基于石墨烯的太赫茲寬帶可調(diào)吸波器的制造方法
【專利摘要】基于石墨烯的太赫茲寬帶可調(diào)吸波器，涉及吸波器。呈三層結(jié)構(gòu)，從上至下依次為周期性網(wǎng)狀石墨烯層、介質(zhì)層和金屬層；所述周期性網(wǎng)狀石墨烯層的單元結(jié)構(gòu)，橫向周期為Px，縱向周期為Py，石墨烯寬度具有連續(xù)漸變調(diào)制的特點(diǎn)，周期性網(wǎng)狀石墨烯層的邊緣具有正弦型、余弦型、拋物線型、橢圓型或其它能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯寬度漸變調(diào)制的曲線，且其最大寬度Wmax與Px一致，最小寬度為Wmin介于0和Px之間；所述介質(zhì)層的材料為二氧化硅等絕緣體，介質(zhì)層的厚度td與吸波頻段相關(guān)；所述金屬層的材料為金或銀等良導(dǎo)體，金屬層的厚度tm大于入射波的趨膚深度。能實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的寬帶強(qiáng)吸收，在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)入射寬帶太赫茲波的吸收率，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
【專利說明】
基于石墨烯的太赫茲寬帶可調(diào)吸波器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及吸波器，具體是涉及一種基于石墨烯的太赫茲寬帶可調(diào)吸波器。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波(Terahertz waves)一般是指頻率介于0.ITHz?1THz、波長(zhǎng)介于3?
0.03mm范圍內(nèi)的電磁波，太赫茲寬帶吸波技術(shù)在太赫茲探測(cè)、傳感、調(diào)制、儲(chǔ)能、隱身等方面具有重要應(yīng)用前景，是當(dāng)前太赫茲技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。石墨烯(graphene)是由單層六邊形原胞碳原子組成的蜂窩狀二維材料，具有獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)和零帶隙電子能帶，優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)性能和良好的電導(dǎo)率可調(diào)特性，能夠支持太赫茲至中紅外波段內(nèi)表面等離激元諧振，是一種性能可調(diào)、極富潛力的太赫茲表面離激元吸波器的新材料。通常，表面等離激元吸波器具有金屬-介質(zhì)-金屬三明治狀結(jié)構(gòu):頂層為亞波長(zhǎng)金屬陣列層，中間為介質(zhì)基板層，底層為厚金屬層，通過抑制透射和反射通道，入射電磁波主要由亞波長(zhǎng)金屬陣列層結(jié)構(gòu)歐姆損耗吸收。然而，常規(guī)金屬材料吸波器結(jié)構(gòu)形式一旦確定，其吸收特性便不具有可調(diào)性，而應(yīng)用具有特定周期性形狀結(jié)構(gòu)的石墨烯材料替代頂層金屬層，則設(shè)計(jì)出具有吸波性能可調(diào)的新型吸波器。例如，2012年Sukosin等人(Thongrattanasiri , Sukosin,FrankHL Koppens, and F.Javier Garcia de Abaj0."Complete optical absorpt1n inper1dically patterned graphene."Physical review letters 108.4,047401,2012.)發(fā)表在Physics Review Letters上的論文表明，采用摻雜單層石墨稀周期性納米圓盤形狀結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)紅外波段窄帶全光吸收；同年Rasoul Alaee等人發(fā)表在Optics Express上的論文(Alaee Rasoul ,Mohamed Farhat, Carsten Rockstuhl, and Falk Lederer.perfect absorber made of a graphene micro-ribbon metamaterial.^Optics express20，n0.27: 28017-28024，2012.)表明，采用微條帶石墨烯結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)窄帶太赫茲波的完美吸收，且其吸波性能可通過改變石墨烯材料參數(shù)來調(diào)節(jié)。然而，目前多數(shù)基于石墨烯的吸波器采用周期性獨(dú)立條帶狀、圓盤、方形、十字型或其它形狀的石墨烯陣列，其結(jié)構(gòu)尺度較為單一，造成完美吸收入射電磁波的帶寬較窄，且其周期性結(jié)構(gòu)單元彼此獨(dú)立，需要較為復(fù)雜的靜態(tài)偏置電壓結(jié)構(gòu)才能夠吸波特性調(diào)節(jié)，極大限制了它們?cè)谔掌濐I(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，因此尋求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、特性可調(diào)、易于調(diào)控的新型太赫茲波寬帶吸波器受到廣泛的關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于為了實(shí)現(xiàn)對(duì)寬帶太赫茲波的可調(diào)吸收，提供一種基于石墨烯的太赫茲寬帶可調(diào)吸波器。
[0004]本發(fā)明呈三層結(jié)構(gòu)，從上至下依次為周期性網(wǎng)狀石墨烯層、介質(zhì)層和金屬層;所述周期性網(wǎng)狀石墨烯層的單元結(jié)構(gòu)，橫向周期為Px，縱向周期為Py，石墨烯寬度具有連續(xù)漸變調(diào)制的特點(diǎn)，周期性網(wǎng)狀石墨烯層的邊緣具有正弦型、余弦型、拋物線型、橢圓型或其它能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯寬度漸變調(diào)制的曲線，且其最大寬度一致，最小寬度為Wmin介于O和Px之間;所述介質(zhì)層的材料為二氧化硅等絕緣體，介質(zhì)層的厚度td與吸波頻段相關(guān);所述金屬層的材料為金或銀等良導(dǎo)體，金屬層的厚度U大于入射波的趨膚深度。
[0005]本發(fā)明的工作原理為:
[0006]本發(fā)明為一種周期性網(wǎng)狀石墨烯層-介質(zhì)層-金屬層三層結(jié)構(gòu)器件，能夠抑制透射和反射通道，其石墨烯寬度具有連續(xù)漸變調(diào)制的特點(diǎn)，不同寬度的石墨烯可以支持不同頻率入射太赫茲波的表面等離激元諧振，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波寬帶吸收;利用石墨烯的電可調(diào)性，改變石墨烯表面等激元的束縛性能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)入射寬帶太赫茲波吸收率的調(diào)節(jié)。
[0007]本發(fā)明的有益效果是:
[0008](I)本發(fā)明具有周期性寬度調(diào)制的網(wǎng)狀石墨烯層結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太赫茲波的寬帶強(qiáng)吸收，合理設(shè)置參數(shù)，本發(fā)明對(duì)太赫茲波的吸收率大于90%的相對(duì)帶寬可達(dá)60%以上。
[0009](2)本發(fā)明利用石墨烯的電可調(diào)性，能夠在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)入射寬帶太赫茲波的吸收率。
[0010](3)本發(fā)明的石墨烯層為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，易于施加偏置電壓，方便實(shí)現(xiàn)吸收率的靈活調(diào)控。
[0011](4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有一般性，通過尺度變換能夠用于中紅外、遠(yuǎn)紅外、可見光或其它頻段的電磁波的吸收。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3是本發(fā)明實(shí)施例0.7eV化學(xué)勢(shì)吸收曲線圖。
[0015]圖4是本發(fā)明實(shí)施例O?IeV不同化學(xué)勢(shì)的吸收曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例，進(jìn)一步闡述說明本發(fā)明。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例如圖1和2所示，其主要由三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，從上至下依次為周期性網(wǎng)狀石墨烯層1、介質(zhì)基板2以及金屬層3;
[0018]所述周期性網(wǎng)狀石墨烯層的單元結(jié)構(gòu)11，橫向周期為Px，縱向周期為Py，石墨烯寬度具有連續(xù)漸變調(diào)制的特點(diǎn)，周期性網(wǎng)狀石墨烯層的邊緣12具有正弦型、余弦型、拋物線型、橢圓型或其它能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯寬度漸變調(diào)制的曲線，且其最大寬度Wmax與Px—致，最小寬度為Wmin介于O和Px之間;所述介質(zhì)層的材料為二氧化娃等絕緣體，介質(zhì)層的厚度td與吸波頻段相關(guān);所述金屬層的材料為金或銀等良導(dǎo)體，金屬層的厚度U大于入射波的趨膚深度。
[0019]被調(diào)制成正弦形狀的石墨烯層的周期單元結(jié)構(gòu)11如圖2所示，橫向周期為Px，縱向周期為Py，最大寬度為Wmax，最小寬度為Wmin，單層石墨烯厚度為tg;最大寬度Wmax與橫向周期Px保持一致，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最小寬度為Wmin介于O和Px之間；所述介質(zhì)層可采用二氧化娃介質(zhì)基板，厚度為td;所述金屬層可選用金或銀等良導(dǎo)體，厚度為U。當(dāng)選取所述單元結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為:？\ = 324111，？7 = 6(^111，七8= lnm，td = 26ym，tm=0.5μηι，化學(xué)勢(shì)取0.7eV時(shí)，電磁仿真得到所述太赫茲吸波器的吸收曲線如圖3所示，可見本實(shí)施例對(duì)垂直入射太赫茲波具有較強(qiáng)吸收特性，吸收率大于90%的帶寬達(dá)1.35THz，相對(duì)帶寬約為68%。通過改變加載在石墨烯層上的偏置電壓可以改變石墨烯的化學(xué)勢(shì)，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)吸收率的調(diào)節(jié)，如圖4所示，當(dāng)維持本實(shí)施例幾何參數(shù)固定時(shí)，將石墨烯的化學(xué)勢(shì)Ef從OeV增加到1.0eV，所述太赫茲寬帶可調(diào)吸波器的吸收率能夠可在10%?100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，且化學(xué)勢(shì)越大，所述吸波器的吸收率也越大，是一種性能良好的吸收率可調(diào)的新型太赫茲寬帶吸波器。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.基于石墨烯的太赫茲寬帶可調(diào)吸波器，其特征在于呈三層結(jié)構(gòu)，從上至下依次為周期性網(wǎng)狀石墨烯層、介質(zhì)層和金屬層;所述周期性網(wǎng)狀石墨烯層的單元結(jié)構(gòu)，橫向周期為Ρχ，縱向周期為py，石墨烯寬度具有連續(xù)漸變調(diào)制的特點(diǎn)，周期性網(wǎng)狀石墨烯層的邊緣具有正弦型、余弦型、拋物線型、橢圓型或其它能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯寬度漸變調(diào)制的曲線，且其最大寬度Wmax與Px—致，最小寬度為Wmin介于O和Px之間;所述介質(zhì)層的材料為二氧化硅等絕緣體，介質(zhì)層的厚度td與吸波頻段相關(guān);所述金屬層的材料為金或銀良導(dǎo)體，金屬層的厚度U大于入射波的趨膚深度。
【文檔編號(hào)】H01Q17/00GK106019433SQ201610592098
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年7月26日
【發(fā)明人】葉龍芳, 陳瑤, 劉顏回, 張淼, 柳清伙
【申請(qǐng)人】廈門大學(xué)