基於石墨烯表面等離子體的寬帶太赫茲吸波器的製作方法

2023-05-28 02:52:01 2

本發明涉及一種基於石墨烯表面等離子體的寬帶太赫茲吸波器，屬於石墨烯材料在太赫茲波段應用領域。

背景技術：

太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz間的電磁波，在毫米波和紅外線之間，同時具有這兩個波段的部分特性。隨著太赫茲技術在通信、成像、傳感等方面的應用，引起了人們對太赫茲技術的極大關注。目前在自然界中很少有材料可以應用於這一波段，主要是缺少有效的太赫茲源和探測器，近年來為了提高太赫茲探測器件的探測效率和靈敏度，科研人員開始將太赫茲波吸波材料的研究放在至關重要的位置，其中基於超材料的太赫茲吸波材料的研究是一個重要方向，通過改變結構單元的尺寸，可以使材料作用於太赫茲頻段，從而作為一種太赫茲吸波器件。

吸波材料是一種可以將入射到材料表面的電磁波轉換為熱能或其他形式能量的一類材料，可減少電磁波的透射和反射，從而實現對電磁波的吸收。目前典型的吸波器件結構為三明治型：其頂層為周期性超材料圖案，中間是一層非金屬介質材料，底層是不透明的金屬平面。通過調節單元結構的尺寸來調節吸收峰的位置和吸收效率。在太赫茲波段由於作為常用的表面等離子體材料的金屬的介電常數虛部非常大從而不能直接支持表面等離子體，也限制了表面等離子體在太赫茲吸波方面的應用。

相比於傳統的金屬吸波器，本發明提出的基於石墨烯的太赫茲吸波器具有結構簡單，易於加工。由於石墨烯的相對介電常數實部在太赫茲波段為負的，所以在太赫茲波段石墨烯表現出金屬的性質，支持表面等離子體激元。作為新材料的石墨烯，在太赫茲波段所展現出的特性，使其成為吸波材料研究的熱點。

技術實現要素：

本發明設計了一種基於石墨烯表面等離子體的寬帶太赫茲吸波器，提供了一種結構簡單，吸收效率高的寬帶吸波器，吸收效率在90％以上的帶寬為2.2THz，從3.2THz到5.4THz。

為實現上述目的，本發明所採取的技術方案如下：

基於石墨烯表面等離子體的寬帶太赫茲吸波器，該吸波器為三維周期性結構，採用兩層不同尺寸的十字形石墨烯疊加而成。其結構組成自下而上分別為金屬材料金作為反射層，一層二氧化矽襯底，兩層不同尺寸的十字形石墨烯以二氧化矽介質隔開。

本技術方案中的基於石墨烯表面等離子體的寬帶太赫茲吸波器件以石墨烯材料為基礎，可以通過氧化石墨還原法來製作，器件的加工還包括光刻及刻蝕技術，本發明使用兩層不同尺寸的十字形石墨烯為吸收介質。

本發明所述的有益效果是：

1、可實現寬帶太赫茲吸波，吸收帶寬為2.2THz，吸收效率接近100％。

2、本發明所述的寬帶吸波器結構簡單，僅採用兩層十字形石墨烯便可實現寬帶吸收效果。

附圖說明

圖1為該吸波器件的單元結構示意圖

圖2為中間十字形石墨烯層俯視圖

圖3為頂層十字形石墨烯俯視圖

圖4為該吸波器件的吸收效果圖

以上圖片中含有：P＝15μm；h＝2μm；d＝8.5μm；d1＝0.5μm；w＝5.25μm；L＝8.4μmW1＝5.25μm；L1＝6μm；

1：金；2：二氧化矽；3：十字形石墨烯。

具體實施方式

圖1為基於石墨烯表面等離子體的寬帶太赫茲吸波器件的一個單元結構示意圖，採用長和寬為P，厚度h的金作為反射基底，二氧化矽襯底的厚度為d,中間層十字形石墨烯的寬度為w,長度為L，如圖2所示；隔離層二氧化矽的厚度為d1，頂層十字形石墨烯的寬度為w1，長度為L1，如圖3所示；其中二氧化矽的介電常數設為4，且金的厚度遠大於金在太赫茲波段的集膚深度，所以材料金基底可視為完美電導體(PEC)。

該吸波器的工作原理或工作過程可通過如下內容來解釋。本實用新型採用厚度為h＝2μm的金作為基底，由於在太赫茲波段金屬基底的厚度遠大於其集膚深度，所以電磁波不能透射穿過基底，電磁波透射的影響可以忽略不計。在這裡可以採用氧化石墨還原法製作一層厚度為1nm的石墨烯薄膜，再轉移到二氧化矽介質層上，通過掩膜光刻法得到十字形石墨烯陣列。在太赫茲波段，當太赫茲波垂直入射到十字形石墨烯表面時，可以激發十字形石墨烯的表面等離子體激元(SPPs)，產生局域表面等離子體諧振，增強對電磁波的約束。在這裡，十字形石墨烯可看成一個諧振器，如圖2和圖3所示。其諧振條件可由公式2ksppL+2δ＝2pπ來表示，其中kspp為石墨烯表面等離子體波矢，L為諧振腔長度，δ為諧振腔兩端的相位變化，p為整數。當太赫茲波入射到石墨烯表面時，太赫茲能量便被束縛在十字形石墨烯的邊界處，使得吸收增強。通過該公式可知，當十字形石墨烯的諧振腔長度L改變時，石墨烯表面等離子體波矢也會發生變化，從而造成吸收峰值頻率的變化。利用這一思路可知，當採用兩層不同長度的十字形石墨烯陣列時，便可得到不同的吸收峰值，當兩層不同長度的十字形石墨烯疊加在一起時，就可以實現寬帶的展寬。

圖4為採用有限元方法模擬得到的寬帶吸收效果圖。在這裡通過摻雜的方法使得石墨烯的化學勢為1eV，可以看到吸收在90％以上的帶寬為2.2THz,從3.2THz到5.4THz。