[发明专利]基于石墨烯与二氧化钒超材料的动态可调双功能器件

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件，属于中红外技术领域的吸波及反射器件，利用了石墨烯表面等离子体特性与二氧化钒的相变特性。该器件为三维周期性结构，其结构组成为：金构成的金属基底(1)，二氧化钒层(2)，和十字星石墨烯层(3)。本发明主要通过有限元方法计算模拟出石墨烯对电磁波的吸收频谱，对吸波器件结构进行优化，得到理想的宽带吸波效果，同时利用二氧化钒的相变特性，可以动态改变器件的功能。本发明结构简单，易于加工，仅通过在二氧化钒材料在叠加一层十字型石墨烯，便可实现吸收效率在90％以上，带宽为2.9THz的吸波器件，此外，还可以在全频段范围内得到具有99％以上反射率的反射器件。

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件，属于超材料在中红外波段的应用领域。

背景技术

由于具有很多自然材料所不具备的特殊性质，如负折射率、复介电常数、逆多普勒效应等，超材料逐渐进入研究人员的视野。超材料作为一种特殊的亚型材料，可以作为理想的吸波材料，在较窄的频带或较宽的频带范围内获得接近完美的吸收特性。

吸波材料是一种可以将入射到材料表面的电磁波转换为热能或其他形式能量的一类材料，可减少电磁波的透射和反射，从而实现对电磁波的吸收。目前典型的吸波器件结构为三明治型：其顶层为周期性超材料图案，中间是一层非金属介质材料，底层是不透明的金属平面。通过调节单元结构的尺寸来调节吸收峰的位置和吸收效率，所以在实验中一旦固定下来就很难实现可调性。

石墨烯由于具有很多优异的光学和电子特性，自被发现可以在自然界稳定存在以来，即成为纳米材料领域的研究热点。石墨烯作为新型二维材料，是已知强度最高的材料之一，同时具有很好的韧性，在光频段，对光只有2.3％的吸收率，透过率达到97.7％。即对可见光来说，石墨烯基本是透明的，当入射光强达到特定的阈值时，其吸收会有一个饱和状态。由于其独特的光学和电子特性，如高载流子迁移率、零间隙带隙结构和通过施加偏置电压或化学掺杂来改变电导率的可调谐性,石墨烯成为制作吸波器的主要材料之一。

除了石墨烯之外，相变材料二氧化钒也逐渐进入研究人员的视野，人们发现二氧化钒的光学性质随温度的变化而变化。因此，二氧化钒材料逐渐被应用于实现光学器件和射频电子器件。二氧化钒的相变是发生在介质和金属之间，当温度处于室温状态时，二氧化钒处于介质状态；当温度超过340K时，二氧化钒体现金属的性质。

相比于传统的金属吸波器，本发明提出的基于石墨烯和二氧化钒的吸波器具有结构简单，易于加工，并且石墨烯的性质还可以通过外加电压来调节，同时二氧化钒的性质也可通过改变温度来调节。此外，当温度超过340K时，此时本发明提出的器件可作为反射器工作，使入射的电磁波完全反射。

发明内容

本发明设计了一种基于石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件，提供一种结构简单，易于调节的双功能器件。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

基于石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件，该器件为二维周期性三层结构，自上而下分别为：一层十字交叉石墨烯，一层二氧化钒，以及最底层的金属反射层。

本技术方案中的石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件以石墨烯材料为基础，可以通过氧化石墨还原法来制作，器件的加工还包括光刻及刻蚀技术。本发明使用石墨烯材料作为吸收介质。

本发明所述的有益效果是：

1、可实现对太赫兹波的高效吸收，单频带的吸收效率接近100％。

2、通过调节石墨烯的化学势，可动态调节吸收带宽，并且吸收效率在90％以上。

3、通过调节外界温度，可动态改变二氧化钒的性质，进而调节吸收带宽，并且吸收效率在 90％以上。