一种基于石墨烯超表面结构的可调谐吸收型传感器结构及其应用的制作方法与工艺

本发明涉及一种基于石墨烯超表面结构的可调谐吸收型传感器结构，是一种中红外波段的单频/双频吸收装置。

背景技术：
红外波段(Infrared)是指波长介于微波与可见光之间的电磁波，波长在760纳米(nm)至1毫米(mm)之间，比红光长的非可见光。红外波具有穿透性强等特点，在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。超表面是一种由超材料结构单元构造的超薄二维阵列平面，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。2011年通过超表面实现反常电磁波透射和反射，从而拓展传统电磁波折射定律的工作在美国《科学》杂志发表后即引起了广泛的关注，通过超表面可实现负折射、负反射、极化旋转、汇聚成像、复杂波束、传播波向表面波转化等新颖物理效应。超表面丰富独特的物理特性及其对电磁波的灵活调控能力使其在隐身技术、天线技术、微波和太赫兹器件、光电子器件等诸多领域具有重要的应用前景。石墨烯(Graphene)作为一种具有蜂窝状二维晶体结构半金属材料，其特殊的特性很快被人们所关注。研究结果显示，单层石墨烯对可见光的吸收率为2.3％，石墨烯层数对吸收率有明显的影响。石墨烯优越的电特性使得其在透光导体、光伏器件、发光设备等方面有十分强大的潜在应用。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于石墨烯超表面结构的可调谐吸收型传感器结构，该结构具有电调谐性能，同时具备环境介电常数可调谐吸收的特性，可以用于材料检测等传感器。为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：一种基于石墨烯超表面结构的可调谐吸收型传感器结构，包括中空上下敞口的极性基体，所述极性基体的中空部由下至上依次填充有导体材料层和半导体材料层，所述半导体材料层填充至与基体口部外缘上表面齐平，由所述半导体材料层、极性基体口部外缘上表面形成的表面上间隔涂覆有条状石墨烯材料层。进一步，所述导体材料层的厚度为1um，所述半导体材料层厚度为2um，所述极性基体的厚度为3um，所述石墨烯材料层的厚度为1nm。所述极性基体的壁厚W2为0.5um。所述条状石墨烯材料层的条数为3个，每条石墨烯材料层的宽度d1为1um，相邻条状石墨烯材料层的间距d2为1um。所述极性基体材质为硝酸钡(Ba(NO3)2)或其他介电常数为5的材料。所述导体材料层为金或银或铜或其它金属材料。所述半导体材料层材质为二氧化钛。一种调谐如上所述石墨烯超表面吸收结构吸收频点的方法，该方法为：对各条状石墨烯材料层加载电压，所加载的电压分别为u1、u2、u3；当选择电压为：u1＝u2＝u3＝0.3eV时，所述石墨烯超表面吸收结构吸收频点分别为29THz,38THz、45THz和48.5THz；吸收率分别为40％，10％，100％，26％。当选择电压为：u1＝u3＝0.8eV,u2＝0.3eV时，所述石墨烯超表面吸收结构吸收频点分别为36THz和45THz；两个吸收频点的吸收率均为100％。本发明提供另一种调谐如上所述石墨烯超表面吸收结构吸收频点的方法，该方法为：选择不同的背景环境，当选择背景环境为空气，即εBG＝1时，所述石墨烯超表面吸收结构吸收频点分别为29THz、37THz、45THz和48.5THz。当选择背景环境为水，即εBG＝1.312时，所述石墨烯超表面吸收结构吸收频点分别为28.9THz、37THz、43.6THz和50THz。当选择背景环境的介电常数εBG＝1.44时，所述石墨烯超表面吸收结构吸收频点分别为28.7THz、37THz、43THz和48.7THz。一种如上所述石墨烯超表面吸收结构在环境检测中的应用。与已有技术相比，本发明有益效果体现在：1、本发明石墨烯超表面吸收结构具有电调谐特性，即在该结构上加载电压时，吸收频段会随电压变化而改变；既可单独调谐，也可实现联调。通过石墨烯表面结构实现电压调控吸收频点的位置及个数。2、本发明石墨烯超表面吸收结构具备环境介电常数可调谐吸收率的特性，可用作材料检测等。附图说明图1是本发明的吸收结构单元正视图及尺寸参数；图2是本发明的吸收结构单元侧视图及尺寸参数；图3是本发明的吸收结构在不同背景环境下对电磁波吸收的仿真结果；图4是本发明吸收结构在不同电压下单对电磁波吸收的调谐特性；附图标记：1导体材料层、2半导体材料层、3极性基体、4条状石墨烯材料层。具体实施方式以下结合附图通过具体实施方式对本发明技术方案做进一步解释说明。如图1、2所示，一种基于石墨烯超表面结构的可调谐吸收型传感器结构，包括极性基体3，该极性基体三为正方体结构，其中心设有一正方体通孔，在正方体通孔中由下至上依次填充有导体材料层1和半导体材料层2，半导体材料层2填充至与基体上表面齐平，由半导体材料层、极性基体上表面形成的表面上间隔涂覆条状石墨烯材料层4。本实施例中，导体材料层1的厚度为1um，半导体材料层厚度为2um，极性基体3的厚度为3um，石墨烯材料层4的厚度为1nm；极性基体(3)的壁厚W2为0.5um,整个结构长宽分别为5um、5um。本实施例中，条状石墨烯材料层4的条数为3个，每条石墨烯材料层4的宽度d1为1um,相邻条状石墨烯材料层的间距d2为1um。本实施例中，极性基体3材质为硝酸钡(Ba(NO3)2)或其他介电常数为5的材料；导体材料层为金或银或铜或其它金属材料；半导体材料层材质为二氧化钛。以下以极性基体3为硝酸钡(Ba(NO3)2)、导体材料层为金、半导体材料层为二氧化钛制作的石墨烯超表面吸收结构为例，对该吸收结构的吸收频点及吸收率做进一步说明。实施例1如图4所示，对石墨烯超表面吸收结构中的各条状石墨烯材料层分加载电压，所加载的电压分别为u1、u2、u3；当选择电压为：u1＝u2＝u3＝0.3eV时，石墨烯超表面吸收结构吸收频点分别为29THz,38THz，45THz和48.5THz，吸收率分别为40％，10％，100％，26％；当选择电压为：u1＝u2＝u3＝0.8eV时，石墨烯超表面吸收结构吸收频点分别为37THz和39THz；吸收率为40％左右；当选择电压为：u1＝u3＝0.3eV,u2＝0.8eV时，石墨烯超表面吸收结构吸收频点分别为30THz、38THz和48THz，吸收率分别为37％，62％和45％左右。当选择电压为：u1＝u3＝0.8eV,u2＝0.3eV时，石墨烯超表面吸收结构吸收频点分别为36THz和45THz；吸收率均接近100％。因此，在本实施例中，可以通过改变石墨烯纳米条的外加电压，实现吸收结构调谐吸收频点的位置及个数，实现单调谐和多调谐吸收。实施例2将石墨烯超表面吸收结构置于不同的背景环境中。如图3所示，当选择背景环境为空气，即εBG＝1时，工作频段选择20-50THz，石墨烯超表面吸收结构在低频段出现两个吸收频点，分别为29THz、37THz，吸收率40％，10％左右，高频段出现一个吸收频点，频率为45THz,吸收率近100％；当选择背景环境为水，即εBG＝1.312时，石墨烯超表面吸收结构吸收频点左移，产生了横移现象，具体情况为：低频段的两个吸收频段28.9、37THz的吸收率为35％、25％左右，高频段出现2个吸收频点，频率分别为43.6THz和50THz，吸收率98.8％和99％。当选择背景环境选择介电常数εBG＝1.44的油时，石墨烯超表面吸收结构吸收频点分继续向左移动，第一吸收频点28.7THz,吸收率为35％，频点变化较小。第二吸收频点37THz处，吸收率为33％，吸收率较前面两种环境略有增加。第三吸收频点43THz，吸收率为97％，吸收频点左移，吸收率略有减小。第四吸收频点48.7THz，吸收率近99％。因此，在本实施例中，可以通过不通背景环境下吸收结构吸收频点的变化，可用于环境(包括液态环境，如水，油等)检测；也可通过改变吸收结构的工作背景环境达到调谐吸收频点的目的。