基于石墨烯的可调谐太赫兹超表面及电路的制作方法

本发明属于超表面技术领域，涉及一种基于石墨烯的可调谐太赫兹超表面及电路。

背景技术：

超表面，通常是由一组人工散射体按一定的顺序排列而设计组成的。由于超表面在自然界中罕见的特殊性质，在过去的十年中得到了广泛的发展。通过对不同性质的超表面进行工程设计，从而可以实现特定的功能。从微波频率到太赫兹(thz)频率，甚至到光学频率，超表面在电磁学中得到了广泛的应用，如传感器、透镜、吸波器和反射器等。在这些应用程序中，不同的功能是通过满足所需反射或传输特性的不同单元几何形状来实现的。例如，在thz波设计了一个交叉偶极子及其互补结构，具有显著的高灵敏度。在通信波长上，利用v型偶极子构成的单元来实现波束聚焦。

一般来说，为了更好的性能，许多个体化的超表面单元被提出用于高反射/传输或吸收效率的应用，然而，这降低了被研究超表面单元在其他应用中的可用性。在对单元结构进行重大修改之前，很少发现一个给定的超表面单元可以同时用于两种极端应用，既具有高反射效率，又具有吸收效率。

因此，需要研究新型的超表面结构以满足在同一种超表面单元结构下能够同时实现吸波模式和反射模式之间的切换。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯的可调谐太赫兹超表面及电路。

包括由下至上依次设置的金属接地板、介质层、石墨烯金属层，其中，

所述金属接地板作为反射基底；所述石墨烯金属层包括两对石墨烯贴片和两个金属环，两个金属环为外金属环和内金属环，两对石墨烯贴片设置在外金属环和内金属环之间。

优选地，所述金属接地板的材质为金或银。

优选地，所述介质层的材质为二氧化硅。

优选地，所述金属接地板与所述介质层的边长相同，二者的边长即为超表面周期。

优选地，所述外金属环和内金属环的中心相同，边长不同，四边平行。

优选地，所述两对石墨烯贴片为两对表面积不同的长方形，每对石墨烯贴片设置在外金属环的不同对边侧。

基于上述目的，本发明还提供了一种基于石墨烯的可调谐太赫兹超表面的电路，包括外石墨烯金属环电路，内石墨烯金属环电路和顶层反射板电感lgnd，所述外石墨烯金属环电路与内石墨烯金属环电路并联后，与顶层反射板电感lgnd串联。

优选地，所述外石墨烯金属环电路包括外石墨烯金属环电阻r1，外石墨烯金属环电感l1，外石墨烯金属环电容c1和外石墨烯金属环与内石墨烯金属环互耦电感lgra，其中，r1与l1串联后与c1、lgra并联。

优选地，所述内石墨烯金属环电路包括内石墨烯金属环电阻r2，内石墨烯金属环电感l2，内石墨烯金属环电容c2和外石墨烯金属环与内石墨烯金属环互耦电感lgra，其中，r2与l2串联后与c2、lgra并联。

与现有技术相比，本发明的有益效果：通过改变施加在两金属环之间的两对石墨烯贴片的偏置电压，从而改变石墨烯贴片的化学势，改变两个环路之间的耦合，实现单个超表面单元在吸波模式和反射模式之间的切换，进而实现本发明超表面在吸波模式和反射模式之间的切换。本发明的提出将实现给定的超表面单元可以同时用于两种极端应用，既具有高反射效率，又具有吸收效率，进而提高了被研究单个超表面单元在其他应用中的可用性。

此外，本发明还给出了可调谐太赫兹超表面的等效电路，简化了本发明可调谐太赫兹超表面的反射系数的分析和预测，为太赫兹变换器阻抗的调整提供了依据。

附图说明

图1为本发明实施例的基于石墨烯的可调谐太赫兹超表面的立体结构图；

图2为本发明实施例的基于石墨烯的可调谐太赫兹超表面的结构示意图；

图3为本发明实施例的基于石墨烯的可调谐太赫兹超表面的不同化学式下石墨烯表面阻抗图；

图4为本发明实施例的基于石墨烯的可调谐太赫兹超表面的电路原理图；

图5为本发明实施例的基于石墨烯的可调谐太赫兹超表面s11参数仿真结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

包括由下至上依次设置的金属接地板10、介质层20、石墨烯金属层，其中，

所述金属接地板10作为反射基底；所述石墨烯金属层包括两对石墨烯贴片33和两个金属环，两个金属环为外金属环32和内金属环31，两对石墨烯贴片33设置在外金属环32和内金属环31之间。

金属接地板10的材质为金或银；介质层20的材质为二氧化硅，其厚度为30μm。金属接地板10与所述介质层20的边长相同，二者的边长即为超表面周期，可以为146μm。外金属环32和内金属环31的中心相同，边长不同，四边平行，可以为外金属环32边长为65μm，宽为1μm；内金属环31边长为39μm，宽为0.8μm。两对石墨烯贴片33为两对表面积不同的长方形，每对石墨烯贴片33设置在外金属环32的不同对边侧，大长方形石墨烯贴片33尺寸为63*9μm²，小长方形石墨烯贴片33尺寸为39*9μm²。

针对现有技术存在的缺陷，申请人对现有技术中吸收模式和反射模式超表面进行了深入的研究，并提出了一种基于石墨烯的可调谐太赫兹超表面，该超表面由石墨烯和金属组成。

工作过程是，通过改变施加两对石墨烯贴片33上的偏置电压，从而改变石墨烯贴片33的化学势，改变两个环路之间的耦合，实现单个元表面单元在低反射率和高反射率之间的切换，进而实现超表面在吸波模式和反射模式的切换，解决了单一超表面不能同时实现吸波模式和反射模式的问题。

参见图3，所示为不同化学势下石墨烯表面阻抗图。实验表明，在尺寸大于100nm的结构中，可以忽略边缘效应对石墨烯电导率的影响，将电导率建模为无限石墨烯薄膜。无限石墨烯薄膜可采用等效表面电导率建模，等效表面电导率可采用kubo形式计算。表面电导率可以用局部的形式表示：

式中t为温度，设t为室温300k，τ为弛豫时间，设τ为1ps，μc为化学势，设为零静电偏置μc＝0。

在一定的频率下，化学势μc的增大会导致表面电导率的实部增大，表面电导率的虚部减小。因此可以通过改变施加两对石墨烯贴片33上的偏置电压，从而改变石墨烯贴片33的化学势，改变两个环路之间的耦合，实现单个元表面单元在低反射率和高反射率之间的切换，进而实现本发明超表面在吸波模式和反射模式的切换。

参见图4，为基于石墨烯的可调谐太赫兹超表面的电路，简化了本发明超表面的反射系数的分析和预测，为本发明前述超表面阻抗的调整提供了依据。包括外石墨烯金属环电路，内石墨烯金属环电路和顶层反射板电感lgnd，所述外石墨烯金属环电路与内石墨烯金属环电路并联后，与顶层反射板电感lgnd串联。

外石墨烯金属环电路包括外石墨烯金属环电阻r1，外石墨烯金属环电感l1，外石墨烯金属环电容c1和外石墨烯金属环与内石墨烯金属环互耦电感lgra，其中，r1与l1串联后与c1、lgra并联。

内石墨烯金属环电路包括内石墨烯金属环电阻r2，内石墨烯金属环电感l2，内石墨烯金属环电容c2和外石墨烯金属环与内石墨烯金属环互耦电感lgra，其中，r2与l2串联后与c2、lgra并联。

参见图5，所示为本发明超表面s11参数仿真图，本发明天线采用cst微波工作室进行仿真。当石墨烯的化学势μc＝0ev时，s11<-10db的带宽为0.83-1thz，反射系数较小，为吸波模式。当石墨烯的化学势μc＝1ev时，s11最大值为-4db，反射系数较大，为反射模式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。