一种基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带THz吸收器的制作方法

一种基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器
技术领域
1.本发明属于太赫兹超材料设计技术领域，具体涉及一种基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器。


背景技术：

2.太赫兹(thz)波位于微波与红外波的频率间隙中，其频率范围为0.1～10thz。由于thz波在通讯、生物医学和安全性等方面的应用潜力，thz技术已引起越来越多的关注。然而，thz技术目前仍然发展缓慢，这主要是因为自然界中没有可以直接与thz波相互作用的材料，致使thz功能器件的缺乏。由周期性排列的结构单元组成的复合超材料为thz器件的发展和应用提供了可行性。与天然材料不同，超材料可以通过改变谐振单元的结构来实现某些电磁特性，如负折射率、完美透镜、完美吸收等。因其独特的电磁特性，超材料已用于thz功能器件的设计，如thz调制器、thz滤波器和thz吸收器等。其中，基于超材料的thz吸收器在隐身、探测和通信等领域具有巨大的应用价值，已逐渐成为thz领域的研究热点之一。然而，早期的thz吸收器通常是基于金属谐振结构的超材料，在加工完成之后其吸收性能便不可调节，致使其实际应用受到极大限制。因此，需要设计具有可调谐性能的新型超材料吸收器。
3.目前，设计动态可调thz吸收器的主要方法是在吸收器中加入光学性质可调的材料(如二氧化钒(vo2)、石墨烯和液晶等)。其中，vo2作为一种相变材料，其电导率在相变过程中可发生5个数量级的变化，vo2材料的加入可使吸收器具有快速响应和高调制深度等优点。石墨烯具有独特的机械、电磁和光学特性，其电导率可以通过化学掺杂或施加偏置电压来进行调节，成为了构造可调谐超材料吸收器的理想材料。然而，大多数基于vo2或石墨烯的吸收器通常存在吸收带宽窄和调节功能单一的缺点。因此，有必要进一步发展新型宽带可调吸收器，以推动thz技术的发展。


技术实现要素：

4.本发明设计了一种基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器，具有宽带吸收、动态可调以及偏振不敏感的特性。
5.本发明采用的技术方案是，设计了一种基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器。该吸收器由五层结构组成，从顶层往底层依次为：第一层为vo2谐振结构，该vo2谐振结构为正方形环状结构，第二层为介质层，第三层为石墨烯谐振结构，该石墨烯谐振结构为无图案结构，第四层为与第二层相同材料的介质层，第五层为金属层。
6.其中，所述vo2谐振结构的外部激励可为光、温度以及电压。
7.其中，所述石墨烯谐振结构的外部激励为电压。
8.其中，所述第二层和第四层介质的介电常数为1～1.2。
9.进一步地，vo2的介电常数在thz波段可由drude模型描述为：
[0010][0011]
式中，ε
∞
＝12和γ＝5.75
×
10
13
rad/s分别为高频介电常数和振荡频率。等离子频率ω
p
与电导率σ的关系为：
[0012][0013]
式中，σ0＝3
×
105s/m和ω
p
(σ0)＝1.4
×
10
15
rad/s。
[0014]
进一步地，石墨烯的电导率可以用kubo公式表示：σ
gr
＝σ
intra
σ
inter
，其中σ
intra
和σ
inter
分别为带内电导率和带间电导率。根据泡利不相容原理，由于光子能量(μ
c
为石墨烯的化学势能)，带间电导率与带内电导率相比可以忽略不计。因此，石墨烯的电导率可以简化为：
[0015][0016]
式中，k
b
、t、γ、e和μ
c
分别为玻耳兹曼常数、环境温度、散射速率、元电荷和化学势能，为约化的普朗克常数。
[0017]
本发明所述的一种基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器采用vo2谐振结构和石墨烯谐振结构作为谐振器，可通过光、温度、电压改变vo2的电导率或通过外部激励电压改变石墨烯的化学势能，均可以实现对工作带宽和吸收率的动态调控。
[0018]
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明的宽带可调吸收器的吸收频带宽、动态调控方式多样、工作带宽和吸收率均灵活可调。
附图说明
[0019]
为了更清楚地对本发明实施例作进一步详细说明，下面将对实施例中使用的附图作简单地介绍。有必要在此指出的是所述附图仅仅是本发明的一些实施例，而并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。
[0020]
图1是本发明实施例1的结构示意图，该基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器由五层结构组成。从顶层往底层依次为：第一层为vo2谐振结构，该vo2谐振结构为正方形环状结构，第二层为聚甲基丙烯酰亚胺介质层，第三层为石墨烯谐振结构，该石墨烯谐振结构为无图案结构，第四层为聚甲基丙烯酰亚胺介质层，第五层为金属层。
[0021]
图2是本发明的实施例1在三个谐振吸收峰处的电场分布图。
[0022]
图3是本发明的实施例1在vo2电导率为200000西门子/米，石墨烯化学势能为1电子伏时的吸收率。
[0023]
图4是本发明的实施例1在石墨烯化学势能为1电子伏时，不同vo2电导率下的吸收率。
[0024]
图5是本发明的实施例1在vo2电导率为200000西门子/米时，不同石墨烯化学势能下的吸收率。
[0025]
图6是本发明的实施例1随vo2电导率和石墨烯化学势能共同变化下的吸收率。
具体实施方式
[0026]
下面结合本实施例中的附图，对本发明实施例中设计方案进行清楚、完整地描述；所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分实施例，而不是意味着是对本发明保护范围的任何限定。
[0027]
实施例1
[0028]
一种基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器的单元结构由五层组成，从顶层往底层依次为：vo2谐振结构1，材料为聚甲基丙烯酰亚胺的介质层2，石墨烯谐振结构3，材料为聚甲基丙烯酰亚胺的介质层4，材料为金的金属层5，如附图1所示。单元结构的周期p为98微米，正方形环状的vo2谐振结构1边长l为60微米，宽度w为12微米。vo2谐振结构1的厚度h
v
、介质层2的厚度h1、介质层3的厚度h2以及金属层5的厚度h
g
分别为0.17微米、17.1微米、22.9微米和0.4微米。
[0029]
图2是本实施例在三个谐振点处的电场分布。其中，在1.33thz处，电场主要集中在vo2谐振结构和石墨烯谐振结构的上下两侧，为电偶极子谐振；在3.46thz处，电场主要集中在vo2谐振结构和石墨烯谐振结构的上下两侧，该谐振模式也为电偶极子谐振；在5.26thz处，与前两个谐振点相比，vo2谐振结构和石墨烯谐振结构均出现了更离散的电场分布，产生了高阶谐振。因此，吸收器的宽频带吸收是由多个谐振模式耦合实现的。
[0030]
图3为本实施例在石墨烯化学势能为1电子伏和vo2电导率为200000西门子/米时的吸收谱。从图3可知，吸收器在1.04thz到5.51thz频率范围内，吸收率大于90％，相对带宽为136.5％。
[0031]
图4表明当vo2的电导率从200000西门子/米变化到200西门子/米时，吸收器由在1.04thz到5.51thz频率范围内的宽带吸收变为吸收峰位于4.76thz的窄带吸收。vo2的电导率可由光、温度或电压等外部激励进行调节。
[0032]
图5表明当石墨烯的化学势能从1电子伏变化到0电子伏时，吸收器宽带吸收的频率范围从1.04thz到5.51thz变为1.18thz到2.76thz。
[0033]
图6表明当vo2的电导率从200000西门子/米变化到200西门子/米并且石墨烯的化学势能从1电子伏变化到0电子伏时，吸收器的吸收率可从99％调节至26％。
[0034]
综上所述，本发明提出了一种基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器。通过将vo2谐振结构和石墨烯谐振结构相结合，可提升吸收器的吸收带宽和可调性，实现宽带吸收以及可调的工作带宽和吸收率。所述吸收器具有吸收频带宽、动态调控方式多样、工作带宽和吸收率均可调的优点。
[0035]
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的同等或等价设计、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器，其特征在于：所述吸收器包含五层结构，从顶层往底层依次为：第一层为二氧化钒谐振结构，该二氧化钒谐振结构为正方形环状结构，第二层为介质层，第三层为石墨烯谐振结构，该石墨烯谐振结构为无图案结构，第四层为与第二层相同材料的介质层，第五层为金属层，所述吸收器在工作频段内共有三个吸收峰，其中两个低频谐振吸收峰由二氧化钒谐振结构激发的偶极子谐振作用产生，第三个高频谐振吸收峰由石墨烯谐振结构激发的高阶谐振作用产生。2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器，其特征在于：第二层和第四层介质的介电常数为1～1.2。3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器，其特征在于：其中两个低频谐振吸收峰是由二氧化钒谐振结构激发的偶极子谐振作用产生的，因而可通过调节二氧化钒的电导率来改变吸收器的谐振吸收峰数目，实现吸收器工作带宽的动态可控。4.根据权利要求1所述的基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器，其特征在于：第三个高频谐振吸收峰是由石墨烯谐振结构激发的高阶谐振作用产生的，因而可通过调节石墨烯的化学势能来改变吸收器的谐振吸收峰数目，实现吸收器工作带宽的动态可控。5.根据权利要求1所述的基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带thz吸收器，其特征在于：通过同时调节二氧化钒的电导率和石墨烯的化学势能，可改变吸收器的吸收率，实现吸收器吸收率的动态可控。
技术总结
一种基于二氧化钒和石墨烯的双控宽带THz吸收器，其特征在于：所述吸收器包含五层结构，从顶层往底层依次为：第一层为二氧化钒谐振结构，该二氧化钒谐振结构为正方形环状结构，第二层为介质层，第三层为石墨烯谐振结构，该石墨烯谐振结构为无图案结构，第四层为与第二层相同材料的介质层，第五层为金属层。所述吸收器在工作频段内共有三个吸收峰，其中两个低频吸收峰由二氧化钒谐振结构激发的偶极子谐振作用产生，第三个高频吸收峰由石墨烯谐振结构激发的高阶谐振作用产生。通过分别调节二氧化钒的电导率或石墨烯的化学势能，可改变吸收器的工作带宽。通过同时调节二氧化钒的电导率和石墨烯的化学势能，可调节吸收器的吸收率。可调节吸收器的吸收率。


技术研发人员：张彬 张春雨 钟哲强 张恒 凌芳
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2021.03.18
技术公布日：2021/6/29