一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器及可调谐太赫兹器件制造技术

本发明专利技术涉及电磁超材料领域，特别是一种石墨烯‑二氧化钒超材料吸收器及可调谐太赫兹器件。该超材料吸收器具有多层结构，按照自上至下的结构顺序，超材料吸收器包括：二氧化钒谐振器阵列、连续石墨烯层、Topas介质层，以及金属层。其中，二氧化钒谐振器阵列包括沿水平面呈阵列排布的多个由二氧化钒材料制备的谐振器单元，谐振器单元呈一体式的工字型，每个谐振器单元与水平面的X轴方向具有小于90°的夹角。连续石墨烯层由单层碳原子排列构成；二氧化钒谐振器阵列贴合在连续石墨层的上表面。Topas介质层位于连续石墨烯层下方。金属层位于Topas介质层下方。该器件克服了传统超材料吸收器可调谐性差，功能单一，性能指标不足的缺点。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器及可调谐太赫兹器件
本专利技术涉及电磁超材料领域，特别是一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器及可调谐太赫兹器件。
技术介绍
超材料(Metamaterials,MMs)是一种由周期性排列的亚波长单元组成的人工复合材料，具有自然材料所不具备的超常电磁性质，例如负折射率、电磁诱导透明(EIT)、逆多普勒效应等。近些年来，超材料由于这些特殊的电磁性质逐渐成为了研究热点，在生物成像、电磁隐身、完美透镜和无线通信等领域具有广阔的应用前景。2008年，Landy等人提出基于电磁超材料的吸收器，首次实现了对特定电磁波的完美吸收。此后，研究人员设计出了不同吸波频段的超材料吸收器，包括微波段、太赫兹波段、红外波段以及可见光波段。但是，目前大部分的超材料吸收器的结构一旦制备成型，它的吸收性能便不再改变，只能实现对固定频段的电磁波的吸收，难以满足复杂多变的电磁环境的要求，因此对于主动可调谐超材料吸收器的开发需求日益迫切。目前，在技术上可通过改变温度、外加光泵或施加电场等方式改变材料的电导率和介电常数，从而实现吸收器工作频率、吸收率的主动调节。在这一基础上，石墨烯和二氧化钒(VO2)因具有特殊的性质而被人们广泛关注。其中，石墨烯的电导率与其自身费米能级有关，因此可以通过外加偏置电压或化学掺杂等方式改变石墨烯的费米能级，从而实现对基于石墨烯的超材料吸收器进行动态调谐。2016年，Yao等人设计出了一种双频段超材料完美吸收器。该吸收器由椭圆形纳米圆盘石墨烯结构和由SiO2质隔开的金属层组成，可以通过外加电压方式控制石墨烯的费米能级实现共振频率的调节。二氧化钒是一种热控相变材料，它的电导率在相变过程中会发生巨大突变。当低于临界温度(68℃)时二氧化钒表现为绝缘体，而高于临界温度时表现出金属特性。因此，可利用这一特性对二氧化钒进行加热，对入射电磁波的吸收进行调控。2019年，Song等人提出了基于二氧化钒超材料的太赫兹宽频吸收器。通过调节温度来改变二氧化钒电导率，当其电导率从10S/m增加到2000S/m时，吸收率可从30％连续调整到近乎100％。然而，由于材料和结构设计的局限，目前大多数的超材料吸收器都只利用石墨烯或二氧化钒中一种材料的特性，难以同时实现对超材料的工作频率与吸收振幅的双重调控。同时，不同的结构设计和产品的几何参数对最终超材料吸收器的吸波性能也存在很大的不确定性影响。超材料吸波器的工作带宽和吸收性能是性能评价的重要指标；因此如何设计一种性能更佳且具有高度可调谐性能的多功能太赫兹器件，提高产品在不同频段和不同工作状态下的性能，成为本领域技术人员研究的热点。
技术实现思路
为克服现有技术中的问题，本专利技术提供了一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器及可调谐太赫兹器件，该器件克服了传统超材料吸收器可调谐性差，功能单一，性能指标不足的缺点。本专利技术的提供的技术方案如下：一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器，该超材料吸收器具有多层结构，按照自上至下的结构顺序，超材料吸收器包括：二氧化钒谐振器阵列、连续石墨烯层、Topas介质层，以及金属层。其中，二氧化钒谐振器阵列包括沿水平面呈阵列排布的多个谐振器单元，谐振器单元由二氧化钒材料制备而成；谐振器单元呈一体式的工字型，包括第一横板、第二横板和中间条带；第一横板和第二横板长度相等且相互平行，中间条带两端分别与第一横板和第二横板的中点固定连接；第一横板、第二横板和中间条带的高度均相等，三者的宽度也均相等；二氧化钒谐振器阵列中，每个谐振器单元的中间条带的延伸方向与水平面的X轴方向具有小于90°的夹角。连续石墨烯层由单层碳原子排列构成；二氧化钒谐振器阵列贴合在连续石墨烯层的上表面。Topas介质层位于连续石墨烯层下方，连续石墨烯层贴合在Topas介质层上表面。金属层位于Topas介质层下方，Topas介质层贴合在金属层表面。进一步地，二氧化钒谐振器阵列中，两个相邻的谐振器单元中相同位置的间距为谐振器单元的结构单元周期P；超材料吸收器中，谐振器单元的结构单元周期为P＝30μm。进一步地，谐振器单元的厚度为T1；谐振器单元的中间条带的长度为L1；谐振器单元中第一横板和第二横板的长度均为L2；谐振器单元的中间条带、第一横板、第二横板的宽度均为W；谐振器单元中，T1的取值范围为0.1-2μm，L1的取值范围为14-23μm，L2的取值范围为10-13μm，W的取值范围为1-1.5μm。进一步地，Topas介质层的材料相对介电常数ε1＝2.35，Topas介质层的厚度T3＝14.5μm。进一步地，金属层中，金属材料的电导率范围不小于200000S/m；金属层的厚度T4的取值范围为0.1-0.5μm。进一步地，二氧化钒谐振器阵列中，每个谐振器单元的中间条带的延伸方向与水平面的X轴方向的夹角为45°，谐振器单元的结构单元周期为P＝30μm；谐振器单元中：T1＝2μm，L1＝23μm，L2＝13μm，W＝1μm；连续石墨烯层中：厚度T2＝1nm；Topas介质层中，ε1＝2.35，T3＝14.5μm；金属层中：金属材料选择电导率为σ＝4.5e+07S/m的贵金属材料金，T4＝0.3μm。本专利技术还包括一种可调谐太赫兹器件，该可调谐太赫兹器件包括：超材料吸收器、温度控制模块，以及电路模块。超材料吸收器采用如前述石墨烯-二氧化钒超材料吸收器，超材料吸收器用于进行电磁波吸收。其中，可调谐太赫兹器件通过调节连续石墨烯层中石墨烯的费米能级和表面电导率，实现对超材料吸收器的工作频带的动态调谐；可调谐太赫兹器件通过调节二氧化钒谐振器阵列中二氧化钒材料的电导率，实现超材料吸收器对同一频带内电磁波的吸收率的动态调谐。温度控制模块用于调节超材料吸收器的环境温度，使得超材料吸收器中谐振器单元的二氧化钒材料产生可逆相变，进而调节二氧化钒材料的电导率。电路模块用于向超材料吸收器中的连续石墨烯层施加偏置电压，进而调节石墨烯的费米能级和表面电导率。进一步地，超材料吸收器的连续石墨烯层中，石墨烯的费米能级Ef与施加偏置电压Vbias之间的关系为：上式中，表示约化普朗克常数，取值为Vf表示费米速度，取值为Vf＝1×106m/s；a0表示电容常数，取值为a0＝9×1016m-2v-1；石墨烯的表面电导率σ与石墨烯的费米能级Ef之间的关系为：上式中，ω表示太赫兹波角频率，e表示电子的电荷量，i表示虚数单位；τ表示弛豫时间。进一步地，超材料吸收器中连续石墨烯层的石墨烯费米能级发生变化时，可调谐太赫兹器件的工作频率发生蓝移。进一步地，超材料吸收器中谐振器单元的二氧化钒材料电导率发生变化时，可调谐太赫兹器件的工作状态在反射器和吸收器之间切换。本专利技术提供的一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器及可调谐太赫兹器件，具有如下有益效果：本专利技术重新设计了超材料吸收器的结构，并采用石墨烯基和二氧化钒基材料，实现对石墨烯费米能级和二氧化钒电导率的单独可调，进一步实现超材料吸收本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器，其特征在于，所述超材料吸收器具有多层结构，按照自上至下的结构顺序，所述超材料吸收器包括：/n二氧化钒谐振器阵列，其包括沿水平面呈阵列排布的多个谐振器单元，所述谐振器单元由二氧化钒材料制备而成；谐振器单元呈一体式的工字型，包括第一横板、第二横板和中间条带；第一横板和第二横板长度相等且相互平行，中间条带两端分别与第一横板和第二横板的中点固定连接；所述第一横板、第二横板和中间条带的高度均相等，三者的宽度也均相等；所述二氧化钒谐振器阵列中，每个谐振器单元的中间条带的延伸方向与水平面的X轴方向具有小于90°的夹角；/n连续石墨烯层，其由单层碳原子排列构成；所述二氧化钒谐振器阵列贴合在所述连续石墨烯层的上表面；/nTopas介质层，其位于所述连续石墨烯层下方，所述连续石墨烯层贴合在Topas介质层上表面；以及/n金属层，其位于所述Topas介质层下方，所述Topas介质层贴合在金属层表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯-二氧化钒超材料吸收器，其特征在于，所述超材料吸收器具有多层结构，按照自上至下的结构顺序，所述超材料吸收器包括：
二氧化钒谐振器阵列，其包括沿水平面呈阵列排布的多个谐振器单元，所述谐振器单元由二氧化钒材料制备而成；谐振器单元呈一体式的工字型，包括第一横板、第二横板和中间条带；第一横板和第二横板长度相等且相互平行，中间条带两端分别与第一横板和第二横板的中点固定连接；所述第一横板、第二横板和中间条带的高度均相等，三者的宽度也均相等；所述二氧化钒谐振器阵列中，每个谐振器单元的中间条带的延伸方向与水平面的X轴方向具有小于90°的夹角；
连续石墨烯层，其由单层碳原子排列构成；所述二氧化钒谐振器阵列贴合在所述连续石墨烯层的上表面；
Topas介质层，其位于所述连续石墨烯层下方，所述连续石墨烯层贴合在Topas介质层上表面；以及
金属层，其位于所述Topas介质层下方，所述Topas介质层贴合在金属层表面。


2.如权利要求1所述的石墨烯-二氧化钒超材料吸收器，其特征在于：所述二氧化钒谐振器阵列中，两个相邻的谐振器单元中相同位置的间距为谐振器单元的结构单元周期P；所述超材料吸收器中，谐振器单元的结构单元周期为P＝30μm。


3.如权利要求1所述的石墨烯-二氧化钒超材料吸收器，其特征在于：所述谐振器单元的厚度为T1；谐振器单元的中间条带的长度为L1；谐振器单元中第一横板和第二横板的长度均为L2；谐振器单元的中间条带、第一横板、第二横板的宽度均为W；所述谐振器单元中T1的取值范围为0.1-2μm，L1的取值范围为14-23μm，L2的取值范围为10-13μm，W的取值范围为1-1.5μm。


4.如权利要求1所述的石墨烯-二氧化钒超材料吸收器，其特征在于：所述Topas介质层的材料相对介电常数ε1＝2.35，Topas介质层的厚度T3＝14.5μm。


5.如权利要求1所述的石墨烯-二氧化钒超材料吸收器，其特征在于：所述金属层中，金属材料的电导率范围不小于200000S/m；金属层的厚度T4的取值范围为0.1-0.5μm。


6.如权利要求1-5中任意一项所述的石墨烯-二氧化钒超材料吸收器，其特征在于：所述二氧化钒谐振器阵列...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鑫，王俊林，刘苏雅拉图，
申请(专利权)人：内蒙古大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15