一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器制造技术

本发明专利技术涉及超材料应用技术领域，且公开了一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，包括金属衬底层和所述金属衬底层的顶部自下而上依次分布有介质绝缘层、超材料层和上金属电极，所述超材料层由石墨烯和周期排列的金属单元结构组成，且超材料单元结构为长方形金属人工微结构，所述超材料层为上下层结构。通过控制不同石墨烯层的外加电压即可实现对吸波特性的独立实时调节，改变单元结构中长方形金属人工微结构的个数、组合方式以及石墨烯‑金属超材料层数，可以灵活实现多频吸收，实现在中红外波段实时独立可调谐的多频、超宽频吸收。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器
本专利技术涉及超材料应用
，具体为一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器。
技术介绍
人工电磁超材料是一种由亚波长人工单元结构按照一定规律排列所构成的人工电磁媒质。由于人工单元的尺寸远小于工作波长，因此相对于工作波长而言是一种性能均匀的材料。超材料的优点在于可以通过调节人工单元的结构，尺寸，分布形式来控制材料的电磁参数，从而获得多种新颖的电磁特性，而这些特性是自然物质没有或者很难实现的。构成超材料最常用的人工单元包括有限长线条和开口环共振器等。人工电磁超材料和表面等离子体激元的结合揭示了一种新的物理现象，被称作表面等离子体激元诱导透明(PIT)。基于PIT现象的超材料结构单元通常由明模元件和暗模元件组成。明模或者叫做超辐射模可以被外加的入射场直接激发，呈现出非常大的散射。与之相反的是，暗模或者叫做亚辐射模式不能被直接激发，但是可以通过与明模原件产生的电场耦合的方式被激励。拥有多个PIT窗口的超材料结构除可应用于吸波器外，还有很多的潜在应用价值，例如信息传输系统，滤波器、开关和超敏传感器等方面。新型人工电磁超材料吸波器可广泛地应用于光子探测、太阳能电池、完美透镜及隐身衣等方面。最初由于超材料加工技术的限制，超材料吸波器的研究和应用主要集中在微波波段。随着材料加工技术的不断发展，超材料吸波器的研究和应用已经逐渐扩展到了太赫兹、中红外、红外甚至光波段。相比于传统的吸收器结构，新型人工电磁超材料吸波器质量轻、吸收率高、电磁参数易于灵活设计。基于PIT的传统多频吸波器件的设计方式有两种，一种是“明模”元件与“明模”耦合，另一种是“明模”元件与“暗模”元件的耦合，但这两种方式通常存在着吸收效率不高的问题。此外，一旦基于周期性金属结构的PIT吸波器加工完成，器件的电磁特性即固定，不能灵活调节。为了解决这一问题，人们采用了一些可以实时调谐的材料，比如流体，流体金属，半导体等。而其中，石墨烯是一种碳原子紧密堆积成的六边形蜂窝状二维结构，它是一种可替代贵金属实现中红外到太赫兹波段表面等离子激元(SPPs)的激励和传输的新型材料。石墨烯表面等离子体波不同于SPPs在贵金属表面的传输，具有更好的模式约束性、更长的传播距离、更低的传输损耗。更重要的是，通过改变石墨烯的化学掺杂、外加电场、磁场，偏置电压等可实现对石墨烯复电导率的灵活调节，进而实现对PIT多频吸波器件电磁特性的调谐。
技术实现思路
(一)解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，实现在中红外波段实时独立可调谐的多频、超宽频吸收。通过控制不同石墨烯层的外加电压即可实现对吸波特性的独立实时调节，吸收率在百分之九十以上；通过改变单元结构中长方形金属人工微结构的个数以及石墨烯-金属超材料层数，可以灵活实现多频吸收；通过横向排列的方式，可以实现宽带吸收效果，吸收带宽可达到11.8THz，从而克服现有的一些基于PIT原理的电磁超材料吸波器存在的结构复杂，吸收频带少，吸收带宽窄，吸波效果差，不能实现独立实时调谐性等问题。(二)技术方案为实现上述的目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，包括金属衬底层和所述金属衬底层的顶部自下而上依次分布有介质绝缘层、超材料层和上金属电极，所述超材料层和上金属电极均由多层石墨烯-金属构成，所述超材料层由石墨烯和周期排列的金属单元结构组成，且超材料单元结构为长方形金属人工微结构，而所述超材料层为上下层结构，所述超材料层的上下层结构中固定安装有处于同一中心线上的金属臂，且同层金属臂结构位于单元结构中心两侧。优选的，所述上层金属臂的长度应该小于下层金属臂长度，该金属臂表现为一典型的偶极子振荡器，可以称作“明模”元件。而金属臂的宽度、单元结构周期大小对谐振频率的影响极小，金属臂的长度决定了谐振频率发生的位置，金属臂的个数直接决定了谐振吸收峰的个数。优选的，所述超材料层的每层结构中可添加不同的外加电压，可以实现不同的费米能级，进而影响不同层金属臂谐振产生的吸收谐振发生的频率点，实现对谐振吸收峰的实时单独调谐作用。优选的，所述超材料层中金属臂的排列方式，有两种：一种为金属臂横向平行排列，可实现多频吸收器。一种为金属臂纵向平行排列，可实现超宽带吸收器。通过控制金属臂长度可改变吸收带宽，当金属臂长度差值较大时可实现双宽带吸收器；通过调整每层超材料结构中石墨烯层费米能级来实现对超宽带吸收器吸收宽带的实时调谐。与现有技术相比，本专利技术提供了一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器具有以下有益效果：通过将石墨烯材料引入到超材料吸收器结构中，利用在石墨烯层添加外加电压的方式来实时调谐石墨烯材料的电磁特性，因而实现对吸收器吸波性能的实时调谐。当金属臂纵向平行排列时，通过控制单元结构中金属臂个数和石墨烯-金属超材料层数，可以实现对频带个数的增减；调整每层石墨烯费米能级，可实现对多频吸收带的单独调节作用。改变金属臂的放置方式为横向平行排列，可实现超宽带吸收效果，吸收带宽(50％以上吸收率)最高可达11.8THz；同时，改变各个金属臂长度间距，可实现双宽带吸波器，两吸收带宽分别为3.1THz和5.1THz。应当理解，前面的一般描述和以下详细描述都仅是示例性和说明性的，而不是用于限制本公开。本申请文件提供本公开中描述的技术的各种实现或示例的概述，并不是所公开技术的全部范围或所有特征的全面公开。附图说明图1为本专利技术超材料多频吸波器结构的三维示意图；图2为本专利技术超材料多频吸波器结构的俯视图；图3为本专利技术超材料超宽带吸波器结构的俯视图；图4为本专利技术超材料多频吸波器结构的侧视图；图5为本专利技术为P极化波入射情况下，两层超材料结构且每层超材料的单元结构只包含一个金属臂状况下，所构成的吸收器的吸收谱随下层石墨烯费米能级的变化情况的示意图；图6为本专利技术为P极化波入射情况下，不同频带下吸收器的吸收谱的数据示意图；图7为本专利技术中超宽带吸收器的吸收频谱示意图；图8为本专利技术为双宽带吸收器的吸收频谱随石墨烯费米能级的变化情况示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参阅图1-8，一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，包括金属衬底层和金属衬底层的顶部自下而上依次分布有介质绝缘层、超材料层和上金属电极，超材料层和上金属电极均由多层石墨烯-金属构成，超材料层由石墨烯和周期排列的金属单元结构组成，且超材料单元结构为长方形金属人工微结构，而超材料层为上下层结构，通过在超材料层的每层结构中添加不同的外加电压，可以实现不同的费米能级，超材料层的上下层结构中固定安装有处于同一中心线上的金属臂，且同层金属臂结构位于单元结构中心两侧，进一步说明的是，上层金属臂的长度小于下层金属臂长度，即“明模”元件。金属臂的宽度、单元结构周期大小对谐振频率的影响极小，而主要由金属臂的长度决定谐振频率发生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，包括金属衬底层和所述金属衬底层的顶部自下而上依次分布有介质绝缘层、超材料层和上金属电极，其特征在于：所述超材料层由石墨烯和周期排列的金属单元结构组成，且超材料单元结构为长方形金属人工微结构，所述超材料层为上下层结构，所述超材料层的上下层结构中固定安装有处于同一中心线上的金属臂，且同层金属臂结构位于单元结构中心两侧。

【技术特征摘要】
1.一种基于金属石墨烯超材料的动态可调谐型吸波器，包括金属衬底层和所述金属衬底层的顶部自下而上依次分布有介质绝缘层、超材料层和上金属电极，其特征在于：所述超材料层由石墨烯和周期排列的金属单元结构组成，且超材料单元结构为长方形金属人工微结构，所述超材料层为上下层结构，所述超材料层的上下层结构中固定安装有处于同一中心线上的金属臂，且同层金...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟任斌，刘燕，黄捷彪，吕奕霖，韩晨，刘盛纲，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51