一种基于狄拉克半金属的太赫兹可调吸波器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于狄拉克半金属的太赫兹可调吸波器，属于太赫兹超材料吸波领域，实现在太赫兹频带内的完美吸收。其特征是：本发明专利技术设计的吸波器单元从下至上依次包括一层全金属薄膜(1)，一层介质薄膜(2)，顶层是图案化的狄拉克半金属层(3)，三层结构之间相互贴合。其中金属薄膜层采用金或银等导体，中间介质层选用低介电常数材料。通过时域有限差分方法模拟计算，观测该结构的反射谱，实现在太赫兹频带的完美吸收。该超表面吸波器具有强吸收、偏振不敏感、结构简单、便于加工等优势，由于狄拉克半金属的费米能级可调性，可以实现吸波器谐振频率的动态可调的性能，可满足对太赫兹吸收方面应用的要求。

Terahertz tunable absorber based on Dirac semi metal

【技术实现步骤摘要】
一种基于狄拉克半金属的太赫兹可调吸波器(一)
本专利技术设计的是一种基于狄拉克半金属的太赫兹可调吸波器，属于太赫兹超材料吸波领域。该吸波器结构能够实现太赫兹频带内完美吸波，吸波频带可调，偏振不敏感等特性，可用于太赫兹波段光源，传感器设计等方面。(二)
技术介绍
近年来，具有原子级厚度的二维材料，如石墨烯，因其栅极电压依赖性而被广泛应用于可调谐超表面器件。在文章《Mid-InfraredTunableDual-FrequencyCrossPolarizationConvertersUsingGraphene-BasedL-ShapedNanoslotArray》中研究了基于L形石墨烯的超表面结构并实现了频率可调交叉极化，证明随着费米能级的增加，共振频率发生蓝移。虽然石墨烯具有可控制的光学特性，可实现动态光操作，但与入射EM波的耦合还不足以在实践中直接使用。近两年来，狄拉克半金属，也被称为“三维石墨烯型”3D狄拉克半金属，例如Cd3As2，ZrTe5和AlCuFe，由于其超高的电子迁移率高达而引起了人们的极大关注。狄拉克半金属具有与石墨烯类似的能带结构，能量和动量满足3D空间中的线性色散关系。2016年，O.V.Kotov等人在《Dielectricresponseandnovelelectromagneticmodesinthree-dimensionalDiracsemimetalfilms》文章中计算推理的狄拉克半金属的动态电导率和介电常数，为后续将狄拉克半金属模型的应用打下了基础。2017年，《Realizationoftunableplasmon-inducedtransparencybybright-brightmodecouplinginDiracsemimetals》研究了狄拉克半金属超材料在太赫兹频率下可调谐等离子体激元诱导透明效应的实现。与石墨烯类似，狄拉克半金属的介电常数功能可以通过改变费米能级来动态控制。但是，狄拉克半金属相比石墨烯更能抵御环境缺陷或克服导电体积过大等问题，具有在实际工程中更好实现的优点。到目前为止，狄拉克半金属在吸波器方面的应用几乎未被开发。(三)
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于本专利技术设计的是提供一种基于狄拉克半金属的太赫兹可调吸波器。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于狄拉克半金属的太赫兹可调吸波器，其特征是：它是一种三层结构器件，从上到下依次是图案化的狄拉克半金属层1，中间介质层2和基底金属反射板3，三层结构相互贴合。金属底板层选用金或银等良导体，所述介质层的介电常数为3.5，其介质层厚度选为相应波长的1/6-1/10，本专利技术中设置为3μm。所述顶层狄拉克半金属厚度为20nm，设置为挖去四个对称半圆形挖孔的圆形共振结构。本专利技术采用的技术方案是：步骤(1)：研究狄拉克半金属的动态电导率、介电常数等，选定研究频率范围为2-4THz，计算模拟相应频段狄拉克半金属的动态电导率和介电常数并记录数据。步骤(2)：导入狄拉克半金属的介电常数数据，建立材料模型。步骤(3)：在金属底板层和中间介质层上建立狄拉克半金属的模型，采用有限元法(FEM)、时域有限差分法(FDTD)或者时域有限积分法(FITD)进行数值计算。本专利技术所述的有益效果：1.顶层狄拉克半金属结构关于x轴与y轴对称，对于与TE和TM波可以得到相同的吸收曲线，实现了结构的偏振不敏感性。2.本专利技术的太赫兹频带内吸波器结构简单，仅用20nm的狄拉克半金属结构便可实现频带内完美吸收效果，吸收率接近100％。3.当入射角增大时，仍然能够保持良好的吸收效果，例如入射角60°时，吸收率仍可以达到95％。4.吸波器采用二维周期型结构，结构简单紧凑，便于大规模集成。(四)附图说明图1是本专利技术的单元结构示意图。1：金属层；2绝缘介质层；3：狄拉克半金属层。金属层长和宽为P＝4.3μm，厚度为t1＝0.2μm，绝缘介质层厚度为t2＝3μm；图2是本专利技术结构俯视图；圆形狄拉克半金属结构半径R＝2μm，圆周上挖孔半圆形的半径为0.4μm。图3是电磁波垂直入射下采用时域有限差分方法计算得到该吸波器的吸收效率图；图4是改变狄拉克半金属的费米能级，在0.065-0.085eV时的吸收曲线图；(五)具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步的说明。本专利技术设计了一种基于狄拉克半金属的太赫兹可调吸波器，具体实施方式包括：图1为基于狄拉克半金属吸波器的单元结构示意图。采用周期为P，厚度为t1的金属层3作为反射基底，中间介质层2的介电常数设置为3.5，顶层狄拉克半金属层1的横向周期和纵向周期均设置为P，圆形狄拉克半金属结构半径为R，其厚度为20nm。所述金属层可以选用金或者银等良导体，这里金属的厚度应远大于其在太赫兹波段的趋肤深度100nm，故本专利技术选择0.2μm为其厚度。本专利技术设计的是一个在2-4THz的反射型吸波器，选用周期p为4.3μm。图2为顶层狄拉克半金属图形，圆形狄拉克半金属结构半径设置为2μm，挖去的圆形半径为0.4μm，圆周上四个半圆形挖孔分布在x与y的正负轴，圆心坐标分别位于(2μm,0)(-2μm,0)(0，-2μm)(0，2μm)。本专利技术的工作原理可通过如下内容解释：本专利技术中采用大于趋肤深度的金属作为基底，使得入射光不能透过只能反射，因此吸收率计算公式由A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)＝1-|S11|2-|S21|2(1)可简化成A(ω)＝1-R(ω)＝1-|S11|2。(2)顶层狄拉克半金属结构与入射电磁波发生作用，产生电共振；狄拉克半金属层与底层金属之间的距离在1/6-1/10波长，使得两层之间可以产生强烈的耦合，形成反向平行的电流产生磁共振。调节结构尺寸，当电磁共振使得介电常数与磁导率相等，结构的阻抗与自由空间的阻抗相互匹配，可以使得反射率为零。狄拉克半金属费米能级取0.075eV，电磁仿真得到所述太赫兹吸波器的吸收曲线图采用时域有限差分法计算如图3所示，可见本专利技术吸波器对于在1.5THz-5.3THz频率段内具有较强的吸收特性。狄拉克半金属被称作3D石墨烯材料，如同石墨烯材料，狄拉克半金属一个很重要的性质之一就是电可调性，因此分析了狄拉克半金属的化学势从0.065eV到0.085eV之间变化时，吸收效果如图4所示，可以看到在0.065eV到0.085eV之间都能保持90％以上的吸收效率，实现吸波器频带可调谐的功能。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于狄拉克半金属的太赫兹可调吸波器，其特征是：它是一种三层结构器件，从上到下依次是图案化的狄拉克半金属层1，中间介质层2和基底金属反射板3，三层结构相互贴合。所述周期性狄拉克半金属圆形挖孔结构的横向周期和纵向周期均为P，四个挖孔半圆的圆心位于狄拉克半金属材料圆周上的对称位置。金属反射层的厚度大于入射波的趋肤深度，介质层选用低介电常数材料，顶层材料选用狄拉克半金属。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于狄拉克半金属的太赫兹可调吸波器，其特征是：它是一种三层结构器件，从上到下依次是图案化的狄拉克半金属层1，中间介质层2和基底金属反射板3，三层结构相互贴合。所述周期性狄拉克半金属圆形挖孔结构的横向周期和纵向周期均为P，四个挖孔半圆的圆心位于狄拉克半金属材料圆周上的对称位置。金属反射层的厚度大于入射波的趋肤深度，介质层选用低介电常数材料，顶层材料选用狄拉克半金属。


2.根据权利要求书1所述的一种基于狄拉克半金属的太赫兹可调吸波器，其特征在于其单个结构周期为P＝4.3μm。


3.根据权利要求书1所述的一种基于狄拉克半金属的太赫兹可调吸波器，其特征在于金属基底板设为0.2μm厚，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈明，陈晨，刘厚权，王崇云，赵德平，高文文，张文波，苑立波，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西;45