[发明专利]一种基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器。该吸波器从下到上依次为第一层金属、第二层电介质和顶部第三层周期性图案化的单层石墨烯。其中金属层采用金，中间介质层为二氧化硅。三层材料之间的相互作用形成一个对太赫兹波具有近乎完美吸收效果的多频带吸波器。该吸波器具有强吸收、偏振不敏感、结构简单、便于加工等优势，由于石墨烯的费米能级可调性，可以实现吸波器谐振频率的动态可调的性能，可满足对太赫兹吸收方面应用的要求。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器，属于微纳光电子学领域。

(二)背景技术

随着计算机的发展，电磁辐射充斥人们周围，促使研究学者加深新型吸波材料的研究。超构表面(Metasurface)是一种由单元结构组成的超薄二维平面阵列,超构表面属于二维的超构材料，是超构材料重要的研究方向。与超构材料相比，超构表面具有很多的优点，比如结构简单、体积小、易于集成制造等。电磁波的幅度、相位、偏振状态能够通过超表面结构灵活的控制，基于超构表面的这些优势，促使超构表面成为近些年来的热门研究。石墨烯是由单层碳原子构成的材料，具有其独特的电磁特性。在红外频段和太赫兹频段，电磁波在石墨烯中传输比在金属中传输的损耗更小。通过外加偏置电压、电磁场以及化学掺杂等方式可以改变石墨烯材料的化学势，相当于改变了石墨烯的电导率，最终实现对器件的工作频率动态调节，如集成光电子器件通过对超表面单元结构的精心设计。基于电磁超表面的吸波器一经提出，由于其相比于传统吸波器，利用超表面的局域强电磁耦合谐振，主要依靠电损耗和磁损耗实现完美吸波，造就其结构简单、吸收效率高、质量轻薄等显著优势。

通过对石墨烯超表面结构的精心设计，我们可以制作出多频带可调的石墨烯超表面吸波器，并非由传统吸波器为了使得入射到结构表面的电磁波能够无反射，全部以透射波的形式向前传播进入到结构内部，并且能够以任何形式的能量将其吸收的特点。多频带可调的石墨烯超表面吸波器在更多的实际生产生活中提供了更高的利用价值。比如射频识别技术、隐身技术、电磁防护、电磁兼容与屏蔽等。

(三)发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单、吸收率高的基于石墨烯超表面的多频带可调太赫兹吸波器。

本发明的目的是这样实现的：

该吸波器从下到上依次为第一层金属、第二层电介质和顶部第三层周期性图案化的单层石墨烯。其中金属层采用金或银等导体，中间介质层使用二氧化硅。通过三层材料之间的相互作用形成一个对太赫兹波吸收较大的多频带吸波器。第一层金属层是电导率为4.56×10⁷s/m的金膜，厚度D1＝600nm。第二层电介质层是二氧化硅，厚度D2＝3000nm；第三层周期性图案化的石墨烯厚度D3＝0.34nm。金膜和二氧化硅的边长都是20um。顶层周期性图案化的石墨烯的图案由四叶草形状和一个中心圆取并集后得到，其中：四叶草的四个叶子由半径R1＝6000nm，圆心分别为(0,6000),(6000,0),(0,-6000),(-6000,0)的四个圆相交而成，分散在与x轴成正负45°的方向上，中心圆半径R2＝4550nm。

在频率为1THz～10THz的电磁波工作带宽内，研究石墨烯超表面不同形状尺寸的孔径结构的电磁特性，通过对结构单元的设计，找出多个可以响应不同频率波段的结构，从而实现对不同频率的入射电磁波进行调制；通过扫描参数得出最优化吸波器结构，根据传输线理论，通过介质层进行阻抗变换来实现阻抗匹配；确定最优参数结构的吸波器，根据从吸波率、阻抗匹配、衰减特性所阐述的吸波器物理机制，得出此吸波器的吸收率接近100％。

(四)附图说明

图1是该吸波器的三维结构示意图。

图2是该吸波器的俯视图及参数。

图3是该吸波器的侧视图及参数。

图4是石墨烯的费米能级为0.9eV时，吸波器的吸收曲线图。