一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器及其应用制造技术

本发明专利技术公开一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器，包括从下到上依次设置的金属反射层、介质层和图案层，所述图案层由呈周期性排列的十字形材料结构单元组成，所述每个十字形材料结构单元均由相互垂直的水平带和垂直带连接组成，水平带和垂直带均由石墨烯制成，所述十字型材料结构单元的晶格周期d为3‑5μm，每个水平带和垂直带的宽a为0.6‑1μm、长b为1.2‑2μm。同时提供其应用。本发明专利技术的吸收器图形结构简单，不需要多层材料堆叠以及多个谐振器，易于集成、稳定性好，具有特殊电磁响应，且具有高吸收率、高灵敏度和灵活调控的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器及其应用
本专利技术属于超材料及电磁功能
，具体涉及一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器及其应用。
技术介绍
太赫兹波通常是指频率在0.1THz～10THz范围内的电磁波，从频率上看，该波段位于毫米波和红外线之间，属于远红外波段；从能量上看，在电子和光子之间。长期以来，由于缺乏对太赫兹波段的研究结果和数据，人们对这段波的了解甚少，以致形成了“太赫兹空白”的现象。由于太赫兹波处于电子学向光子学过渡的特殊区域，因此，太赫兹波具有很多独特的性质，如宽带性、瞬态性、低能性、相干性等。太赫兹波的研究也涉及物理学、光电子学及材料科学等领域，它在成像、医学诊断、环境科学、信息、国家安全及基础物理研究领域有着广阔的应用前景和应用价值。电磁超材料是指一类具有天然材料所不具备的超常电磁性质的人工复合结构或复合材料，其特性在于，可以通过对人工结构单元的物理尺寸进行优化设计，实现对电磁波和光波性能的任意调控，从而实现诸如电磁诱导透明、完美透镜、负折射率等超常电磁特性，太赫兹波段的超材料器件在传感、成像、电磁隐身等领域有着很大的应用潜力，对未来社会的发展必将产生很大的影响，对太赫兹超材料器件的研究已经逐渐发展成世界各国的一个新的科技战略点。然而，由于谐振特性，这种超材料吸收器通常工作在单一频段，而且大多为窄带吸收。一些基于多层结构或多个谐振器的宽带吸收器，结构又较为复杂，而且，这些吸收器的工作区域在远红外区，且有偏振相关性，这阻碍了它们的潜在应用。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器，同时提供其应用是本专利技术的另一专利技术目的。基于上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器，包括从下到上依次设置的金属反射层、介质层和图案层，所述图案层由呈周期性排列的十字形材料结构单元组成，所述每个十字形材料结构单元均由相互垂直的水平带和垂直带连接组成，水平带和垂直带均由石墨烯制成，所述十字型材料结构单元的晶格周期d为3-5μm，每个水平带和垂直带的宽a为0.6-1μm、长b为1.2-2μm。所述图案层的厚度为1nm。所述金属反射层为由高电导率的金属材料制成的的金属薄膜，金属反射层的厚度为200-300μm。所述金属材料为金、银、铝或铜。所述介质层的介电常数为3-5，介质层的厚度为3-5μm。所述介质层为二氧化硅薄膜。基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器的应用，所述吸收器应用于电磁波的传感、光学滤波和探测装置。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1)本专利技术的吸收器具有图形结构简单，不需要多层材料堆叠以及多个谐振器，易于集成、稳定性好，具有特殊电磁响应，且具有高吸收率、高灵敏度和灵活调控的特点，通过调控不同的石墨烯费米能，可以控制吸收峰的位置，且吸收峰的位置和吸收强度不随入射光的极化方向改变而发生变化；通过改变介质层的折射率，吸收峰会出现明显的蓝移，经过计算FOM最大可达到15.35，可用于电磁波的传感、光学滤波和探测装置；2)本专利技术的吸收器，有较多的可调控条件，易于寻找具有特定吸收频率、特定响应频带、特定结构厚度的超材料，在光学传感、滤波和探测装置中具有广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术吸收器的整体结构示意图；图2为图1中十字形材料结构单元示意图；图3为本专利技术吸收器的数值仿真吸收谱图；图4为本专利技术吸收器共振频率处的电场强度和表面电流分布图，(a)和(c)为共振频率1处的电场强度和表面电流分布图，(b)和(d)为共振频率2处的电场强度和表面电流分布图；图5为本专利技术吸收器单元的吸收谱随长宽比的变化趋势图；图6为本专利技术吸收器单元的吸收谱随极化方向的变化趋势图；图7为本专利技术吸收器单元的吸收谱随石墨烯费米能的变化趋势图；图8为本专利技术吸收器单元的吸收谱随介质层折射率的变化趋势图。具体实施方式实施例1一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器，结构如图1-3所示，包括从下到上依次设置的金属反射层1、介质层2和图案层3，所述金属反射层1为由高电导率的金属材料(电导率为4.7×107S/m)制成的的金属薄膜，金属反射层1的厚度为200μm，所述金属材料为金；介质层2的介电常数为3.9，介质层2的厚度为3.3μm，所述介质层2为二氧化硅薄膜；所述图案层3由呈周期性排列的十字形材料结构单元组成，所述图案层3的厚度为1nm，每个十字形材料结构单元均由相互垂直的水平带和垂直带连接组成，水平带和垂直带均由石墨烯制成，所述十字型材料结构单元的晶格周期d为3μm，每个水平带和垂直带的宽a为0.6μm、长b为2μm。石墨烯的电导率采用Drude模型的面内电导率形式其中，EF为石墨烯的费米能，内在弛豫时间为τ＝μEF/eνF2，费米速度为νF＝106m/s，μ为石墨烯的载流子迁移率。基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器的应用，所述吸收器应用于电磁波的传感、光学滤波和探测装置。实施例2一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器，结构如图1-3所示，包括从下到上依次设置的金属反射层1、介质层2和图案层3，所述金属反射层1为由高电导率的金属材料制成的的金属薄膜，金属反射层1的厚度为230μm，所述金属材料为银；介质层2的介电常数为3.9，介质层2的厚度为3μm，所述介质层2为二氧化硅薄膜；所述图案层3由呈周期性排列的十字形材料结构单元组成，所述图案层3的厚度为1nm，每个十字形材料结构单元均由相互垂直的水平带和垂直带连接组成，水平带和垂直带均由石墨烯制成，所述十字型材料结构单元的晶格周期d为5μm，每个水平带和垂直带的宽a为0.8μm、长b为1.4μm。其他同实施例1。实施例3一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器，结构如图1-2所示，包括从下到上依次设置的金属反射层1、介质层2和图案层3，所述金属反射层1为由高电导率的金属材料制成的的金属薄膜，金属反射层1的厚度为250μm，所述金属材料为铝；介质层2的介电常数为3.9，介质层2的厚度为5μm，所述介质层2为二氧化硅薄膜；所述图案层3由呈周期性排列的十字形材料结构单元组成，所述图案层3的厚度为1nm，每个十字形材料结构单元均由相互垂直的水平带和垂直带连接组成，水平带和垂直带均由石墨烯制成，所述十字型材料结构单元的晶格周期d为4μm，每个水平带和垂直带的宽a为1μm、长b为1.8μm。其他同实施例1。实施例4一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器，结构如图1-2所示，包括从下到上依次设置的金属反射层1、介质层2和图案层3，所述金属反射层1为由高电导率的金属材料制成的的金属薄膜，金属反射层1的厚度为300μm，所述金属材料为铜；介质层2的介电常数为3.9，介质层2的厚度为3.5μm，所述介质层2为二氧化硅薄膜；所述图案层3由呈周期性排列的十字形材料结构单元组成，所述图案层3的厚度为1nm，每个十字形材料结构单元均由相互垂直的水平带和垂直带连接组成，水平带和垂直带均由石墨烯制成，所述十字型材料结构单元的晶格周期d为3.5μm，每个水平带和垂直带的宽a为0.7μm、长b为2μm。其他同实施例1。实施例5-7在实施例5-7中，在每个实施例中水平带和垂直带的尺寸依次分别为：宽a为0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器，其特征在于，包括从下到上依次设置的金属反射层、介质层和图案层，所述图案层由呈周期性排列的十字形材料结构单元组成，所述每个十字形材料结构单元均由相互垂直的水平带和垂直带连接组成，水平带和垂直带均由石墨烯制成，所述十字型材料结构单元的晶格周期d为3‑5μm，每个水平带和垂直带的宽a为0.6‑1μm、长b为1.2‑2μm。

【技术特征摘要】
1.一种基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器，其特征在于，包括从下到上依次设置的金属反射层、介质层和图案层，所述图案层由呈周期性排列的十字形材料结构单元组成，所述每个十字形材料结构单元均由相互垂直的水平带和垂直带连接组成，水平带和垂直带均由石墨烯制成，所述十字型材料结构单元的晶格周期d为3-5μm，每个水平带和垂直带的宽a为0.6-1μm、长b为1.2-2μm。2.如权利要求1所述的基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器，其特征在于，所述图案层的厚度为1nm。3.如权利要求1所述的基于十字形石墨烯材料的太赫兹双波带吸收器，其特征在于，所述金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：范春珍，田雨宸，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：河南,41