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一種基于石墨烯DC接觸的雙功能極化轉(zhuǎn)換器的制作方法

文檔序號:11871209閱讀:839來源:國知局
一種基于石墨烯DC接觸的雙功能極化轉(zhuǎn)換器的制作方法與工藝

本發(fā)明涉及無源微波器件及超材料領(lǐng)域,具體涉及一種基于石墨烯DC接觸的雙功能極化轉(zhuǎn)換器。



背景技術(shù):

電磁波的極化方向是指電磁波在空間傳播時(shí)其電場矢量的瞬時(shí)取向。在各種天線系統(tǒng),還有微波與光學(xué)儀器設(shè)備中,經(jīng)常需要在不同極化狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換,以獲得某種單極化波或雙極化波。極化轉(zhuǎn)換器要求的指標(biāo)主要為性能高、損耗低、尺寸小、成本低和設(shè)計(jì)簡單幾方面。

隨著人工超材料技術(shù)的飛速發(fā)展,其在電磁波傳播中的應(yīng)用日益增多。也出現(xiàn)了多種基于人工超材料的極化轉(zhuǎn)換器,其原理是通過在介質(zhì)表面設(shè)計(jì)不同的金屬結(jié)構(gòu)單元實(shí)現(xiàn)對電磁波的幅值和相位的調(diào)控。超材料的極化轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)簡單,制造成本低,尺寸小,轉(zhuǎn)換效率高,便于控制和設(shè)計(jì),因此得到青睞,近年來在電磁波的極化轉(zhuǎn)換方面應(yīng)用人工超材料的設(shè)計(jì)有顯著增長。如2012年公開的中國專利申請201110061752“一種超材料極化轉(zhuǎn)換器”,2015年公開的中國專利申請201310332273“實(shí)現(xiàn)極化轉(zhuǎn)換的超材料和極化器”。

但現(xiàn)有的極化轉(zhuǎn)換器往往只具有單一的極化轉(zhuǎn)換功能,例如單功能交叉極化轉(zhuǎn)換器或者圓極化轉(zhuǎn)換器。最近出現(xiàn)的基于石墨烯材料的極化轉(zhuǎn)換器,一定程度改善上述問題,但是也存在一些缺點(diǎn),比如結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不易實(shí)現(xiàn)。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種基于石墨烯DC接觸的雙功能極化轉(zhuǎn)換器,在金屬底層、硅中層和二氧化硅表層基底上為“工”型石墨烯臂與“工”型金屬臂構(gòu)成的單元結(jié)構(gòu),相同的單元結(jié)構(gòu)排成陣列。縱向的相鄰單元結(jié)構(gòu)的石墨烯臂相互連接,橫向的相鄰單元結(jié)構(gòu)的金屬臂之間有間隙。因縱向石墨烯臂之間形成DC接觸,即在本方案極化器兩端加電壓即可控制整個(gè)極化器件上石墨烯臂的偏壓,因此本發(fā)明的極化器無需改變器件結(jié)構(gòu)參數(shù),通過改變石墨烯上偏壓即實(shí)現(xiàn)線極化轉(zhuǎn)換和圓極化轉(zhuǎn)換之間的切換。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種基于石墨烯DC接觸的雙功能極化轉(zhuǎn)換器,包括基底和在基底表面的人工結(jié)構(gòu),所述基底包括金屬底層、硅中層和二氧化硅表層,所述人工結(jié)構(gòu)為在基底表層上排成陣列的單元結(jié)構(gòu),本發(fā)明所述單元結(jié)構(gòu)為相互正交、中心重合的“工”型石墨烯臂與“工”型金屬臂,縱向的相鄰單元結(jié)構(gòu)的石墨烯臂相互連接,橫向的相鄰單元結(jié)構(gòu)的金屬臂之間有間隙,且單元結(jié)構(gòu)陣列的中心處于基底中心線上,縱向?yàn)?0~200個(gè)單元結(jié)構(gòu),橫向?yàn)?0~200個(gè)單元結(jié)構(gòu)。

所述單元結(jié)構(gòu)中石墨烯臂與金屬臂正交的重疊處,石墨烯臂被壓在金屬臂下方。

所述“工”型石墨烯臂與“工”型金屬臂均以臂的縱向中心線為左右對稱、以臂的橫向中心線為上下對稱。

所述極化轉(zhuǎn)換器縱向和橫向的單元結(jié)構(gòu)數(shù)量相等。

所述石墨烯臂的厚度為0.34nm~1nm,所述金屬臂的厚度為150nm~250nm。

所述石墨烯臂的介電常數(shù)為3.9±0.4,所述金屬臂的介電常數(shù)為11.9±0.4。

所述二氧化硅表層、硅中層和金屬底層面積相等,相鄰的兩層相互貼附,構(gòu)成一個(gè)反射型的極化轉(zhuǎn)換器,較大地提高極化轉(zhuǎn)換的效率。

所述基底的二氧化硅表層厚度為100nm~300nm;所述硅中層厚度為300nm~3000nm;所述金屬底層厚度為150nm~250nm。

所述金屬底層和金屬臂為金箔。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的極化轉(zhuǎn)換器中,將石墨烯看作電導(dǎo)率表面,其電導(dǎo)率σs由Kubo公式得到,由帶內(nèi)電導(dǎo)率σinter和帶間電導(dǎo)率σintra構(gòu)成:

σS=σintra(ω,uC,Γ,T)+σinter(ω,uC,Γ,T)

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其中,h,kB分別是普朗克常數(shù),波茲曼常數(shù),e為石墨烯上的單位電荷量(1.60217733×10^-19C),T是室溫300K。uc(EF)為石墨烯費(fèi)米能級,ω為入射電磁波角頻率。Γ為散射率,其中τ是電子弛豫時(shí)間。

石墨烯電導(dǎo)率虛部呈感性,視作電阻與電感的串聯(lián)。相鄰單元結(jié)構(gòu)的金屬臂之間存在間隙,使得單元結(jié)構(gòu)在金屬臂方向呈容性。因石墨烯電導(dǎo)率虛部呈感性,單元結(jié)構(gòu)在石墨烯臂方向呈感性。

由于材料的各向異性,在石墨烯臂和金屬臂的兩個(gè)正交方向上,等效的折射率不同。當(dāng)入射波電場為極化方向與兩個(gè)正交的“工”字結(jié)構(gòu)成45°的線極化波,入射波電場等效分解為石墨烯臂方向和金屬臂方向的兩個(gè)正交的振幅相等相位相同的電場分量,經(jīng)過材料反射后,金屬臂方向的電場分量的相位超前,石墨烯臂方向電場分量的相位滯后,兩正交場分量相位相差90°或者180°,形成圓極化波或者線極化波。

改變石墨烯臂偏置電壓Vg進(jìn)而改變其化學(xué)勢(即費(fèi)米能級)EF及其電導(dǎo)率虛部的大小,即改變石墨烯電感的的大小。

由于金屬臂和相鄰金屬臂的間隙不發(fā)生結(jié)構(gòu)上的變化,所以金屬臂方向上的電容不變。

當(dāng)石墨烯臂的EF=1eV時(shí),兩個(gè)正交方向上的電場相位差為90°,本極化轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換;當(dāng)石墨烯臂的化學(xué)勢EF=0eV時(shí),兩個(gè)正交方向上的電場相位差為180°,本極化轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換。即本極化轉(zhuǎn)換器通過改變偏置電壓Vg,調(diào)整石墨烯表面感性的大小,使其化學(xué)勢在0eV和1eV之間變化,實(shí)現(xiàn)了本器件從線極化轉(zhuǎn)換器和圓極化轉(zhuǎn)換器之間的切換。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明一種基于石墨烯DC接觸的雙功能極化轉(zhuǎn)換器具有如下特性:1、本極化轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)固定,即不改變結(jié)構(gòu)參數(shù),通過改變偏置電壓Vg,就可以實(shí)現(xiàn)線極化轉(zhuǎn)換和圓極化轉(zhuǎn)換兩種功能的切換;2、陣列結(jié)構(gòu)中石墨烯臂首尾相連形成DC接觸,相比于其他基于石墨烯的人工結(jié)構(gòu),更加易于實(shí)現(xiàn)對整個(gè)極化轉(zhuǎn)換器各單元結(jié)構(gòu)石墨烯偏壓的一體化控制;3、基本結(jié)構(gòu)簡單,易于加工生產(chǎn);4、在很寬的頻帶范圍實(shí)現(xiàn)線極化轉(zhuǎn)換和圓極化轉(zhuǎn)換的功能切換,實(shí)驗(yàn)中可看到線極化的轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)到99%,在0.178~0.283THz之間的105GHz寬的頻帶范圍內(nèi)線極化的轉(zhuǎn)換效率大于80%;圓極化轉(zhuǎn)換效率達(dá)49%,在0.208~0.298THz之間的90GHz寬的頻帶范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)小于3dB的軸比帶寬。

附圖說明

圖1為本基于石墨烯DC接觸的雙功能極化轉(zhuǎn)換器實(shí)施例的立體結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2為本基于石墨烯DC接觸的雙功能極化轉(zhuǎn)換器實(shí)施例的俯視圖;

圖3為圖2中一個(gè)單元結(jié)構(gòu)示意圖;

圖4為本基于石墨烯DC接觸的雙功能極化轉(zhuǎn)換器實(shí)施例的仿真線極化轉(zhuǎn)化率PCR圖;

圖5為本基于石墨烯DC接觸的雙功能極化轉(zhuǎn)換器實(shí)施例的仿真圓極化軸比圖。

圖中標(biāo)號為:

1、人工結(jié)構(gòu),11、金屬臂,12、石墨烯臂,2、二氧化硅表層,3、硅中層,4、金屬底層。

具體實(shí)施方式

本基于石墨烯DC接觸的雙功能極化轉(zhuǎn)換器實(shí)施例如圖1所示,包括基底和在基底表面的人工結(jié)構(gòu)1,所述基底包括金屬底層4、硅中層3和二氧化硅表層2。如圖2所示,所述人工結(jié)構(gòu)1為附于基底的二氧化硅表層2上排成陣列的單元結(jié)構(gòu),本例單元結(jié)構(gòu)為相互正交、中心重合的“工”型石墨烯臂11與“工”型金屬臂11,縱向的相鄰單元結(jié)構(gòu)的石墨烯臂12相互連接,橫向的相鄰單元結(jié)構(gòu)的金屬臂11之間有間隙。單元結(jié)構(gòu)陣列的中心處于基底中心線上。本例極化轉(zhuǎn)換器縱向、橫向均為200個(gè)單元結(jié)構(gòu)。

本例單元結(jié)構(gòu)中石墨烯臂12與金屬臂11正交的重疊處,石墨烯臂12被壓在金屬臂11下方。

本例“工”型石墨烯臂12與“工”型金屬臂11均以臂的縱向中心線為左右對稱、以臂的橫向中心線為上下對稱。

本例石墨烯臂12的厚度為0.6nm,介電常數(shù)為3.9±0.1;金屬臂11為厚度200nm、介電常數(shù)為11.9±0.1的金箔。

本例二氧化硅表層2、硅中層3和金屬底層4面積相等,相鄰的兩層相互貼附。

本例基底的二氧化硅表層2厚度為200nm;硅中層3厚度為2000nm;金屬底層4為厚度200nm的金箔。

如圖3所示,本例一個(gè)單元結(jié)構(gòu)為正方形,邊長P=120μm;金屬臂11中部長度L1=100μm,中部寬度W1=20μm,金屬臂11兩端“工”字的橫寬WX1=8μm,橫長WY1=30μm,相鄰單元結(jié)構(gòu)的金屬臂11之間的間隙寬度r=4μm;石墨烯臂12中部長度L2=88μm,中部寬度W2=8μm,石墨烯臂12兩端“工”字的橫寬WY2=16μm,橫長WX2=30μm。

上述極化轉(zhuǎn)換器實(shí)施例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),其工作于太赫茲頻段,當(dāng)極化轉(zhuǎn)換器兩端加電壓,控制石墨烯臂11的偏壓Vg為0,石墨烯臂的化學(xué)勢EF=0eV,兩個(gè)正交方向上的電場相位差為180°,此時(shí)極化轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)圓極化波到線極化波的轉(zhuǎn)換,圖4中橫坐標(biāo)為入射波頻率,單位為THz,縱坐標(biāo)為線極化波的PCR轉(zhuǎn)化率(交叉極化轉(zhuǎn)換率),由此圖4可見,入射波頻率在0.178~0.283THz之間的105GHz寬的頻帶范圍內(nèi)線極化的轉(zhuǎn)換效率均大于80%;最高可達(dá)到99%。按照圓極化分量幅度的平方計(jì)算得到本例實(shí)驗(yàn)圓極化轉(zhuǎn)換效率達(dá)49%。

控制石墨烯臂11的偏壓Vg為86V,石墨烯臂的化學(xué)勢EF=1eV,兩個(gè)正交方向上的電場相位差為90°,入射波電場為極化方向與兩個(gè)正交的“工”字結(jié)構(gòu)成45°的線極化波,本極化轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)線極化到圓極化的轉(zhuǎn)換;圖5中橫坐標(biāo)為入射波頻率,單位為THz;縱坐標(biāo)為圓極化波的軸比帶寬,單位為dB。由此圖5可見,入射波頻率在0.208~0.298THz之間的90GHz寬的頻帶范圍內(nèi)軸比帶寬均小于3dB。

本實(shí)施例可見本發(fā)明設(shè)計(jì)的極化轉(zhuǎn)換器可以在很寬的頻段內(nèi)和到線極化波到圓極化波,或者圓極化波到線極化波的轉(zhuǎn)換,并且具有很好的圓極化程度和線極化PCR轉(zhuǎn)化率。

上述實(shí)施例,僅為對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)一步詳細(xì)說明的具體個(gè)例,本發(fā)明并非限定于此。凡在本發(fā)明的公開的范圍之內(nèi)所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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