一种基于石墨烯材料或拓扑材料的可调谐吸波人工电磁超材料，通过在吸波人工电磁超材料中引入拓扑材料或者石墨烯材料，使其吸收峰对应的谐振频率发生改变，从而使吸收光谱的频带具有可调谐性，进而解决吸波人工电磁超材料的频带过窄和不可调谐的问题。本发明专利技术可以通过控制外加电场或温度或拓扑材料和石墨烯的厚度，改变拓扑材料和石墨烯的介电系数及表面电阻率，进而实现具有可调谐工作频带的吸波人工电磁超材料。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及基于拓扑和石墨稀材料的可调谐吸波人工电磁超材料，在许多领域具有广阔的应用前景。
技术介绍
人工电磁超材料是一种人造介质，在自然界并不存在，它利用亚波长的微结构当作类似材料组成单元的原子分子，因其所具有的独特的电磁特性，例如，负折射率效应、负磁导率效应、强圆二向色性、电磁隐身、逆多普勒效应、逆契仑可夫辐射、放大倏逝波、吸波人工电磁超材料等而受到广泛的关注。其中吸波人工电磁超材料的研究近年来已取得了很大成果，但还有许多关键性技术问题厄待解决，如怎样拓宽和智能控制吸波人工电磁超材料的工作频带等。为了解决这些问题，人们做了很多尝试，由此形成了电磁学领域的一个新的热点可调谐吸波人工电磁超材料。2008年，N.1. Landy从负折射率媒质宏观等效电磁参数出发，探讨了人工电磁超材料对入射电磁波达到完美吸收时的电磁参数条件；并试验验证了基于SRR-Wires周期谐振单元人工电磁超材料具有非常好的吸波效果。同年，Hu Tao等人采用相同方法对N.1.Landy的吸波人工电磁超材料结构作了改进，把工作频率提高到了太赫兹频段。美国阿肯色州州立大学V. V. Varadan也对类似SRR-Wires结构负折射率吸波材料做了详细的实验研究。2008年，H.T. Chen提出可以通过光参杂调谐吸波人工电磁超材料的吸收光谱。同年，D.R. Smith提出可以通过控制温度的变化实现可调谐吸波人工电磁超材料。2012年，A. Minovich等人将液晶集成与吸波人工电磁超材料中，通过外加电场调节液晶的双折射率进而实现吸收光谱的频率可调谐性。上面几种结构在制作方法、应用及推广上仍存在不足，如设计过程复杂且加工工艺要求高，同时液晶材料又具有流动性与腐蚀性，会给吸波人工电磁超材料的实际应用带来很大的难度。因此，本专利技术提供一种基于拓扑材料和石墨烯材料的可调谐吸波人工电磁超材料。通过在多层人工电磁超材料中弓I入拓扑材料或者石墨烯材料，使其产生的吸收谱工作频带具有可调谐性，从而解决了吸波人工电磁超材料工作频段过窄和不可调谐的问题。本专利技术利用拓扑材料或者石墨烯材料的介电系数及表面电阻率随外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度改变而变化的特性，实现可调谐吸波人工电磁超材料。
技术实现思路
本专利技术针对上述可调谐吸波人工电磁超材料的问题，提供了一种基于拓扑或者石墨烯材料的可调谐吸波人工电磁超材料，该器件具有结构简单、操作容易、工作频率调谐范围大等特点。本专利技术解决问题采用的技术方案如下基于拓扑材料和石墨烯材料的吸波人工电磁超材料是一个多层结构器件。其表面所具有的亚波长周期性谐振单元阵列，会使其产生较高的吸收光谱。通过改变拓扑材料和石墨烯材料的介电常数及表面电阻率，使吸收谱对应的工作频带发生偏移，从而实现可调谐吸波人工电磁超材料。一种具有可调谐吸收光谱的吸波人工电磁超材料，该吸波人工电磁超材料是多层结构，第一种结构是通过在衬底材料上生长金属层、拓扑材料或者石墨烯材料层、金属层和氧化层，然后在顶部金属层和氧化层上制作周期性谐振单元阵列而成；第二种结构是通过在衬底材料上生长金属层、介质层、金属层，然后在顶部金属层上制作周期性谐振单元阵列，最后在周期性谐振单元阵列表面镀拓扑材料层或者石墨烯材料层而成。 所述的周期性谐振单元阵列是圆形、矩形、椭圆形、三角形、弧形、十字形、六边形、不对称开环、螺旋结构或共轭卍字形；所述的介质层可以是Al2O3层、Si3N4层、MgF2层或SiO2层等。所述的拓扑材料层可以是BixSlvx层、HgTe层、Bi2Te3层、Bi2Se3层或Sb2Te3层坐寸。所述的石墨烯层是单层碳原子层，由石墨烯层和M层碳原子层构成，其中1〈M〈100。所述的氧化层可以是In2O3层、SnO2层或ITO层等。所述的衬底层可以是BK7光学玻璃层、SiO2层、Si3N4层或Al2O3层等。所述的多层结构可以通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，范德华外延法，取向附生法-晶膜生长，和分子束外延技术所述的周期性谐振单元阵列是通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，包括电子束曝光、聚焦离子束曝光和反应离子束刻蚀。所述的基于拓扑和石墨烯材料的可调谐吸波人工电磁超材料可以通过控制外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度，改变拓扑和石墨烯材料介电系数及表面电阻率，进而实现吸波人工电磁超材料吸收光谱的可调谐性。本专利技术的测试系统由傅氏转换红外线光谱分析仪完成，通过傅氏转换红外线光谱分析仪对所述器件的吸收光谱的幅度和相位进行测试。附图说明图1为可调谐吸波人工电磁超材料示意图。图2为本专利技术的第一种结构示意图。图3为本专利技术的第二种结构示意图。图4为可调谐吸波人工电磁超材料的各种形状示意图。图中1衬底，2多层结构，3金属层，4拓扑材料层或石墨烯层，5氧化层，6掩膜，7周期性谐振单元阵列，8可调谐吸波人工电磁超材料，9基于N个多层结构的可调谐吸波人工电磁超材料第一种结构，10介质层，11基于N个多层结构的可调谐吸波人工电磁超材料第二种结构。具体实施方式为使得本专利技术的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本专利技术的具体实施方式。其中的材料生长技术包括电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，范德华外延法，取向附生法-晶膜生长，和分子束外延技术等常用技术。其中的掩模工艺包括电子束曝光和聚焦离子束曝光等常用技术。其中的刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀，如酸法刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀等常用工艺。例I首先，利用材料生长工艺在衬底I上形成一个多层结构(金属层3-拓扑材料或石墨烯层4-金属层3-氧化层5) 2，如附图2 (a)所示。其次，在多层结构2上沉积SiO2薄膜作为掩模6，如附图2(b)所示。然后，通过掩模工艺将设计好的周期性谐振单元阵列样本转换到掩模上，如附图2(c)所示。其中，结构的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。然后，通过刻蚀工艺，在2材料上制备周期性谐振单元阵列7，如附图2(d)所示。最后，移除掩模6，得到可调谐吸波人工电磁超材料8，如附图2(e)所示。其中基于N个(N>1)多层结构的可调谐吸波人工电磁超材料第一种结构9，如附图2(f)所示。例2首先，利用材料生长工艺在衬底I上形成一个多层结构(金属层3-介质层10-金属层3) 2，如附图3(a)所示。其次，在多层结构2上沉积SiO2薄膜作为掩模6，如附图3(b)所示。然后，通过掩模工艺将设计好的周期谐振单元样本转换到掩模上，如附图3(c)所示。其中，结构的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。然后，通过刻蚀工艺，在2材料上制备周期性谐振单元阵列7，如附图3(d)所示最后，移除掩模6，并在2上沉积石墨烯或拓扑材料层4得到可调谐吸波人工电磁超材料8，如附图3(e)所示。其中基于N个(N>1)可调谐吸波人工电磁超材料第二种结构11，如附图3(f)所示。本专利技术测试系统主要由傅氏转换红外线光谱分析仪构成。可以通过控制外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度，改变石墨烯或拓扑材料介电系数及表面电阻率，进而调谐吸波人工电磁超材料吸收光谱的工作频率。综上所述，本专利技术提供的基于石墨烯或拓扑材料的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具有可调谐吸收光谱的吸波人工电磁超材料，其特征在于，该吸波人工电磁超材料是多层结构，衬底材料上生长金属层、拓扑材料层或者石墨烯材料层、金属层、氧化层，顶部金属层和氧化层上制作周期性谐振单元阵列。
【技术特征摘要】
1.一种具有可调谐吸收光谱的吸波人工电磁超材料，其特征在于，该吸波人工电磁超材料是多层结构，衬底材料上生长金属层、拓扑材料层或者石墨烯材料层、金属层、氧化层，顶部金属层和氧化层上制作周期性谐振单元阵列。2.一种具有可调谐吸收光谱的吸波人工电磁超材料，其特征在于，该吸波人工电磁超材料是多层结构，衬底材料上生长金属层、介质层、金属层，顶部金属层上制作周期性谐振单元阵列，最后在周期性谐振单元阵列表面镀拓扑材料层或者石墨烯材料层；3.根据权利要求1或2所述的可调谐吸波人工电磁超材料，其特征在于，所述的周期性谐振单元阵列是圆形、矩形、椭圆形、三角形、弧形、十字形、六边形、不对称开环、螺旋结构或共轭卍字形；4.根据权利要求1或2所述的可调谐吸波人工电磁超材料，其特征在于，所述的金属层是Al层、Ag层、Au层、Cu层、Ni层或Pt层。5.根据权利要求1或2所述的可调谐吸波人工电磁超材料，其特征在于，介质层是Al2O3 层、Si3N4 层、MgF2 层或 SiO2 层...
【专利技术属性】
技术研发人员：曹暾，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。