一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器及其制备方法

申请号 CN202311698649.0 申请日 2023-12-12 公开(公告)号 CN117767012A 公开(公告)日 2024-03-26
申请人 河海大学; 发明人 姚红兵; 丁志鹏; 苏巍; 周远航; 李文龙; 叶李鹏安; 岳江; 朱卫华;
摘要 本 发明 公开了一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器及其制备方法,吸收器的结构包括: 二 氧 化 硅 层、 石墨 烯多层结构和金属基底的设计;顶部 二氧化硅 四棱台的结构设计;多层 石墨烯 同时电控的结构设计。本发明使用多层石墨烯进行增强太赫兹波吸收,通过外部偏置 电压 的控制,能够操控低频吸收波段的吸收强度,实现一定程度的可调谐性。在太赫兹波段内,本发明提出的超表面吸收器能够在0.5–10.0THz波段内能够达到96.33%的平均吸收率。本发明可以有效解决目前吸收器只能吸收部分太赫兹波段的难题,为太赫兹吸波领域的器件高性能化开辟了一个新的道路。
权利要求

1.一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器,其特征在于,由若干结构单元排列组成,每个结构单元自上而下依次包括:正四棱台(1),用于对太赫兹波吸收;第一石墨烯层(2),用于对太赫兹波进行吸收的调控;第一介质层(3),用于对太赫兹波的吸收;第二石墨烯层(4),用于对太赫兹波进行吸收的调控;第二介质层(5),用于对太赫兹波的吸收;第三石墨烯层(6),用于对太赫兹波进行吸收的调控;第三介质层(7),用于对太赫兹波的吸收;
金属基底(8),用于对太赫兹波的全反射;外部偏置电压(9),用于实现对石墨烯层化学势的调控。
2.根据权利要求1所述的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器,其特征在于,所述结构单元顶部为正四棱台结构,底部为横截面是正方形的长方体结构,横截面正方形的边与正四棱台下底边对齐且长度相等。
3.根据权利要求2所述的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器,其特征在于,所述第一至第三介质层均采用二氧化硅,折射率为1.5;所述金属基底采用
4.根据权利要求3所述的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器,其特征在于,所述结构单元顶部二氧化硅正四棱台的上底边长为10.9μm,二氧化硅正四棱台的下底边长为44.1μm,二氧化硅正四棱台的高为49.1μm,第一二氧化硅介质层的厚度为11.5μm,第二二氧化硅介质层的厚度为13.5μm,第三二氧化硅介质层的厚度为8.0μm,金属银的厚度为1.0μm。
5.根据权利要求4所述的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器,其特征在于,所述第一至第三石墨烯层的厚度很薄,约为0.33nm。
6.根据权利要求5所述的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器,其特征在于,所有石墨烯层均和外部偏置电压9相连,同时电控,通过控制外部偏置电压可以实现对吸收器低频波段吸收强度的调控,电压调节范围为0‑15V。
7.根据权利要求6所述的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器,其特征在于,所述外部偏置电压为15V时,太赫兹波入射时,由于顶部二氧化硅正四棱台和中间多层石墨烯和介质层的共同作用,吸收器能够实现0.5到10THz波段范围内的全波段吸收。
8.根据权利要求7所述的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器,其特征在于,外部偏置电压设置为0V时,此时对应于石墨烯0eV的电压,在低频处的吸收率急剧下降30%,调控幅度接近70%。
9.根据权利要求1‑8任一项所述的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器,其特征在于,所述若干结构单元之间为紧密排列。
10.如权利要求1‑9任一项所述的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)用电子蒸发的方法沉积1.0μm厚的银形成所述金属基底;
(2)将二氧化硅旋转涂覆在银层表面上,并烘烤形成所述第三介质层,厚度为8.0μm;
(3)将石墨烯层转移到第三介质层上方形成所述第三石墨烯层;
(4)将二氧化硅旋转涂覆在第三石墨烯层表面上,并烘烤形成所述第二介质层,厚度为
13.5μm;
(5)将石墨烯层转移到第二介质层上方形成所述第二石墨烯层;
(6)将二氧化硅旋转涂覆在第二石墨烯层表面上,并烘烤形成所述第一介质层,厚度为
11.5μm;
(7)将石墨烯层转移到第一介质层上方形成所述第一石墨烯层;
(8)使用磁控溅射法在第一石墨烯层表面制造出正四棱台二氧化硅层。

说明书全文

一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及电磁波吸收和调控领域,具体涉及一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器及其制备方法。

背景技术

[0002] 高效的太赫兹吸收器在太赫兹探测器中起着举足轻重的作用,太赫兹探测器在各种领域都有应用,包括军事隐身、6G通信、天文学、安全探测和医学成像。为了满足现代探测器技术的需求,吸收器必须表现出广泛而一致的光谱响应,同时保持相对较小的厚度。超表面是超材料的二维对应物,由于其独特的光学特性而引起了人们的广泛关注。超表面由以周期性结构组织的人造材料组成,以其特殊的电磁属性、可调折射率和不对称透射特性而闻名。这些特性使超表面特别适合电磁吸收。自Landy等人首次引入超表面吸收器以来,越来越多的基于超表面的高性能吸波器被提出和论证。
[0003] 对超表面吸收器的传统研究通常集中在特定波段内的吸收,分为窄带和宽带吸收模式。与窄带吸收相比,宽带吸收具有更广泛的潜在应用。因此,研究人员一直在寻求进一步提高吸收带宽的策略,其普遍方法涉及多种吸收材料的分层。例如,严等人提出了一种双层石墨烯基超表面吸收器,能够实现高达0.65THz的宽带吸收。Amini等人通过引入三层石墨烯基金字塔状超表面吸收器扩展了这一概念,将吸收带宽显著拓宽至4.57THz。然而,电磁吸收器在实现超宽带吸收方面仍面临挑战,现有的石墨烯结构可能不适合超表面吸收器配置中的宽带吸波,因为它们需要高精度图案化,这限制了其更广泛的应用。另一种方法是在超表面器件的表面或基板上引入不同的微纳结构,以引起电磁波的不同光学响应,从而增强吸收。例如,程等人提出在超表面下方加入金属光栅,仅使用单层吸收材料即可实现2.58THz的吸收带宽。然而,在结合这两种方法并实现超宽带太赫兹波吸收方面,人们很难实现。
[0004] 为了解决上述问题,本发明提出了一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器及其制备方法,以满足目前在太赫兹波领域对此类宽带超表面吸收器的需求。

发明内容

[0005] 本发明为了实现对太赫兹波的多功能操控,提出了一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器的结构设计及其制备方法,所提出的结构在保持较薄厚度的基础上,还能够实现对准太赫兹波的全吸收,可以有效解决当前太赫兹超表面无法对入射波进行全波段吸收的难题。
[0006] 具体技术方案如下:
[0007] 本发明提出了一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器的结构设计,从上到下包括:正四棱台1,用于对太赫兹波吸收;第一石墨烯层2,用于对太赫兹波进行吸收的调控;第一二氧化硅介质层3,用于对太赫兹波的吸收;第二石墨烯层4,用于对太赫兹波进行吸收的调控;第二二氧化硅介质层5,用于对太赫兹波的吸收;第三石墨烯层6,用于对太赫兹波进行吸收的调控;第三二氧化硅介质层7,用于对太赫兹波的吸收;金属基底8,用于对太赫兹波的全反射;外部偏置电压9,用于实现对石墨烯层化学势的调控。
[0008] 本发明所述吸收器结构单元的周期为44.1μm。
[0009] 所述结构单元顶部为正四棱台结构,底部为横截面是正方形的长方体结构,横截面正方形的边与正四棱台下底边对齐且长度相等。
[0010] 所述第一至第三介质层均采用二氧化硅,折射率为1.5;所述金属基底采用
[0011] 所述结构单元顶部二氧化硅正四棱台的上底边长为10.9μm,二氧化硅正四棱台的下底边长为44.1μm,二氧化硅正四棱台的高为49.1μm,第一二氧化硅介质层的厚度为11.5μm,第二二氧化硅介质层的厚度为13.5μm,第三二氧化硅介质层的厚度为8.0μm,金属银的厚度为1.0μm。
[0012] 所述第一至第三石墨烯层的厚度很薄,约为0.33nm。
[0013] 所有石墨烯层均和外部偏置电压9相连,通过控制外部偏置电压可以实现对吸收器低频波段吸收强度的调控,电压调节范围为0‑15V。
[0014] 本发明的有益效果:
[0015] 1、本发明所述吸收器解决当前存在的太赫兹超表面吸收带宽依然较小的难题,在结构具有较薄的厚度时,做到了准太赫兹波全吸收。
[0016] 2、本发明所述吸收器解决当前存在的太赫兹超表面吸收强度不可调控的难题,做到了对低频波段的吸收强度可调。附图说明
[0017] 图1为本发明提出的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器的示意图。
[0018] 图2为本发明提出的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器一个结构单元的示意图。
[0019] 其中1.二氧化硅正四棱台;2.第一石墨烯层;3.第一二氧化硅介质层;4.第二石墨烯层;5.第二二氧化硅介质层;6.第三石墨烯层;7.第三二氧化硅介质层;8.金属基底;9.外加偏置电压。
[0020] 图3为本发明提出的一种吸收透射反射一体的多功能太赫兹超表面,一个结构单元结构参数的示意图,其中二氧化硅正四棱台的上底d1=10.9μm,二氧化硅正四棱台的下底d2=44.1μm,结构单元的周期d3=44.1μm,二氧化硅正四棱台的高h1=49.1μm,第一二氧化硅介质层的高h2=11.5μm,第二二氧化硅介质层的高h3=13.5μm,第三二氧化硅介质层的高h4=8.0μm,银层的厚度h5=1.0μm。
[0021] 图4为本发明提出的准太赫兹波全吸收超表面吸收器的吸收率随频率变化曲线图。
[0022] 图5为本发明提出的准太赫兹波全吸收超表面吸收器的在石墨烯不同电压时吸收率随频率变化曲线图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0024] 图1所示为一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器的示意图,图2为本发明提出的一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器一个结构单元的示意图。其中包括二氧化硅正四棱台1;第一石墨烯层2;第一二氧化硅介质层3;第二石墨烯层4;第二二氧化硅介质层5;第三石墨烯层6;第三二氧化硅介质层7;金属基底8;外加偏置电压9。其中,介质层材料均选择的是二氧化硅;9为外部的偏置电压,能够实现对石墨烯化学势的同时调控。
[0025] 如图3所示,为一个结构单元结构参数的示意图,其中二氧化硅正四棱台的上底d1=10.9μm,二氧化硅正四棱台的下底d2=44.1μm,结构单元的周期d3=44.1μm,二氧化硅正四棱台的高h1=49.1μm,第一二氧化硅介质层的高h2=11.5μm,第二二氧化硅介质层的高h3=13.5μm,第三二氧化硅介质层的高h4=8.0μm,银层的厚度h5=1.0μm。
[0026] 如图4、图5所示,在15V电压时,当太赫兹波入射时,由于顶部二氧化硅正四棱台和中间多层石墨烯的共同作用,吸收器能够实现在0.5到10THz波段范围内的全波段吸收,平均吸收率为96.33%。此时改变外部偏置电压,将电压设置为0V,对应于石墨烯0eV的电压,此时在低频处的吸收率急剧下降为30%,调控幅度接近70%,表现出了优秀的可调性能。
[0027] 本发明给出了一种准太赫兹波全吸收超表面吸收器的示意图的制备方法,按以下步骤完成的:
[0028] (1)用电子蒸发的方法沉积1μm厚的银形成所述金属基底;
[0029] (2)将二氧化硅旋转涂覆在银层表面上,并烘烤形成所述第三介质层;
[0030] (3)将石墨烯层转移到第三介质层上方形成所述第三石墨烯层;
[0031] (4)将二氧化硅旋转涂覆在第三石墨烯层表面上,并烘烤形成所述第二介质层;
[0032] (5)将石墨烯层转移到第二介质层上方形成所述第二石墨烯层;
[0033] (6)将二氧化硅旋转涂覆在第二石墨烯层表面上,并烘烤形成所述第一介质层;
[0034] (7)将石墨烯层转移到第一介质层上方形成所述第一石墨烯层;
[0035] (8)使用磁控溅射法在第一石墨烯层表面制造出正四棱台二氧化硅层。至此即完成所述宽带太赫兹吸收器的制备。
[0036] 上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明,它们并非用以限制本发明的保护范围,凡未脱离本发明技术所创的等效方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
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