基于石墨烯双圆环的宽带电可调吸波器的制作方法

本发明涉及电磁吸波领域，具体涉及一种基于单层石墨烯结构的宽带电可调吸波器。该吸波器结构能实现宽带吸波、吸波范围宽带可调、大角度宽带吸波以及极化不明感的特性，可用于太赫兹波段的传感器设计，太赫兹成像、太赫兹光源等方面。

背景技术：

电磁吸波材料是一类通过降低入射到其上电磁波的反射和透射率，通过内部损耗将电磁波吸收掉，将电磁波能量转化为其他形式能量的材料。因其在太阳能电池、光电探测、电磁隐身、电磁辐射等众多领域有非常重要的应用，得到了研究工作者们的广泛关注。近年来，电磁超构材料作为一种人为可控的亚波长结构材料，为电磁波的调控提供了新的思路。2008年Landy等人首次报道了基于电磁超构材料的完美吸波结构(Landy et al.2008)，提出通过电、磁共振实现结构与空气的阻抗匹配，使得结构反射为零，从而利用结构内部的损耗实现电磁波完美吸收。这种基于共振的超构材料吸波器结构具有尺寸小，共振波段可通过结构尺寸调节等优点，但由于共振响应的本征缺陷，能实现的吸波范围非常窄，在很多的实际应用中并不适用。另外大部分的超构材料吸波结构是由金属作为共振结构单元，这意味着结构一旦加工成型，其性能和响应就固定不变了，这些缺陷大大限制了超构材料吸波结构的实际应用。

增大超材料吸波结构吸收带宽的方法通常有两种：一种是通过多层不同尺寸共振结构的堆积实现带宽的扩展，但这种方法在实际的生产加工中有较大的难度；另一种方法是通过单层不同共振结构的带宽叠加来得到宽带吸收效果。考虑到实际生产的可操作性。

石墨烯是一种电学、光学、热学以及机械性能都非常优异的二维半导体材料，尤其在太赫兹和红外波段石墨烯表现出很强的金属性，能与入射电磁波发生相互作用产生表面等离子体。石墨烯的表面电导率随着化学势变化而变化，而其化学势又可以通过连接在石墨烯上的外加偏压来进行调控。

技术实现要素：

本发明目的在于克服上述现有技术缺陷，提供一种基于单层石墨烯周期性圆环结构的宽带太赫兹吸波器，具有宽带吸收，宽带电可调、大角度吸收、极化不敏感的特点。

为实现上述目的，本发明的技术解决方式如下：

一种基于石墨烯双圆环结构的宽带吸波器，其特点在于：以金属作为反射基底，结构向上依次为绝缘介质层、石墨烯层，所述的石墨烯层由周期性单层石墨烯双圆环结构组成。

所述的绝缘介质层为SiO2或其它在太赫兹波段损耗角正切小于0.01的介质材料。

所述的绝缘介质层厚度为响应波长的1/6-1/10。

所述的绝缘介质层的厚度占整个吸波器厚度的比值大于90％。

所述的石墨烯双圆环结构为同心的双圆环共振结构。

所述的石墨烯为单层原子排列结构。

所述的石墨烯双圆环结构的内外圆环间距离小于2um，能发生强烈的共振耦合。

所述的石墨烯双圆环中内环与外环的径向宽度比为1/4-1/6。

所述的金属基底为在太赫兹波段电导率高损耗小的金属。

所述的金属基底为金、银或铝。

本发明的原理如下：

本发明利用了石墨烯结构在太赫兹波段表现出的强烈金属性，与入射电磁波反应产生局域表面等离子体效应。利用单层石墨烯双圆环内外圆环间的杂化耦合效应，实现带宽的叠加和扩展，实现太赫兹波段的宽带吸波。本发明中石墨烯层与底层金属基底间距离非常近，介质层厚度为28um(1/8波长左右)，两层结构间可以产生强烈的近场耦发生磁共振。当共振产生的本征损耗与辐射损耗达到相等时，就可以实现电磁波的完美吸收。

利用石墨烯表面电导率随其化学势可调的特性，通过外加偏置电压调节石墨烯结构的化学势改变石墨烯的表面电导率，从而实现整个吸波结构的宽带可调特性。

本发明基于石墨烯双圆环结构的宽带太赫兹吸波器以石墨烯材料为基础，实验中可以先用热蒸发或电子束蒸发的方式在基底上镀上一层金属膜，膜厚度100nm左右(大于趋肤深度)，再利用PECVD法在金属层上生长一层28um的SiO2薄膜，然后通过CVD法将单层石墨烯生长在SiO2层上。利用电子束曝光工艺在石墨烯层上制备出双圆环形反结构图样，再利用RIE进行氧等离子体刻蚀去除掉不需要的石墨烯部分就可以加工成型了。

与现有结构相比本发明的有益效果：

1.仅需要单层石墨烯共振结构就实现宽带吸波效果，大大降低加工难度；

2.环形结构形状保证了结构的偏振独立性；

3.入射角高达60°情况下，仍能保持良好的宽带吸收效果；

4.利用了石墨烯圆环间的等离子体杂化效应，进一步拓展了带宽。

5.本发明结构简单，通过尺寸的比例变换，也可以实现其他波段的电磁波吸收。

6.采用一层不同结构共振带宽叠加的方式，利用环间距非常近的石墨烯双圆环产生强烈的耦合，产生等离子体杂化效应，进一步对带宽实现扩展。

7.将单层石墨烯直接作为共振结构单元，大大降低了加工的难度，并且通过有限元仿真证明了，当改变石墨烯的化学势时，吸波结构可以实现宽带的可调制特性。

附图说明

图1为该吸波器的单元结构示意图。

图2为顶层石墨烯层俯视图。

图3为电磁波垂直入射下该吸波器的吸收效果图。

图4为改变石墨烯化学势0.35eV～0.65eV时的吸收曲线图。

图中，1：石墨烯层；2：绝缘介质层；3：金属。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为该吸波器的单元结构示意图，如图所示，一种基于石墨烯双圆环结构的宽带吸波器，以金属3作为反射基底，结构向上依次为绝缘介质层2、石墨烯层1，所述的石墨烯层由周期性单层石墨烯双圆环结构组成。采用高电导率的金作为结构基底实现完全反射式结构，金的厚度大于100nm(大于趋肤深度)，在太赫兹波段金膜反射损耗很小，仿真中可以视为完美电导体(PEC)。图2为顶层石墨烯层俯视图。顶层石墨烯层为周期性同心双圆环石墨烯结构，外环外径a＝5.5um,内径b＝4um；内环外径c＝2.5um,内径d＝2.2um，周期L＝15um。本实施例中绝缘介质层采用二氧化硅，厚度ts＝28um，介电常数设置为3.9，太赫兹波段二氧化硅损耗很小，仿真中可视为无损介质，介电常数虚部可设为零。

该吸波器结构的工作原理可通过如下内容解释：本发明中采用大于趋肤深度的金作为基底，使得入射光不能透过只能被反射回去，因此吸收率计算公式为A(ω)＝1-R(ω).由于石墨烯的金属性，与电磁波作用能与金属一样产生表面等离子体，顶层石墨烯结构与入射电磁波发生作用，产生电共振；石墨烯层与底层金属间距离足够近(仅28um或1/8波长)，石墨烯层与底层金属间可以产生很强的耦合，形成反向平行的电流产生磁共振。调节结构的尺寸参数，当电、磁共振使得介电常数与磁导率相等时，结构的阻抗与自由空间中的阻抗相匹配，就可以使得反射率为零。此时结构中引入适量损耗，使得结构的辐射损耗与本征吸收速率相等时，就能实现最大限度的电磁波吸收。

图3为通过有限元仿真计算出的垂直入射下结构的吸收光谱图。这里设定石墨烯的化学势为0.5eV。可以看出本发明的吸波器结构在1.18THz～1.64THz范围内都保持了大于90％的高效吸收效果，吸收带宽为0.46THz。

图4表示了保持本实施结构几何参数及其它条件固定不变时，仅通过外加偏压变化改变石墨烯的化学势从0.35eV到0.65eV，所述宽带吸波结构大于80％吸收效果的宽带吸波频率范围)由0.98～1.36THz变为1.36～1.94THz，高吸收效率下的可调频率范围达到0.5THz。本结构的调控效果可以通过电调控来实现，能很好的兼容现有的电子电路工艺，可以集成在一些可调的太赫兹传感、太赫兹光源、太赫兹成像等器件中，具有很好的实用价值。