二氧化钒呈现绝缘状态时电导率为200s/m；达到相变温度后呈现金属态，电导率为200000s/m，利用二氧化钒的温控特性，实现宽带吸收调谐。
38.第四层4为二氧化硅介质层，厚度为6-8μm。
39.底层5是由金属构成的反射层。底层是厚度h1为10μm的金，确保全部太赫兹波被反射。
40.本实施例中，如图2所示，顶层1的石墨烯图案为圆形，厚度h为1nm，顶部石墨烯盘的半径r为10μm，具体如图3所示。第二层2二氧化硅介质层的厚度h2为7.5μm，石墨烯层和二氧化钒层之间的第四层4二氧化硅介质层的厚度h3为7μm。两个介质层的介电常数ε均为2.45。二氧化钒温控层的厚度为0.1μm。底层5是厚度h1为10μm的金。
41.第三层3的二氧化钒图案为四个相同的边长w1为13.5μm的正方形围成，第三层表面为边长为35μm的正方形，如图4所示，相邻正方形之间间隔w2为1μm，即两个相邻正方形组成的矩形的长w3为28μm，每个正方形靠近中心的角和远离中心的角的位置均挖出一个正方形图案，剩下的图案构成了第三层二氧化钒的整体图案。靠近中心的角的位置挖出的正方形边长w4为5μm，远离中心的角的位置挖出的正方形边长w5为7.5μm，最后形成的图案中，中心为一个边长w6为11μm的正方形。
42.采用有限元理论进行模拟。在模拟中，在x和y方向设置周期性边界条件。floquet端口设置在z方向。通过模拟，获得了所提出的太赫兹超材料吸收器在vo2绝缘和金属态下的窄带和宽带吸收光谱。在模拟中，吸收率可以表示为：
43.a＝1-r-t
44.其中，a、r、t分别表示为吸收率、反射率和透射率，r＝|s11|2、t＝|s21|2。|s11|、|s21|分别表示反射系数和透射系数。由于底部金属可以完全反射电磁波，因此透射率为0，简化为
45.a＝1-r
46.图5显示了宽带和窄带的吸收效率，当二氧化钒在温度影响下改变相位时，该器件可以通过调整石墨烯的费米能量实现窄带和超宽带之间的切换。当石墨烯的费米能量为
0.7ev，二氧化钒处于绝缘状态(200s/m)时，吸收器实现窄带吸收功能，在2.3thz时的吸收率大于99.5％；当石墨烯费米能量是0.0ev且温度上升到相变温度时，二氧化钒为金属态(200000s/m)，吸收器可以实现超宽带吸收功能。在2.85至10thz的超宽带范围内，吸收器的平均吸收率超过95％。
47.图6以及图7显示了吸收器的可调谐功能。图6显示，当石墨烯的费米能量为0.0ev时，加热期间(40℃-80℃)二氧化钒的电导率从200s/m-200000s/m变化。二氧化钒从绝缘状态转变为金属状态，吸收体形成传统的金属-介电-金属结构。宽带吸收器实现全反射和完全吸收之间的切换。图7显示，当二氧化钒处于绝缘状态时，调整石墨烯费米能量(0.0-0.7ev)可以动态地将2.3thz的吸收率从1％调整到99％。
48.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

技术特征：
1.一种超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，其特征在于，由若干个单元结构组成；单元结构包括自上而下的五层结构：顶层为图案化石墨烯结构层；第二层为由二氧化硅构成的介质层；第三层为图案化二氧化钒温控层；第四层为二氧化硅介质层；底层是由金属构成的反射层。2.如权利要求1所述的超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，其特征在于，所述单元结构为周期性单元结构，每个单元结构周期为35μm，每个单元结构相同且单元结构之间紧密连接。3.如权利要求1所述的超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，其特征在于，所述顶层的石墨烯图案为圆形，厚度为1nm，半径为9-11μm。4.如权利要求1所述的超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，其特征在于，所述石墨烯费米能量为0.0-0.7ev，弛豫时间为0.2ps。5.如权利要求1所述的超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，其特征在于，所述第二层的介质层厚度为6.5-8.5μm。6.如权利要求1所述的超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，其特征在于，所述第三层的二氧化钒图案为四个相同的正方形围成，相邻正方形之间间隔1μm，每个正方形靠近中心的角和远离中心的角的位置均挖出一个正方形图案。7.如权利要求1所述的超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，其特征在于，二氧化钒呈现绝缘状态时电导率为200s/m；达到相变温度后呈现金属态，电导率为200000s/m，利用二氧化钒的温控特性，实现宽带吸收调谐。8.如权利要求1所述的超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，其特征在于，所述第三层厚度为0.1μm。9.如权利要求1所述的超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，其特征在于，所述第四层的介质层厚度为6-8μm。10.如权利要求1所述的超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，其特征在于，所述底层是厚度为10μm的金，确保全部太赫兹波被反射。

技术总结
本发明公开了一种超宽带-窄带可切换的可调谐太赫兹吸收器，涉及超材料吸收器技术领域。该吸收器由若干个单元结构组成；单元结构包括自上而下的五层结构：顶层为图案化石墨烯结构层；第二层为由二氧化硅构成的介质层；第三层为图案化二氧化钒温控层；第四层为二氧化硅介质层；底层是由金属构成的反射层。通过调整石墨烯层的费米能量和用温度控制二氧化钒层的物理性质，可以实现超宽带与窄带之间的转换以及吸收强度的调谐。本发明易于加工和制造，在吸收带宽和吸收率方面有显著的优势。在吸收带宽和吸收率方面有显著的优势。在吸收带宽和吸收率方面有显著的优势。


技术研发人员：李超 陈文雅 王东 安慰 郭世敬 伍国正
受保护的技术使用者：济南大学
技术研发日：2022.12.28
技术公布日：2023/7/26