一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器的制作方法

本发明涉及太赫兹技术领域，具体涉及一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器。

背景技术：

太赫兹波是介于微波与红外波段之间频谱范围的电磁波谱。太赫兹波具有一些独特的性质：一、太赫兹波和微波一样对很多非极性物质穿透力强，如纸箱、塑料和布料等，因此太赫兹波可以对隐藏物进行检测；二、太赫兹波的波长比微波波长短，这样太赫兹波在成像方面拥有更高的空间分辨率；三、太赫兹波的光子能量比较低(1thz～4mev)不会对生物组织造成损伤。与太赫兹波相比，x射线的光子能量在kev范围，可能会对生物组织造成遗传性损伤和皮肤癌。四、由于大分子的振动和转动能级大多在太赫兹波段，通过太赫兹时域光谱技术可以获得它们的光谱信息，进而通过特征频率对它们的物质结构、物性进行分析和鉴定。

正是由于这些性质决定了太赫兹波在通信(宽带通信)、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学成像(无标记的基因检查、细胞水平的成像)、无损检测、安全检查(生化物的检查)等领域具有重要的应用。太赫兹成像技术和太赫兹波谱技术由此构成了太赫兹应用的两个主要关键技术。近年来，太赫兹波产生源与太赫兹波检测被公认为是制约太赫兹技术发展的两大关键问题。而太赫兹波的吸收和能量捕获是实现太赫兹检测的基础，也是太赫兹波标定、调控、转换和应用的核心问题。因此，的研发将有利于太赫兹技术的发展。而现存的普遍存在着结构复杂、吸收率低、结构尺寸大、难集成等缺点。针对以上缺点，本发明设计了一种具有双频吸收、高吸收率、宽入射角、结构简单、易于集成等优点的双频太赫兹。

技术实现要素：

本发明提供了一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器。

本发明的目的是这样实现的：该超表面吸波器由多个吸波器单元构成，吸波器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜(1)，中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)组成，底层金属薄膜(1)、中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)之间相互贴合。所述底层金属薄膜(1)是全金属薄膜，顶层石墨烯薄膜(3)是图案化的单层石墨烯，所述图案化单层石墨烯的几何中心、中间介质层(2)的几何中心以及底层金属薄膜(1)的几何中心在一条直线上。

所述的每个单元的横剖面都为正方形，其边长p为2.1微米。

所述底层金属薄膜(1)的厚度d为0.5微米，由金、银、铜或铝中的一种制成。

所述的中间介质层(2)是二氧化硅，其厚度t为3.6微米，相对介电常数为3.9。

所述的单层石墨烯结构进行图案化；所述图案是由四个几何形状完全相同的菱形和一个圆盘组成；所述四个菱形呈上下、左右镜像对称方式布置；所述四个菱形长对角线所对应的两个顶角中的一个顶角正对于中间介质层的四个边的中点，另一个顶角的顶点与圆盘的几何中心、中间介质层(2)的几何中心以及底层金属薄膜(1)的几何中心在一条直线上。

所述的菱形的两条对角线长l1和l2分别为1.0微米和0.7微米，圆盘的半径r为0.2微米。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1.超表面吸波器的顶层采用一个图案化的单层石墨烯，结构简单，紧凑，完美对称，易于实现，还可以使具有极化不敏感特性；

2.本发明提出的超表面吸波器，可以在6～16thz的频率范围内实现两个吸收峰，且都具有近乎完美的吸收率；

3.入射角在0°～50°范围内，本发明仍能保持良好的吸收效果。

附图说明

图1：基于石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器三维结构示意图。

图2：基于石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器主示意图。

图3：基于石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器仰视示意图。

图4：基于石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器性能曲线图。

图5：tm模式下，0°～70°入射时基于石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器性能图。

图6：te模式下，0°～70°入射时基于石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器性能图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如图1～3所示，一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器，包括沿平面连续设置的多个吸波单元。吸波器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜(1)，中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)组成，底层金属薄膜(1)、中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)之间相互贴合。所述底层金属薄膜(1)是全金属薄膜，顶层石墨烯薄膜(3)是图案化的单层石墨烯，所述图案化单层石墨烯的几何中心、中间介质层(2)的几何中心以及底层金属薄膜(1)的几何中心在一条直线上。

当多个吸波单元沿平面连续设置时，底层金属薄膜1和中间损耗介质2均连为一体，而顶层石墨烯薄膜(3)之间则相互隔离，使各个吸收单元独立工作。

作为实施例，每个吸波单元的三层结构各尺寸参数如下：晶格周期p＝2.1微米，顶层石墨烯薄膜(3)是图案化的单层石墨烯，所述图案化的单层石墨烯是由四个几何形状完全相同的菱形和一个圆盘组成；所述的菱形的两条对角线长l1和l2分别为1.0微米和0.7微米，圆盘的半径r为0.2微米；所述的顶层石墨烯薄膜(3)的厚度为1纳米；所示的底层金属薄膜(1)采用金，其厚度d为0.5微米；所示的中间介质层(2)是二氧化硅，其厚度t为3.6微米，相对介电常数为3.9。

本实施例所述的一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器的吸收率定义为a＝1-r-t，式中r为反射率，t为透射率。为了使吸收率最大化，要求在整个频率范围内反射率和透射率尽可能的小。本发明设计的吸波单元的底层为全金属膜(1)，电磁波不能透射，透射率趋近于零，因此吸收率计算公式可简化为a＝1-r。

本实施例在电磁波正入射下的仿真结果如图4所示，该仿真结果由cstmicrowavestudio软件计算得到。由图可知，当在石墨烯层和基底金属层之间给供电压时，在10.39thz和12.40处，该对太赫兹的吸收率均在99.45％以上，实现了双频带高吸收率。

本实施例在tm模式和te模式下，0°～70°入射时基于石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器性能如图5和图6所示。从图中可以看出本发明提出的吸波器在tm模式和te模式下的入射电磁波在角度0°～50°范围内具有良好的角度不依赖的吸收特性，而且吸收率均可保持在90％以上。由此可见，本实施例是一种性能良好的双频带、高吸收率的超表面吸波器。

技术特征：

1.一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器，其特征在于：该超表面吸波器由多个吸波器单元构成，吸波器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜(1)，中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)组成，底层金属薄膜(1)、中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)之间相互贴合，所述底层金属薄膜(1)是全金属薄膜，顶层石墨烯薄膜(3)是图案化的单层石墨烯，所述图案化单层石墨烯的几何中心、中间介质层(2)的几何中心以及底层金属薄膜(1)的几何中心在一条直线上。

2.根据权利要求1所述的一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器，其特征在于：所述每个吸波器单元的横剖面都为正方形，其边长p为2.1微米。

3.根据权利要求1所述的一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器，其特征在于：所述底层金属薄膜(1)的厚度d为0.5微米，由金、银、铜或铝中的一种制成。

4.根据权利要求1所述的一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器，其特征在于：中间介质层(2)是二氧化硅，其厚度t为3.6微米，相对介电常数为3.9。

5.根据权利要求1所述的一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器，其特征在于：所述的单层石墨烯结构进行图案化；所述图案是由四个几何形状完全相同的菱形和一个圆盘组成；所述四个菱形呈上下、左右镜像对称方式布置；所述四个菱形长对角线所对应的两个顶角中的一个顶角正对于中间介质层的四个边的中点，另一个顶角的顶点与圆盘的几何中心、中间介质层(2)的几何中心以及底层金属薄膜(1)的几何中心在一条直线上。

6.根据权利要求5所述的一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器，其特征在于：菱形的两条对角线长l1和l2分别为1.0微米和0.7微米，圆盘的半径r为0.2微米。

技术总结
本实用新型提供的是一种石墨烯超表面的双频带太赫兹吸波器。该超表面吸波器由多个吸波器单元构成，吸波器单元由自下而上依次设置的底层金属薄膜(1)，中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)组成，底层金属薄膜(1)、中间介质层(2)和顶层石墨烯薄膜(3)之间相互贴合。所述底层金属薄膜(1)是全金属薄膜，顶层石墨烯薄膜(3)是图案化的单层石墨烯，所述图案化单层石墨烯的几何中心、中间介质层(2)的几何中心以及底层金属薄膜(1)的几何中心在一条直线上。本实用新型具有高吸收率、宽入射角度、极化不敏感等优点。

技术研发人员：胡丹;王红燕;朱巧芬
受保护的技术使用者：安阳师范学院
技术研发日：2019.11.29
技术公布日：2020.09.01