一种吸波器及其制备方法与流程

本发明涉及吸波器技术领域，更具体地说，涉及一种吸波器及其制备方法。

背景技术：

完美吸波器(perfectmetamaterialabsorber，pma)是一种可以将电磁波完全吸收的器件。由于超材料具有天然材料所不具备的超常物理性质，且利用超材料设计的完美吸波器具有吸收率高以及厚度薄等优点，因此，采用超材料制作的完美吸波器已经受到了人们的广泛关注。

为了解决早期的超材料完美吸波器吸收峰固定这一问题，研究者们设计了一些基于主动调控材料如石墨烯、二氧化钒等的完美吸波器。由于石墨烯具有优异的光电特性，且费米能级可通过化学掺杂、门电压等方式调控，因此，利用石墨烯材料制备的完美吸波器应用较为广泛。

但是，目前基于石墨烯材料的完美吸波器中，所用的石墨烯仅为单层或少数几层的石墨烯薄膜或石墨烯微纳结构阵列，这就导致完美吸波器的电磁波吸收率较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种吸波器及其制备方法，以解决现有的吸波器的电磁波吸收率较低的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种吸波器，包括衬底、以及依次位于所述衬底上的第一金属电极、第一金属光栅层、第一介质层、石墨烯双曲层、第二介质层和第二金属光栅层；

所述石墨烯双曲层包括多层交替排布的石墨烯层和第三介质层；

所述第二金属光栅层和所述第一金属光栅层都为二维的方块周期阵列，且所述第二金属光栅层的周期和所述第一金属光栅层的周期不同。

可选地，还包括第二金属电极和电压控制电路；

所述第二金属电极包裹所述石墨烯双曲层的侧面；

所述电压控制电路与所述第一金属电极和所述第二金属电极相连，用于通过电压调控，改变所述吸波器的吸收峰。

可选地，所述石墨烯层和所述第三介质层的层数大于或等于3、小于或等于20。

可选地，所述第一金属光栅层的周期为所述第二金属光栅层的周期的两倍。

可选地，所述第一金属光栅层的周期为500nm-50μm；

所述第二金属光栅层的周期为500nm-50μm。

可选地，所述介质层的材料包括二氧化硅、氧化铝、聚酰亚胺树脂和氟化镁。

可选地，所述第一金属光栅层的材料包括金、银、铂、铝和铜；

所述第二金属光栅层的材料包括金、银、铂、铝和铜；

所述第一金属电极和所述第二金属电极的材料包括金、银、铂、铝和铜。

一种吸波器的制备方法，包括：

提供衬底；

在所述衬底上形成第一金属层，对所述第一金属层进行部分刻蚀，以形成第一金属电极和位于所述第一金属电极表面的第一金属光栅层，所述第一金属光栅层为二维的方块周期阵列；

在所述第一金属光栅层表面形成第一介质层；

在所述第一介质层表面形成石墨烯双曲层，所述石墨烯双曲层包括多层交替排布的石墨烯层和第三介质层；

在所述石墨烯双曲层表面形成第二介质层；

在所述第二介质层表面形成第二金属层，并对所述第二金属层进行刻蚀，形成第二金属光栅层，所述第二金属光栅层为二维的方块周期阵列，且所述第二金属光栅层的周期和所述第一金属光栅层的周期不同。

可选地，还包括：

形成包裹所述石墨烯双曲层的第二金属电极；

形成与所述第一金属电极和所述第二金属电极相连的电压控制电路，以通过电压调控，改变所述吸波器的吸收峰。

可选地，在所述第一介质层表面形成石墨烯双曲层包括：

采用pmma技术转移所述石墨烯层以及沉积所述第三介质层。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的吸波器及其制备方法，第一金属光栅层和第二金属光栅层分别提供波矢补偿，激发石墨烯双曲层的表面等离激元，将入射的电磁波局域在具有高损耗的石墨烯双曲层中，从而可以使得某些波长的电磁波被完全吸收，使得吸波器的电磁波吸收率较高。并且，由于第一金属光栅层和第二金属光栅层的周期不同，因此，可以激发两个不同波长的等离激元波，进而可以实现双波长的完美吸收，进一步提高吸波器的电磁波吸收率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的吸波器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的第一金属光栅层的俯视图；

图3为本发明实施例提供的第二金属光栅层的俯视图；

图4为本发明实施例提供的吸波器的结构参数示意图；

图5为本发明实施例提供的吸波器的电磁有限元分析的结果示意图；

图6为本发明实施例提供的吸波器的一种吸收峰示意图；

图7为本发明实施例提供的吸波器的制备方法的流程图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种吸收电磁波的吸波器，应用于雷达和光电探测等技术领域。如图1所示，本发明实施例提供的吸波器包括衬底10、以及依次位于衬底10上的第一金属电极11、第一金属光栅层12、第一介质层13、石墨烯双曲层14、第二介质层15和第二金属光栅层16。

其中，石墨烯双曲层14包括多层交替排布的石墨烯层140和第三介质层141。可选地，石墨烯层140为n型掺杂的石墨烯、p型掺杂的石墨烯或本征石墨烯。第二金属光栅层16和第一金属光栅层12都为二维的方块周期阵列，且第二金属光栅层16的周期和第一金属光栅层12的周期不同。

本发明实施例中，第一金属光栅层12和第二金属光栅层16分别提供波矢补偿，激发石墨烯双曲层14的表面等离激元，将入射的电磁波局域在具有高损耗的石墨烯双曲层14中，从而可以使得某些波长的电磁波被完全吸收，使得吸波器的吸收率较高。并且，由于第一金属光栅层12和第二金属光栅层16的周期不同，因此，可以激发两个不同波长的等离激元波，进而可以实现双波长的完美吸收，进一步提高吸波器的电磁波吸收率。

进一步地，本发明实施例提供的吸波器还包括第二金属电极和电压控制电路(图中未示出)。其中，第二金属电极包裹石墨烯双曲层14的侧面；电压控制电路与第一金属电极11和第二金属电极相连，用于通过电压调控，改变吸波器的吸收峰。可选地，电压控制电路包括电压源和控制电路等。

由于在石墨烯的费米能级发生变化时，石墨烯双曲层14的特性也会发生改变，因此，通过第一金属光栅层和第二金属光栅层激发的表面等离激元共振峰也将发生改变，即吸波器的吸收峰的位置也会发生改变。由于石墨烯的费米能级(对应电导)可通过外置电压调节大小，因此，本发明实施例通过电压控制电路改变石墨烯双曲层14的外置电压，以使吸波器的吸收峰随着外置电压的调制而得到改变，从而使得吸波器可以吸收不同波长的电磁波。并且，由于石墨烯双曲层14包括石墨烯和介质层两种材料，因此，石墨烯双曲层14具有双曲材料的特性，使得石墨烯费米能级的微量变化，即可获得吸波器吸收峰的有效调制，从而使得吸波器的调制灵敏度较高。

可选地，石墨烯层140和第三介质层141的层数大于或等于3、小于或等于20，如石墨烯双曲层14包括8层石墨烯层140和8层第三介质层141，且石墨烯层140和第三介质层141在垂直于衬底10的方向上交替排布，基于此，可以使得吸波器在具有较高吸收率的同时，吸波器的厚度也较薄，便于吸波器在各个领域的应用。

可选地，第一金属光栅层12的周期为500nm-50μm；第二金属光栅层16的周期为500nm-50μm。可选地，第一金属光栅层12的周期为第二金属光栅层16的周期的两倍。如图2所示，第一金属光栅层12为2行2列排布的阵列，如图3所示，第二金属光栅层16为4行4列排布的阵列，图2所示的第一金属光栅层12的周期为图3所示的第二金属光栅层16的周期的两倍。需要说明的是，第一金属光栅层12中的光栅四周填充有介质层，以形成平整的表面，以便在第一金属光栅层12上沉积第一介质层13。

由于吸波器的吸收峰对吸波器的材料以及结构参数比较敏感，因此，可以通过计算调整吸波器的结构参数，如调整第一金属光栅层12和第二金属光栅层16的周期，可以使得吸波器的吸收效果达到最优。

此外，需要说明的是，本发明实施例中的介质层的材料包括但不仅限于二氧化硅、氧化铝、聚酰亚胺树脂、氟化镁。第一金属光栅层12的材料包括但不仅限于金、银、铂、铝或铜；第二金属光栅层16的材料包括但不仅限于金、银、铂、铝或铜。第一金属电极11和第二金属电极的材料包括但不仅限于金、银、铂、铝或铜。

在本发明的一个具体实施例中，如图4所示，w1＝200nm，h1＝100nm，p2＝400nm，t1＝40nm，t2＝40nm，w2＝400nm，h2＝700nm，t3＝10m，p1＝800nm。第一金属光栅层12的周期为第二金属光栅层16的周期的两倍。石墨烯双曲层14中石墨烯层140和第三介质层141的层数为8，第三介质层141的厚度为10nm，石墨烯层140的厚度为0.5nm。该结构中所有介质的折射率设为1.25，金属光栅层以及金属电极所用金属材料均为au，石墨烯的费米能级设为0.3ev，则电磁有限元分析的结果如图5所示，其中图5(a)为通过吸波器的两个红外波段的吸收峰的示意图，其吸收率接近于1；图5(b)为反映石墨烯费米能级的大小对吸收峰的影响的示意图；图5(c)和图5(d)为反映第三介质层141厚度对吸收峰的影响的示意图；5(e)为反映石墨烯双曲层14中石墨烯层140/第三介质层141的层数对吸收峰的影响的示意图；图5(f)为反映吸波器中金属光栅层周期大小对吸收峰的影响的示意图，此时第二金属光栅层16和第一金属光栅层12的周期比固定为1：2，图中改变的是整体单元的周期大小。可见，吸波器的结构参数对吸收峰起着决定性作用，且通过对石墨烯费米能级的改变，可实现吸收峰的调控，起到了主动调控的效果。图6为本发明实施例提供的吸波器的吸收峰示意图，其可以在0°～70°之间达到比较好的吸收效果。

本发明实施例还提供了一种吸波器的制备方法，如图7所示，包括：

s101：提供衬底；

s102：在衬底上形成第一金属层，对第一金属层进行部分刻蚀，以形成第一金属电极和位于第一金属电极表面的第一金属光栅层，第一金属光栅层为二维的方块周期阵列；

s103：在第一金属光栅层表面形成第一介质层；

s104：在第一介质层表面形成石墨烯双曲层，石墨烯双曲层包括多层交替排布的石墨烯层和第三介质层；

s105：在石墨烯双曲层表面形成第二介质层；

s106：在第二介质层表面形成第二金属层，并对第二金属层进行刻蚀，形成第二金属光栅层，第二金属光栅层为二维的方块周期阵列，且第二金属光栅层的周期和第一金属光栅层的周期不同。

其中，在第一介质层表面形成石墨烯双曲层包括：

采用pmma技术转移石墨烯层以及沉积第三介质层。

具体地，提供衬底之后，在衬底上形成第一金属层，在第一金属层表面形成光刻胶并进行曝光显影后，形成第一掩膜，然后对第一金属层进行部分刻蚀，以形成第一金属电极和位于第一金属电极表面的光栅阵列，可选地，光栅阵列为如图2所示的二维的方块周期阵列。去除第一掩膜后，形成覆盖光栅阵列的第二掩膜，然后沉积介质层，使得介质层填满光栅阵列之间的空隙，从而形成具有平整表面的第一金属光栅层。

之后，在第一金属光栅层表面沉积第一介质层，在第一介质层表面形成石墨烯双曲层，其中，可以采用pmma(polymethylmethacrylate，亚克力)技术将石墨烯层转移到衬底上，并在石墨烯层上沉积第三介质层。然后，石墨烯双曲层表面沉积第二介质层，并在第二介质层表面沉积第二金属层，并对第二金属层进行刻蚀，形成第二光栅阵列即第二金属光栅层，第二金属光栅层为如图3所示的二维的方块周期阵列，且第二金属光栅层的周期和第一金属光栅层的周期不同。

本发明实施例中，第一金属光栅层和第二金属光栅层分别提供波矢补偿，激发石墨烯双曲层的表面等离激元，将入射的电磁波局域在具有高损耗的石墨烯双曲层中，从而可以使得某些波长的电磁波被完全吸收，使得吸波器的吸收率较高。并且，由于第一金属光栅层和第二金属光栅层的周期不同，因此，可以激发两个不同波长的等离激元波，进而可以实现双波长的完美吸收，进一步提高吸波器的电磁波吸收率。

进一步地，本发明实施例提供的吸波器的制备方法，还包括：

形成包裹石墨烯双曲层的第二金属电极；

形成与第一金属电极和第二金属电极相连的电压控制电路，以通过电压调控，改变吸波器的吸收峰。

由于在石墨烯的费米能级发生变化时，石墨烯双曲层的特性也会发生改变，因此，通过第一金属光栅层和第二金属光栅层激发的表面等离激元共振峰也将发生改变，即吸波器的吸收峰的位置也会发生改变。由于石墨烯的费米能级(对应电导)可通过外置电压调节大小，因此，本发明实施例通过电压控制电路改变石墨烯双曲层的外置电压，以使吸波器的吸收峰随着外置电压的调制而得到改变，从而使得吸波器可以吸收不同波长的电磁波。并且，由于石墨烯双曲层包括石墨烯和介质层两种材料，因此，石墨烯双曲层具有双曲材料的特性，使得石墨烯费米能级的微量变化，即可获得吸波器吸收峰的有效调制，从而使得吸波器的调制灵敏度较高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。