[发明专利]基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐负折射率的人工电磁超材料

说明书

技术领域

本发明涉及基于拓扑绝缘材料和石墨烯材料的的人工电磁超材料，它具有负折射率和负磁导率可调谐的电磁特性，在医学成像、完美透镜、电磁隐身等领域具有广阔的应用前景。

背景技术

人工电磁超材料是一种人造介质，在自然界并不存在，它利用亚波长的微结构当作类似材料组成单元的原子分子，因其所具有的独特的电磁特性，例如，负折射率效应、负磁导率效应、强圆二向色性、电磁隐身、逆多普勒效应、逆契仑可夫辐射以及放大倏逝波等而受到广泛的关注。近年来已有许多关于负折射率效应显著的人工电磁超材料的研究，但是也面临着新的挑战，比如，人工电磁超材料具有周期性结构的谐振单元，因此其负折射率具有工作频段过窄和不可调谐等问题，为了解决这些问题，人们做了很多尝试，由此形成了电磁学领域的一个新的热点：可调谐负折射率人工电磁超材料。

1968年，Veselago从电磁场理论出发，预言了介电常数和磁导率同时为负值并不违反物理原理。1996年，Pendry提出通过金属线阵列实现负介电常数，用开口谐振环实现负磁导率。2000年，Smith 等人将开口谐振环阵列和金属杆阵列组合在一起，在微波频段上第一次制造出具有负折射特性的电磁超材料，从而引起人们对具有负折射率的人工电磁超材料即左手超材料的广泛关注。而具有可调谐工作频率的左手超材料更是得到了人们的重视。Shadrivov和Chen等人分别提出在开环谐振环结构中外加变容二极管来调节其频率特性。Degiron等人设想在开环谐振环结构中引入电导率可调的半导体来实现可调左手材料。Zhao等人将开环谐振环结构浸在液晶之中，通过外加电场调节液晶的介电常数实现结构的频率可调谐性。

上述可调谐左手超材料，需要引入外加可调器件，将会增加超材料结构的复杂性。而液晶又具有流动性与腐蚀性，给左手材料的实际应用带来很大的难度。

因此，本发明提供一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐负折射率的人工电磁超材料。通过在多层人工电磁超材料中引入拓扑材料或者石墨烯材料，使其负折射率的工作频带具有可调谐性，从而解决由人工电磁超材料产生的负折射率工作频段过窄和不可调谐的问题。本发明利用拓扑材料或者石墨烯材料的介电系数及表面电阻率随外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度改变而变化的特性，实现具有可调谐负折射率的人工电磁超材料。

发明内容

本发明针对上述可调谐负折射率的人工电磁超材料的问题，提供了一种基于拓扑或者石墨烯材料的可调谐负折射率的人工电磁超材料，该器件具有结构简单、操作容易、 工作频率调谐范围大等特点。

本发明解决问题采用的技术方案如下：

基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐负折射率的人工电磁超材料是一个多层结构器件。其上具有亚波长周期性谐振单元阵列，使其具有负折射率，通过改变拓扑材料和石墨烯材料的介电常数及表面电阻率，使负折射率的谐振频率发生偏移，从而实现可调谐负折射率。

一种具有可调谐负折射率的人工电磁超材料，该人工电磁超材料是多层结构，第一种结构是通过在衬底材料上生长金属层、拓扑材料或者石墨烯材料层、金属层和氧化层，然后在多层结构上刻蚀周期性谐振单元阵列而成；

第二种结构，是通过在衬底材料上生长金属层、介质层、金属层，然后在多层结构上刻蚀周期性谐振单元阵列，最后在谐振单元阵列表面镀上拓扑材料或者石墨烯材料层而成。

所述的周期性谐振单元阵列是圆形、矩形、椭圆形、三角形、弧形、十字形、六边形、不对称开环、螺旋结构或共轭卍字形；

所述的介质层可以是Al₂O₃层、Si₃N₄层、MgF₂层或SiO₂层等。

所述的拓扑材料层可以是Bi_xSb_1-x层、HgTe 层、Bi₂Te₃ 层、Bi₂Se₃ 层或Sb₂Te₃ 层等。

所述的石墨烯层是单层碳原子层，由石墨烯层和M层碳原子层构成，其中1<M<100。

所述的氧化层可以是In₂O₃层、SnO₂ 层或ITO层等。