本发明专利技术公开了一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器，属于电磁超材料技术领域。器件单元包括金属反射层，下聚酰亚胺层、无图案二氧化钒薄膜层、金属/石墨烯复合层、上聚酰亚胺层和图案化二氧化钒层。金属反射层为一层连续的金属金薄膜，金属/石墨烯复合层为双开口的金属金圆环，开口处由石墨烯填充；图案化二氧化钒层由两个具有不同边长的同轴二氧化钒方环嵌套形成。通过温度调节二氧化钒的电导率实现在宽带吸收和宽带极化转换两种功能之间的自由切换，通过电压调制石墨烯的费米能级实现宽带吸收幅度的调节及宽带极化转换率的调节。本发明专利技术具有功能自由切换，吸收幅度和极化转换率动态可调，调制深度大，极化不敏感等优点。不敏感等优点。不敏感等优点。
【技术实现步骤摘要】
一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器
[0001]本专利技术涉及一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器，属于电磁超材料设计
技术介绍
[0002]太赫兹（terahertz，THz）波是指在0.1～10 THz频率范围内，波长在0.03~3 mm之间的电磁波。由于具有独特的光学性质，太赫兹波在生物医学、探测器、太赫兹开关、成像和无线通信中都有着广泛的应用。这些应用不仅需要高效的太赫兹源，更需要高性能的太赫兹器件。但目前，能够操纵太赫兹波的自然材料十分缺乏，使太赫兹器件发展受限。为了这解决这一问题，研究人员开发了人工电磁材料，即超材料(metamaterial)，它是由亚波长金属或介电块周期性阵列组成，打破了传统材料的边界。超材料能够产生许多天然材料所不具备的电磁特性，进而将太赫兹技术推向研究前沿。此后，各种基于超材料的太赫兹器件层出不穷，但是器件在制造后不容易改变尺寸大小，只具有单一功能及固定的工作频率，逐渐无法满足应用领域日益增长的技术需求。
[0003]因此，为了实现可调谐性或多功能性，在超材料的设计中引入了活性材料，如：二氧化钒、石墨烯等。石墨烯是一种二维薄膜，由六边形晶格中的碳原子周期性阵列组成，其电导率可以通过改变化学掺杂或栅极电压在宽频率范围内动态调整。二氧化钒是一种性能优异的相变材料，它可以在约340 K时实现从绝缘状态到金属状态的转变，带来物理性质的变化。在340 K以下，二氧化钒作为绝缘体具有单斜结构。一旦温度高于340 K，二氧化钒的原子重排进而转变为具有四方晶格的金属相。这种转变可以由外部激发光和热辐射触发，并且可以在皮秒范围内实现多个数量级的电导率变化。在已有的报道中，基于石墨烯和二氧化钒的超材料器件开发更多聚焦于窄带或多频带，对于宽带可调谐太赫兹超材料器件，特别是具有高调制深度的器件则较为匮乏。而且，绝大多数器件只具有单一功能，很大程度上限制了器件的更广泛应用。目前，需要开发兼备多功能性和可调谐性的太赫兹超材料器件。
技术实现思路
[0004]本专利技术提供一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器。通过温度调节二氧化钒的电导率，实现宽带吸收和宽带极化转换两种功能之间的自由切换；同时，通过电压调节石墨烯的费米能级，实现吸收幅值和极化转换率的动态调节。
[0005]本专利技术采用的技术方案是，设计了一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器。该器件由六层结构组成，从底层至顶层依次为金属反射层（1），下聚酰亚胺层（2），无图案二氧化钒薄膜层（3），金属/石墨烯复合层（4），上聚酰亚胺层（5）和图案化二氧化钒层（6）。金属反射层（1）为一层连续的金属金薄膜，金属/石墨烯复合层（4）为双开口的金属金圆环，开口处由石墨烯填充。图案化二氧化钒层（5）由两个具有不同边长的同轴二氧化钒方形环嵌套组成。
[0006]进一步地，所述金属反射层（1）的电导率为4.5
×
107S/m。
[0007]进一步地，所述下聚酰亚胺层（2）和上聚酰亚胺层（5）为的介电常数为ε=3.5。
[0008]进一步地，所述二氧化钒材料在金属相时的电导率为3
×
105S/m；在绝缘相时的电导率为20 S/m。
[0009]进一步地，所述二氧化钒材料的外部激励为温度，石墨烯材料的外部激励为电压。
[0010]进一步地，二氧化钒的介电常数在太赫兹波段由Drude模型描述为：上式中，ω是入射角频率，ε
∞
=12是高频介电常数，γ=5.75
×
10
13
rad/s是碰撞频率，ω
p
(σ)是等离子体频率。σ是二氧化钒的电导率，与其等离子体频率之间的关系为：其中σ0=3
×
10
5 S/m，ω
p
(σ)=1.4
×
10
15 rad/S。
[0011]进一步地，石墨烯的表面电导率可近似描述为：其中ω，T,τ和E
f
分别是太赫兹波的弧度角频率、温度、弛豫时间和费米能级。
[0012]本专利技术的有益效果是，所述的一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器兼备多功能和可调谐性，且极化不敏感。吸收和极化转换功能可自动切换，工作频带宽；吸收幅值和极化转换率可连续动态调控，调制深度大。
附图说明
[0013]图1是实施例1中基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器的结构示意图；
[0014]图2为实施例1器件作为宽带吸收器时的吸收曲线；
[0015]图3为实施例1器件作为宽带极化转换器时的极化转换率曲线；
[0016]图4是二氧化钒电导率从3
×
105S/m变化到20 S/m时，器件从宽带吸收器切换成宽带极化转换器的功能切换曲线；
[0017]图5为石墨烯费米能级从0 eV变化到1 eV时，宽带吸收器吸收幅度的变化曲线；
[0018]图6为石墨烯费米能级从0 eV变化到1 eV时，宽带极化转换器极化转换率的变化曲线。
具体实施方式
[0019]下面结合附图，对本专利技术的目的、设计方案以及优势进行详细完整的阐述。需要说明的是，此处仅通过描述具体实施例来解释本专利技术，并不代表对本专利技术保护范围的任何限定。
[0020]实施例1
[0021]本实施例提供的一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器由六层结构组成，从底层至顶层依次为金属反射层（1），下聚酰亚胺层（2），无图案二氧化钒薄膜层
（3），金属/石墨烯复合层（4），上聚酰亚胺层（5）和图案化二氧化钒层（6）。金属/石墨烯复合层为双开口的金属金圆环，开口处由石墨烯填充；图案化二氧化钒层由两个具有不同边长的同轴二氧化钒方环嵌套形成，如附图1所示。
[0022]单元结构的周期P为100
µ
m；金属反射层（1）的厚度为0.6
ꢀµ
m；下聚酰亚胺层（2）和上聚酰亚胺层（5）的厚度均为28
ꢀµ
m；无图案二氧化钒薄膜层（3）、金属/石墨烯复合层（4）和图案化二氧化钒层（6）的厚度均为0.1
ꢀµ
m；金属/石墨烯复合层（4）的外半径为40
ꢀµ
m，内半径为34
ꢀµ
m, 开口长度为8
ꢀµ
m；图案化二氧化钒层（6）的外方环边长为60
ꢀµ
m，宽度为2
ꢀµ
m，内方环边长为50
ꢀµ
m，宽度为9
ꢀµ
m。
[0023]当电导率为3
×
105S/m时，二氧化钒为金属相，二氧化钒薄膜层（3）、图案化石墨烯层（4）；上聚酰亚胺层（5）和图案化二氧化钒层（6）共同构成宽带吸收器。由于无图案二氧化钒薄膜层（3）的厚度远远大于其在太赫兹频率下的趋肤深度，因此器件的透射率几乎为0。如附图2所示，器件本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器，其特征在于：基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器由六层结构组成，从底层至顶层依次为金属反射层（1），下聚酰亚胺层（2），无图案二氧化钒薄膜层（3），金属/石墨烯复合层（4），上聚酰亚胺层（5）和图案化二氧化钒层（6）组成。金属反射层（1）为一层连续的金属金薄膜，金属/石墨烯复合层（4）为双开口的金属金圆环，开口处由石墨烯填充。图案化二氧化钒层（5）由两个具有不同边长的同轴二氧化钒方形环嵌套组成。2.根据权利要求1所述的一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器，其特征在于：所述金属反射层（1）选择电导率为4.5
×
10
7 S/m的金属金材料，厚度为0.6
ꢀµ
m。3.根据权利要求1所述的一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器，其特征在于：所述下聚酰亚胺层（2）和上聚酰亚胺层（5）均为介电常数ε=3.5的介电材料，两层聚酰亚胺层的厚度均为28
µ
m。4.根据权利要求1所述的一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器，其特征在于：所述二氧化钒薄膜层（3）和图案化二氧化钒层（6）中二氧化钒在金属相时电导率为3
×
10
5 S/m；在绝缘相时电导率为20 S/m。5.根据权利要求1所述的一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器，其特征在于：所述金属/石墨烯复合层（4）是由金属金形成的双开口圆环，双开口位于45度方向，并由石墨烯填充。圆环的外半径为40
ꢀµ
m，内半径为34
ꢀµ
m, 开口长度为8
ꢀµ
m。6.根据权利要求1所述的一种基于温度和电压调制的太赫兹宽带吸波/极化转换器，其特征在于：所述图案化二氧化钒层（6）由两个具有不同边长的同轴二氧化钒方环嵌套构成，外方环边长为60
ꢀµ
...
【专利技术属性】
技术研发人员：张颖，董天俐，李悠，唐雨培，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：
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