一种基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器制造技术

本实用新型专利技术为一种基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器，基底包括金属底层、硅中层和二氧化硅表层，人工结构为在基底表层上排成阵列的单元结构，所述单元结构为相互正交、中心重合的“工”型石墨烯臂与金属臂，石墨烯臂压在金属臂下方。纵向的石墨烯臂相互连接，横向的金属臂之间有间隙，单元结构阵列的中心处于基底中心线上，纵横向为10～200个单元结构，数量相等。“工”型石墨烯臂与金属臂均以纵向中心线左右对称、以横向中心线上下对称。本实用新型专利技术不改变结构参数，改变偏置电压Vg即可实现线极化和圆极化转换两种功能的切换；石墨烯臂首尾相连形成DC接触，利于石墨烯偏压的一体化控制；结构简单，易于加工生产；转换效率高达99％。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及无源微波器件及超材料领域，具体涉及一种基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器。
技术介绍
电磁波的极化方向是指电磁波在空间传播时其电场矢量的瞬时取向。在各种天线系统，还有微波与光学仪器设备中，经常需要在不同极化状态之间的转换，以获得某种单极化波或双极化波。极化转换器要求的指标主要为性能高、损耗低、尺寸小、成本低和设计简单几方面。随着人工超材料技术的飞速发展，其在电磁波传播中的应用日益增多。也出现了多种基于人工超材料的极化转换器，其原理是通过在介质表面设计不同的金属结构单元实现对电磁波的幅值和相位的调控。超材料的极化转换器结构简单，制造成本低，尺寸小，转换效率高，便于控制和设计，因此得到青睐，近年来在电磁波的极化转换方面应用人工超材料的设计有显著增长。如2012年公开的中国专利申请201110061752“一种超材料极化转换器”，2015年公开的中国专利申请201310332273“实现极化转换的超材料和极化器”。但现有的极化转换器往往只具有单一的极化转换功能，例如单功能交叉极化转换器或者圆极化转换器。最近出现的基于石墨烯材料的极化转换器，一定程度改善上述问题，但是也存在一些缺点，比如结构复杂，不易实现。
技术实现思路
本技术的目的是设计一种基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器，在金属底层、硅中层和二氧化硅表层基底上为“工”型石墨烯臂与“工”型金属臂构成的单元结构，相同的单元结构排成阵列。纵向的相邻单元结构的石墨烯臂相互连接，横向的相邻单元结构的金属臂之间有间隙。因纵向石墨烯臂之间形成DC接触，即在本方案极化器两端加电压即可控制整个极化器件上石墨烯臂的偏压，因此本技术的极化器无需改变器件结构参数，通过改变石墨烯上偏压即实现线极化转换和圆极化转换之间的切换。本技术设计的一种基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器，包括基底和在基底表面的人工结构，所述基底包括金属底层、硅中层和二氧化硅表层，所述人工结构为在基底表层上排成阵列的单元结构，本技术所述单元结构为相互正交、中心重合的“工”型石墨烯臂与“工”型金属臂，纵向的相邻单元结构的石墨烯臂相互连接，横向的相邻单元结构的金属臂之间有间隙，且单元结构阵列的中心处于基底中心线上，纵向为10～200个单元结构，横向为10～200个单元结构。所述单元结构中石墨烯臂与金属臂正交的重叠处，石墨烯臂被压在金属臂下方。所述“工”型石墨烯臂与“工”型金属臂均以臂的纵向中心线为左右对称、以臂的横向中心线为上下对称。所述极化转换器纵向和横向的单元结构数量相等。所述石墨烯臂的厚度为0.34nm～1nm，所述金属臂的厚度为150nm～250nm。所述石墨烯臂的介电常数为3.9±0.4，所述金属臂的介电常数为11.9±0.4。所述二氧化硅表层、硅中层和金属底层面积相等，相邻的两层相互贴附，构成一个反射型的极化转换器，较大地提高极化转换的效率。所述基底的二氧化硅表层厚度为100nm～300nm；所述硅中层厚度为300nm～3000nm；所述金属底层厚度为150nm～250nm。所述金属底层和金属臂为金箔。本技术设计的极化转换器中，将石墨烯看作电导率表面，其电导率σs由Kubo公式得到，由带内电导率σinter和带间电导率σintra构成:σS＝σintra(ω,uC,Γ,Τ)+σinter(ω,uC,Γ,Τ)其中，h,kB分别是普朗克常数，波兹曼常数，e为石墨烯上的单位电荷量(1.60217733×10^-19C)，T是室温300K。uc(EF)为石墨烯费米能级，ω为入射电磁波角频率。Γ为散射率，其中τ是电子弛豫时间。石墨烯电导率虚部呈感性，视作电阻与电感的串联。相邻单元结构的金属臂之间存在间隙，使得单元结构在金属臂方向呈容性。因石墨烯电导率虚部呈感性，单元结构在石墨烯臂方向呈感性。由于材料的各向异性，在石墨烯臂和金属臂的两个正交方向上，等效的折射率不同。当入射波电场为极化方向与两个正交的“工”字结构成45°的线极化波，入射波电场等效分解为石墨烯臂方向和金属臂方向的两个正交的振幅相等相位相同的电场分量，经过材料反射后，金属臂方向的电场分量的相位超前，石墨烯臂方向电场分量的相位滞后，两正交场分量相位相差90°或者180°，形成圆极化波或者线极化波。改变石墨烯臂偏置电压Vg进而改变其化学势(即费米能级)EF及其电导率虚部的大小，即改变石墨烯电感的的大小。由于金属臂和相邻金属臂的间隙不发生结构上的变化，所以金属臂方向上的电容不变。当石墨烯臂的EF＝1eV时，两个正交方向上的电场相位差为90°，本极化转换器实现线极化到圆极化的转换；当石墨烯臂的化学势EF＝OeV时，两个正交方向上的电场相位差为180°，本极化转换器实现线极化到圆极化的转换。即本极化转换器通过改变偏置电压Vg，调整石墨烯表面感性的大小，使其化学势在OeV和1eV之间变化，实现了本器件从线极化转换器和圆极化转换器之间的切换。与现有技术相比，本技术一种基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器具有如下特性:1、本极化转换器结构固定，即不改变结构参数，通过改变偏置电压Vg，就可以实现线极化转换和圆极化转换两种功能的切换；2、阵列结构中石墨烯臂首尾相连形成DC接触，相比于其他基于石墨烯的人工结构，更加易于实现对整个极化转换器各单元结构石墨烯偏压的一体化控制；3、基本结构简单，易于加工生产；4、在很宽的频带范围实现线极化转换和圆极化转换的功能切换，实验中可看到线极化的转换效率最高达到99％，在0.178～0.283THz之间的105GHz宽的频带范围内线极化的转换效率大于80％；圆极化转换效率达49％，在0.208～0.298THz之间的90GHz宽的频带范围内均可实现小于3dB的轴比带宽。附图说明图1为本基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器实施例的立体结构示意图；图2为本基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器实施例的俯视图；图3为图2中一个单元结构示意图；图4为本基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器实施例的仿真线极化转化率PCR图；图5为本基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器实施例的仿真圆极化轴比图。图中标号为：1、人工结构，11、金属臂，12、石墨烯臂，2、二氧化硅表层，3、硅中层，4、金属底层。具体实施方式本基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器实施例如图1所示，包括基底和在基底表面的人工结构1，所述基底包括金属底层4、硅中层3和二氧化硅表层2。如图2所示，所述人工结构1为附于基底的二氧化硅表层2上排成阵列的单元结构，本例单元结构为相互正交、中心重合的“工”型石墨烯臂11与“工”型金属臂11，纵向的相邻单元结构的石墨烯臂12相互连接，横向的相邻单元结构的金属臂11之间有间隙。单元结构阵列的中心处于基底中心线上。本例极化转换器纵向、横向均为200个单元结构。本例单元结构中石墨烯臂12与金属臂11正交的重叠处，石墨烯臂12被压在金属臂11下方。本例“工”型石墨烯臂12与“工”型金属臂11均以臂的纵向中心线为左右对称、以臂的横向中心线为上下对称。本例石墨烯臂12的厚度为0.6nm，介电常数为3.9±0.1；金属臂11为厚度200nm、介电常数为11.9±0.1的金箔。本例二氧化硅表层2、硅中层3和金属底层4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器，包括基底和在基底表面的人工结构(1)，所述基底包括金属底层(4)、硅中层(3)和二氧化硅表层(2)，所述人工结构(1)为在基底表层上排成阵列的单元结构，其特征在于：所述单元结构为相互正交、中心重合的“工”型石墨烯臂(12)与“工”型金属臂(11)，纵向的相邻单元结构的石墨烯臂(12)相互连接，横向的相邻单元结构的金属臂(11)之间有间隙；单元结构阵列的中心处于基底中心线上，纵向为10～200个单元结构，横向为10～200个单元结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器，包括基底和在基底表面的人工结构(1)，所述基底包括金属底层(4)、硅中层(3)和二氧化硅表层(2)，所述人工结构(1)为在基底表层上排成阵列的单元结构，其特征在于：所述单元结构为相互正交、中心重合的“工”型石墨烯臂(12)与“工”型金属臂(11)，纵向的相邻单元结构的石墨烯臂(12)相互连接，横向的相邻单元结构的金属臂(11)之间有间隙；单元结构阵列的中心处于基底中心线上，纵向为10～200个单元结构，横向为10～200个单元结构。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器，其特征在于：所述单元结构中石墨烯臂(12)与金属臂(11)正交的重叠处，石墨烯臂(12)被压在金属臂(11)下方。3.根据权利要求1所述的基于石墨烯DC接触的双功能极化转换器，其特征在于：所述“工”型石墨烯臂(12)与“工”型金属臂(11)均以臂的纵向中心线为左右对称、以臂的横向中心线为上下对称。4...

【专利技术属性】
技术研发人员：高喜，杨万里，余行阳，曹卫平，李海鸥，于兴华，姜彦南，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：新型
国别省市：广西;45