本發(fā)明涉及基于叉指結(jié)構(gòu)石墨烯寬帶可調(diào)太赫茲吸波器，屬于微納光電子集成領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、超材料是含有亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的人工工程材料，其具有負(fù)折射率，負(fù)介電常數(shù)的特性，這些特性引起了人們的特別關(guān)注。石墨烯材料的等離子體頻率和納米帶的帶隙都在太赫茲(thz)范圍內(nèi)，石墨烯超表面可與電磁波激發(fā)表面等離激元共振，且石墨烯的表面電導(dǎo)率可通過(guò)外加電壓等調(diào)控，使得石墨烯為可重構(gòu)的超表面和超材料開(kāi)辟了一條新的途徑。人們已經(jīng)成功地將其應(yīng)用于各種光電器件，例如吸波器、偏振器、傳感器和波導(dǎo)等。

2、本發(fā)明提供了一種非對(duì)稱石墨烯叉指結(jié)構(gòu)的吸波器。該結(jié)構(gòu)利用石墨烯在太赫茲波段上局域表面等離子體激元特性，在吸收光譜中呈現(xiàn)強(qiáng)烈的局域等離子體共振。通過(guò)調(diào)節(jié)叉指結(jié)構(gòu)的臂長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)吸收帶寬的拓展與壓縮，同時(shí)該結(jié)構(gòu)可與集成電路工藝相結(jié)合，通過(guò)不同的叉指電極掩膜版可實(shí)現(xiàn)工作帶寬的靈活選取，通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)和弛豫時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)有效調(diào)節(jié)吸收峰。因此，本文提出的結(jié)構(gòu)具有良好的動(dòng)態(tài)可調(diào)能能力，為吸波器的設(shè)計(jì)提供一種新策略。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明涉及一種基于叉指結(jié)構(gòu)石墨烯寬帶可調(diào)太赫茲吸波器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制備。

2、本發(fā)明通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：基于叉指結(jié)構(gòu)石墨烯寬帶可調(diào)太赫茲吸波器，如圖1(a)所示，吸波器自下而上分別是金屬電極層、聚酰亞胺(pi)構(gòu)成的電介質(zhì)層，叉指結(jié)構(gòu)石墨烯層。

3、叉指結(jié)構(gòu)石墨烯單元結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，其中臂長(zhǎng)分別為l1、l2，臂寬為w，單元結(jié)構(gòu)周期為p，叉指結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)均通過(guò)fdtd參數(shù)優(yōu)化選出。

4、平面光源從z方向垂直入射，其中x、y方向均為周期性邊界條件，z方向設(shè)為完美匹配層(pml)。

5、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

6、研究發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)相較于其他結(jié)構(gòu)吸波器結(jié)構(gòu)而言，可實(shí)現(xiàn)多波段可調(diào)吸收，且叉指結(jié)構(gòu)在集成電路應(yīng)用廣泛，本設(shè)計(jì)能與現(xiàn)有的工藝相結(jié)合、易于制備，具體是指改變叉指的數(shù)目和叉指的長(zhǎng)度可以實(shí)現(xiàn)帶寬的擴(kuò)展與壓縮，并且可以通過(guò)外加電壓的方式改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)吸收峰的可調(diào)性，為軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。

技術(shù)特征：

1.一種基于叉指結(jié)構(gòu)石墨烯的寬帶可調(diào)太赫茲吸波器，如圖1(a)所示，其特征在于，所述吸波器單元由3層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，吸波器自下而上分別是金屬層(1)、聚酰亞胺構(gòu)成的電介質(zhì)層(2)、叉指結(jié)構(gòu)石墨烯層(3)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于叉指結(jié)構(gòu)石墨烯的寬帶可調(diào)太赫茲吸波器，如圖1(b)所示，其特征在于：吸波器單元的周期為p，固定為10μm，叉指結(jié)構(gòu)臂長(zhǎng)l1為6.5μm，臂長(zhǎng)l2為6.5μm，臂寬w為0.5μm；單元結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)均通過(guò)fdtd優(yōu)化選出，方法為：固定石墨烯費(fèi)米能級(jí)為1.0ev，弛豫時(shí)間τ為0.1ps，對(duì)石墨烯叉指結(jié)構(gòu)參數(shù)(l1)及叉指?jìng)€(gè)數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，分析不同尺寸單元結(jié)構(gòu)的吸收率與吸收帶寬后選出最優(yōu)方案，最終選出的單元結(jié)構(gòu)在δf＝2.468thz波段還保持著90％以上的高吸收率，見(jiàn)圖2。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于叉指結(jié)構(gòu)石墨烯的寬帶可調(diào)太赫茲吸波器，其特征在于：介質(zhì)層(2)采用聚酰亞胺材料，相對(duì)介電常數(shù)為3.5，介質(zhì)層厚度h2固定為12μm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于叉指結(jié)構(gòu)石墨烯的寬帶可調(diào)太赫茲吸波器，其特征在于：所述基底(3)采用金材料，所述金材料的等離子體頻率為1.37×1016rad/s，碰撞頻率為4.08×1013rad/s，厚度h1固定為0.2μm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于叉指結(jié)構(gòu)石墨烯的寬帶可調(diào)太赫茲吸波器，其特征在于：金屬電極層用于對(duì)石墨烯費(fèi)米能級(jí)和弛豫時(shí)間統(tǒng)一調(diào)控，通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級(jí)(0.6～1ev),弛豫時(shí)間(0.1～0.3ps)，可實(shí)現(xiàn)吸收帶寬從2.2～5.1thz的動(dòng)態(tài)調(diào)控，如圖3所示。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于叉指結(jié)構(gòu)石墨烯的寬帶可調(diào)太赫茲吸波器，其特征在于：固定石墨烯費(fèi)米能級(jí)為1ev，弛豫時(shí)間τ為0.1ps，調(diào)節(jié)叉指結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度l1和叉指?jìng)€(gè)數(shù)，吸波器可以在保持高吸收率的同時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)吸收帶寬，如圖4所示。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出一種基于叉指結(jié)構(gòu)石墨烯寬帶可調(diào)太赫茲吸波器。該吸波器由三層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，自下而上分別是金屬層、聚酰亞胺電介質(zhì)層及叉指結(jié)構(gòu)石墨烯層。通過(guò)優(yōu)化掃描選出了具有最優(yōu)尺寸的叉指結(jié)構(gòu)，金屬電極用于對(duì)石墨烯費(fèi)米能級(jí)及弛豫時(shí)間統(tǒng)一調(diào)控，通過(guò)調(diào)節(jié)費(fèi)米能級(jí)(0.6～1eV)，弛豫時(shí)間(0.1～0.3ps)，可以實(shí)現(xiàn)在寬帶內(nèi)(2.2～5.1THz)的動(dòng)態(tài)調(diào)控。除此之外，該發(fā)明還具有易于制備、可與集成電路工藝相結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)。因此，該發(fā)明在太赫茲領(lǐng)域中，如成像、隱身和開(kāi)關(guān)操作設(shè)備等方面，它都具有廣泛的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：肖功利,李凱,楊宏艷,陳贊輝,劉興鵬,王陽(yáng)培華,孫堂友,李海鷗
受保護(hù)的技術(shù)使用者：桂林電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6