[发明专利]一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器

说明书

一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器，属于超材料及电磁功能材料技术领域。该太赫兹超材料吸收器，包括金属反射层、介质层、石墨烯层和硅半球层。所述金属反射层为一层连续的金属薄膜，其厚度大于工作太赫兹波的趋肤深度；介质层位于金属反射层和石墨烯层之间，为聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜；未图案化的石墨烯层之上负载着硅半球层，由复合的半椭球和半圆球周期性排列而成，且每个周期包含旋转对称的四个半椭球和中心的一个半圆球结构。本发明通过合理设计硅半球的几何尺寸以及石墨烯外加电压值，可以实现对垂直入射到超材料表面的电磁波完全吸收的特性。本发明结构简单、无需多层叠加结构，且具有宽频带高吸收的特性。

技术领域：

本发明属于超材料及电磁功能材料技术领域，涉及一种太赫兹吸收器，具体涉及一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器。

背景技术：

太赫兹波(THz)的频率范围约为0.1～10THz(波长范围约为3mm～30μm)，位于微波与红外之间，它具有非常丰富的物理性质，例如，对水强吸收，对纸张、布等透明，对生物有机大分子的识别，以及对生物组织的无害电离等，使其可广泛地应用于安检、通信、生物医学领域，应用潜力巨大，日益受到国内外研究者的广泛关注。但是，由于自然界中对THz波能够产生响应的物质较少，导致对它的研究还很稀少。最大的研究瓶颈是，能够产生有效THz响应的探测器还非常缺乏，这极大阻碍了THz波的实际应用。目前，常见的THz波吸收器大多为基于超材料的吸收器。

电磁超材料(Metamaterial)是指一类具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工复合结构或复合材料。通过对超材料的物理尺寸的优化设计，可实现对电磁波性能的有效调控，可表现出诸如完美透镜、负折射率等超常电磁特性。2008年，Landy等人首次正式提出了“完美吸收器”的概念[Phys.Rev.Lett.100,207402(2008)]。它一般具有三层结构，由下往上依次为金属层，介质层，超材料层。通过对结构参数的优化设计，可实现介电常数ε和磁导率μ的完美匹配，并可使电磁超材料吸收器与自由空间达到良好的阻抗匹配以降低反射，最终实现对特定频率范围入射电磁波近乎100％吸收。据文献调研可知，到目前为止，已报道的太赫兹吸收器往往具有吸收频带较窄或吸收强度低等问题，距实际应用仍存在较大差距。因此，如何研制出高吸收、宽波段超材料太赫兹吸收器已成为当前的一个研究热点。

研究发现，相较金属，利用石墨烯在太赫兹波段产生的等离子体共振效应更为显著，且其电导率可通过外电场灵活调控。这为设计具有优异吸波特性的新型石墨烯基太赫兹超材料吸收器提供了可能。经对已有的石墨烯基太赫兹超材料吸收器所具有的共性特点系统总结可知，利用石墨烯材料实现太赫兹波宽带吸收主要有以下两种形式：一是，通过在平面内将多个石墨烯谐振单元结构相组合或将尺寸按一定规则变化的石墨烯图案单元构成阵列等方法，通过将多个相邻吸收峰耦合叠加以实现拓宽其吸收带宽；二是，通过在垂直方向上叠加多层图案化石墨烯结构以实现宽带吸收。上述两种方法虽均可在一定程度上拓宽吸收带宽，但由于均需将石墨烯图案化，由此而产生的边缘效应使其最高吸收率一般不会高于90％，限制了其吸收性能的发挥。因此本发明拟采取消除石墨烯边缘效应、引入表面硅介质结构等创新技术手段设计一种具有接近100％理想吸收性能的新型宽带太赫兹超材料吸收器。

发明内容：

针对现有石墨烯超材料吸收器的不足，本发明提出了一种基于复合硅半球/石墨烯宽带太赫兹超材料吸收器，其具有宽频带、高吸收(近乎100％吸收)等优异特性。

本发明具体技术方案如下：