[发明专利]一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器及可调谐太赫兹器件

说明书

本发明涉及电磁超材料领域，特别是一种石墨烯‑二氧化钒超材料吸收器及可调谐太赫兹器件。该超材料吸收器具有多层结构，按照自上至下的结构顺序，超材料吸收器包括：二氧化钒谐振器阵列、连续石墨烯层、Topas介质层，以及金属层。其中，二氧化钒谐振器阵列包括沿水平面呈阵列排布的多个由二氧化钒材料制备的谐振器单元，谐振器单元呈一体式的工字型，每个谐振器单元与水平面的X轴方向具有小于90°的夹角。连续石墨烯层由单层碳原子排列构成；二氧化钒谐振器阵列贴合在连续石墨层的上表面。Topas介质层位于连续石墨烯层下方。金属层位于Topas介质层下方。该器件克服了传统超材料吸收器可调谐性差，功能单一，性能指标不足的缺点。

技术领域

本发明涉及电磁超材料领域，特别是一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器及可调谐太赫兹器件。

背景技术

超材料(Metamaterials,MMs)是一种由周期性排列的亚波长单元组成的人工复合材料，具有自然材料所不具备的超常电磁性质，例如负折射率、电磁诱导透明(EIT)、逆多普勒效应等。近些年来，超材料由于这些特殊的电磁性质逐渐成为了研究热点，在生物成像、电磁隐身、完美透镜和无线通信等领域具有广阔的应用前景。2008年，Landy等人提出基于电磁超材料的吸收器，首次实现了对特定电磁波的完美吸收。此后，研究人员设计出了不同吸波频段的超材料吸收器，包括微波段、太赫兹波段、红外波段以及可见光波段。但是，目前大部分的超材料吸收器的结构一旦制备成型，它的吸收性能便不再改变，只能实现对固定频段的电磁波的吸收，难以满足复杂多变的电磁环境的要求，因此对于主动可调谐超材料吸收器的开发需求日益迫切。

目前，在技术上可通过改变温度、外加光泵或施加电场等方式改变材料的电导率和介电常数，从而实现吸收器工作频率、吸收率的主动调节。在这一基础上，石墨烯和二氧化钒(VO₂)因具有特殊的性质而被人们广泛关注。其中，石墨烯的电导率与其自身费米能级有关，因此可以通过外加偏置电压或化学掺杂等方式改变石墨烯的费米能级，从而实现对基于石墨烯的超材料吸收器进行动态调谐。2016年，Yao等人设计出了一种双频段超材料完美吸收器。该吸收器由椭圆形纳米圆盘石墨烯结构和由SiO₂质隔开的金属层组成，可以通过外加电压方式控制石墨烯的费米能级实现共振频率的调节。二氧化钒是一种热控相变材料，它的电导率在相变过程中会发生巨大突变。当低于临界温度(68℃)时二氧化钒表现为绝缘体，而高于临界温度时表现出金属特性。因此，可利用这一特性对二氧化钒进行加热，对入射电磁波的吸收进行调控。2019年，Song等人提出了基于二氧化钒超材料的太赫兹宽频吸收器。通过调节温度来改变二氧化钒电导率，当其电导率从10S/m增加到2000S/m时，吸收率可从30％连续调整到近乎100％。

然而，由于材料和结构设计的局限，目前大多数的超材料吸收器都只利用石墨烯或二氧化钒中一种材料的特性，难以同时实现对超材料的工作频率与吸收振幅的双重调控。同时，不同的结构设计和产品的几何参数对最终超材料吸收器的吸波性能也存在很大的不确定性影响。超材料吸波器的工作带宽和吸收性能是性能评价的重要指标；因此如何设计一种性能更佳且具有高度可调谐性能的多功能太赫兹器件，提高产品在不同频段和不同工作状态下的性能，成为本领域技术人员研究的热点。

发明内容

为克服现有技术中的问题，本发明提供了一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器及可调谐太赫兹器件，该器件克服了传统超材料吸收器可调谐性差，功能单一，性能指标不足的缺点。

本发明的提供的技术方案如下：

一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器，该超材料吸收器具有多层结构，按照自上至下的结构顺序，超材料吸收器包括：二氧化钒谐振器阵列、连续石墨烯层、Topas介质层，以及金属层。