一种基于石墨烯材料的高效可调的太赫兹吸波器件的制作方法

本发明涉及一种基于石墨烯材料作为表面等离子体材料的高效、可调太赫兹吸波器件，属于石墨烯材料在太赫兹波段应用领域。

背景技术：

太赫兹波在电磁光谱中位于微波和红外光之间，波长从30μm到3mm，由于其在各个领域，包括生物传感、成像、医疗、通讯等方面有着广泛的应用，近年来一直受到人们的关注和研究。然而随着太赫兹技术应用的快速发展，在一些特殊情况下还需要避免受到太赫兹辐射的影响。尽管大多数介质对太赫兹辐射都或多或少有些损耗，但是它们都不能在很短的距离内完全吸收太赫兹波。因此对于能够实现高效的太赫兹吸波器件的需求与日俱增，因为这不仅在学术应用，在军事和医疗领域也有深远的意义。

到目前为止大多数报道的太赫兹吸波器件基本都是基于由两种不同的金属与介质隔离层组成的超材料结构吸波器。尽管这些超材料结构吸波器件能够实现高效的吸收，但是金属超材料结构如果要实现吸波性质的可调只能够去改变材料的几何参数，然而这些超材料的结构在实验上一旦固定下来就很难实现可调性。目前在光波段使用金属表面等离子体纳米结构来提高对光的吸收效率和提高薄膜光伏设备的性能方面已经有所研究，但在太赫兹波段由于作为常用的表面等离子体材料的金属的介电常数虚部非常大从而不能直接支持表面等离子体，也限制了表面等离子体在太赫兹吸波方面的应用。

本发明充分考虑到了实际加工的可操作性，结构难易等要求提出了一种基于石墨烯材料作为表面等离子材料的太赫兹波段的吸波器件。其基本原理是：由于石墨烯超薄的性质，表面波很容易透射入石墨烯中，因此石墨烯能够在太赫兹波段支持表面等离子体激元，因为石墨烯的相对介电常数实部在太赫兹波段为负数，表现为金属的性质，从而能够实现太赫兹波段的表面等离子体模式，同时其虚部比实部小的多，代表了其损耗要比金属小很多，更为重要的是石墨烯的性质还可以通过外加电压的方法去调节。作为新型的石墨烯材料，其加工技术也得到了广 大科研工作者的研究变得日趋的成熟，最常用的加工技术是氧化石墨还原法，故本发明器件在太赫兹实际应用中也有着一定的前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单，易于加工，吸收高效稳定，易于可调，能够在实际中的太赫兹波段吸波器件。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：一种基于石墨烯材料的高效可调的太赫兹吸波器件，该器件由一层金属铜材料反射基底层、一层二氧化硅衬底层、一层石墨烯中间层¹、一层二氧化硅中间层²和一层金属条带顶层由下往上叠置而成的具有一维周期性的五层结构，周期为25μm。

本技术方案中的高效可调的太赫兹吸波器件以石墨烯材料为基础，可以通过氧化石墨还原法来制作，器件的加工还包括光刻及刻蚀技术。本发明所述的石墨烯材料选用的化学势能在0.1ev～0.2ev的低化学势，这在实验上进行参杂也是很容易去实现的。

金属反射衬底层为金属铜材料，厚度为2μm。

衬底层为二氧化硅材料，其厚度为4μm。

中间层¹为石墨烯材料，厚度为0.34nm

中间层²为二氧化硅材料，厚度为0.5μm～1μm

条带顶层为金属铜材料，厚度为2μm，长度为5μm～8μm。其作用是与下方的中间层¹石墨烯形成天线结构，支持金属-介质-金属型(metal-insulator-metal)表面等离子体模式。其顶层金属宽度w可根据所需工作频率调节，除此之外我们还可以用外加电压的方法去调节结构的吸收性质，具有很强的可调性，适用于高效可调的吸收。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)天线结构实现对太赫兹信号的高效吸收，吸收效率接近100％，吸收峰易于可调。

(2)吸波器件采用一维周期性结构，结构简单紧凑，便于大规模集成，发展多元吸波器件。

(3)结构的吸收峰不仅可以通过几何参数例如铜条宽度去调节还可以通过外加电压的方法去调节，体现了可调方式的多样性和易于可调的特点。

附图说明

图1是本发明一种基于石墨烯材料的高效可调太赫兹吸波器件结构单元示意图。

图2是本发明结构周期在25μm时不同宽度金属材料铜条带顶层的吸波器件的太赫兹波吸收谱。

图3是本发明结构周期在25μm，金属铜条带顶层宽带为8μm时不同中间层²的二氧化硅厚度的吸波器件的太赫兹波吸收谱。

图4是本发明结构周期在25μm，金属铜条带顶层宽带为8μm，中间层²的二氧化硅厚度为0.5μm时，不同的中间层¹的石墨烯化学势能的吸波器件的太赫兹波吸收谱。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一：

附图1为本吸波器件结构单元示意简图。周期为p的金属反射衬底层1上叠加一层厚度为h的二氧化硅做衬底层2，上层再叠加一层厚度为0.34nm的石墨烯层3，上层再叠加一层厚度为t的二氧化硅中间层4，最上层叠加一层宽度为w厚度为d的条带层5而构成五层结构。太赫兹光束垂直入射到结构上面，由于衬底层1对太赫兹辐射是不透明的，可以看到结构的吸收率只跟结构的反射率有关。当中间层3采用石墨烯材料时，这样一种石墨烯-二氧化硅-金属三层结构类似于光波段的金属-介质-金属型结构，此时这种三层的结构就类似于间隙等离子体谐振器，从而支持间隙表面等离子模式。金属反射层1是为铜材料，周期为25μm，厚度为2μm。二氧化硅衬底层2为二氧化硅材料，其厚度t为4μm。中间层3为石墨烯材料，厚度仅仅为0.34nm。中间层4为二氧化硅材料，厚度为0.5μm～1μm。条带顶层5为金属铜材料，厚度d为2μm，宽度w为5μm～8μm。

图2是通过有限元方法模拟计算得到的该结构周期p在25μm时不同宽度顶层金属铜材料条带的太赫兹波吸收谱。从图中可以明显的看到四个不同的铜条的宽度范围从5μm到8μm对应了四条完全不同的吸收光谱。这说明了其吸收的波长对于该结构铜条的宽度是相当敏感的，也可以说是该结构的吸收带的中心波长 可以由宽度w所决定，因此我们可以很轻易的通过去调节铜条的宽度去调节结构的吸收波长。随着铜条宽度的增加从5μm到8μm，该结构的吸收光谱出现了红移，主要是因为石墨烯表面等离子体有效波长的增加，因此吸收峰都向波长较长部分移动。另一方面，调整铜条的宽度w，该超材料的吸收效率都接近100％，没有多大的改变，一方面表明了该结构能对太赫兹波进行高效的吸收，另一方面说明了间隙等离子体模式主要是和石墨烯和铜条之间的介质厚度有着很大的关系。因此，我们固定了顶层铜条的宽度，改变了中间层²二氧化硅层的厚度对吸收峰的影响，和传统的光波段的金属-介质-金属型(metal-insulator-metal)等离子体结构一样，我们在太赫兹波段所提出的金属-介质-石墨烯结构对中间介质层的厚度t也是非常的敏感。如图3所示，随着二氧化硅层厚度t从0.5μm增加到1μm，由于结构间隙的增大，吸收峰值出现了明显的蓝移。从图中可以看出二氧化硅层的厚度t越小，吸收的峰值越大。之所以会有这么高的吸收峰值是因为在金属条和石墨烯带之间的等离子体的近场耦合，间隙越小耦合则越强，把电磁场能量都约束在了中间层的介质中。

最后，石墨烯吸波结构的主要的特性是易于可调，除了改变几何参数去调整吸收峰值外，我们还可以通过外加电压的方法去调整该该结构的吸波性能。如图4所示，我们计算分析了吸收光谱在不同的化学势能下的变化情况。吸收光谱的吸收频率随着化学势能的升高出现了蓝移的现象，通过微弱地调整化学势能，吸波器的吸收频率调整的范围可以达到20％左右。通过在石墨烯上施加电压，石墨烯的化学势能就会产生变化从而其电导率就可以相应的调节。在调节的范围内，吸收的效率也没有改变多少，几乎是达到了完美的吸收。只是在高频部分吸收的峰值有稍微的下降，这也体现了石墨烯材料的吸收器具有易于可调性的同时还具有高效吸波的特性。易于可调性，这对于太赫兹波段的吸波器来说是一个非常重要的应用，我们相信我们所设计的结构必定会在未来得到一定的应用。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。