一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器及其制备方法

本发明涉及电磁波吸收和调控领域，具体涉及一种可调谐宽带太赫兹吸收器及其制备方法。

背景技术：

1、太赫兹波(0.1-10thz)相较于微波与红外辐射频段，研究曾长期处于空白。近年来随着低尺度半导体技术的蓬勃发展，促进了太赫兹技术的飞速发展，并且得益于波长短、波束窄、方向性和穿透性好等优点，太赫兹波在军事上，尤其在雷达及目标识别、宽带通信、危险物探测和无损检测等方面具有潜在的重要应用前景。

2、随着光电子学技术的快速发展，超表面作为一种特殊新型的平面超材料，在亚波长尺度就能实现对电磁波的高效操控。利用超表面对电磁波的有效调控就能构筑结构简单、轻薄、吸收率高的吸波结构，并可以实现对电磁波的灵活调控，将在国防和民用领域存在重大的潜在应用价值。

3、近年来，太赫兹宽带吸收器相继被提出。2020年6月，安阳师范学院提出了“一种宽频超材料吸收器的设计”(申请号202010648805.2)，由金属层、介质层和图案化石墨烯层组成；2021年5月，中国计量大学提出了“一种宽带太赫兹吸收器”(申请号202121027028.6)，吸收带宽为1.74thz。然而，这些吸收器都存在吸收带宽较窄的不足，同时也无法进行吸收波段和吸收强度的调控。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器，以满足目前在太赫兹波吸收领域对此类宽带吸收器的需求。

2、本发明为了实现对太赫兹波的可控吸收，所提出的结构在具有较大吸收带宽的基础上，还能够实现对吸收波段和吸收强度的独立调控，可以有效解决当前太赫兹吸波器无法对入射波进行选择性吸收的难题。

3、本发明提出了一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器的结构设计，从上到下包括：第一石墨烯层1，用于对太赫兹波进行吸收并且完成对吸收强度的调控；第一介质层2，用于对太赫兹波的吸收；第二石墨烯层3，用于对吸收波段的调控；第二介质层4，用于对太赫兹波的吸收；金属基底5，用于对太赫兹波的全反射，使入射波无法穿透吸收器；第一外部偏置电压调节电路6，用于实现对第一石墨烯层化学势的调控；第二外部偏置电压调节电路7，用于实现对第二石墨烯层化学势的调控。

4、本发明所述吸收器的第一石墨烯层1、第二石墨烯层2上面的图案单元的周期均为8μm。

5、本发明所述吸收器的第一石墨烯层1的图案单元采用的是一个边长为4μm长的正六边形石墨烯结构，第二石墨烯层3的图案单元采用的是一个边长为7μm长的正方形石墨烯结构，并且第一石墨烯层(1)的每个正六边形图案位于第二石墨烯层(3)的每个正方形图案的正上方，每个正六边形图案的两个边与每个正方形图案的两个边满足平行的关系。每层的所有结构单元的石墨烯图案由一个“十”字(宽度0.2μm)石墨烯细长条连接以确保电连续。

6、本发明所述吸收器的第一介质层2和第二介质层4采用的是环烯烃类共聚物(topas)，折射率为1.53，第一介质层2的厚度为3μm，第二介质层4的厚度为8μm。

7、本发明所述吸收器的金属基底5采用的是金(au)，电导率为4.56×107s/m，厚度设置为0.5μm。

8、本发明所述吸收器的第一石墨烯层1和第二石墨烯层3分别和外部第一偏置电压调节电路6和外部第二偏置电压调节电路7相连，其中第一偏置电压调节电路6的正负极分别与金属基底5和第一石墨烯层1相连，第二偏置电压调节电路7的正负极分别与金属基底5和第二石墨烯层3相连，通过控制外部偏置电压(0-15v)可以实现对吸收器吸收波段和吸收强度的调控。

9、针对上述太赫兹吸收器，本发明还提出了一种制备方法，包括如下步骤：

10、s1用电子束蒸发的方法沉积0.5μm厚的金形成所述金属基层(5)；

11、s2将topas旋转涂覆在金表面上，并烘烤形成所述第二介质层(4)；

12、s3将石墨烯层转移到第二介质层(4)上方；

13、s4将锌溅射在步骤s3中的石墨烯层上，并选择性地去除石墨烯以构成周期为8μm排列的、边长为7μm的正方形石墨烯图案，形成所述第二石墨烯层(3)；

14、s5将topas旋转涂覆在第二石墨烯层的表面上，并烘烤形成所述第一介质层(2)；

15、s6将石墨烯层转移到第一介质层(2)上方；

16、s7将锌溅射到步骤s6的石墨烯层上，并选择性地去除石墨烯以构成周期为8μm排列的、边长为4μm的正六边形石墨烯图案，形成所述第一石墨烯层(1)。

17、本发明的有益效果：

18、(1)双石墨烯层超表面的结构设计：其中第一石墨烯层位于吸收器表面，第二石墨烯层位于吸收器中间；

19、(2)石墨烯电压双控的结构设计：两个石墨烯层分别和外部偏置电压相连，通过外部电压可以实现对两个石墨烯层化学势的独立调控；

20、(3)五层紧凑式材料的结构设计：从上到下依次为，第一石墨烯层、第一介质层、第二石墨烯层、第二介质层和金属基底。

21、(4)本发明所述吸收器解决当前存在的太赫兹吸收器吸收带宽依然较小的难题，做到了大带宽吸收(2.79thz)。

22、(5)本发明所述吸收器解决当前存在的太赫兹吸收器吸收波段不可调控的难题，做到了对吸收波段的可控，有效吸收带宽可以从3.51-6.30thz调节到5.84-8.30thz，调节范围达到了4.79thz。

23、(6)本发明所述吸收器解决当前存在的太赫兹吸收器吸收强度不可调控的难题，做到了对吸收强度的可控，吸收率可以从超过90％调节到接近10％，调制幅度高达80％。

技术特征：

1.一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器，其特征在于，自上到下依次包括：第一石墨烯层(1)，用于对太赫兹波进行吸收并且完成对吸收强度的调控；第一介质层(2)，用于对太赫兹波的吸收；第二石墨烯层(3)，用于对吸收波段的调控；第二介质层(4)，用于对太赫兹波的吸收；金属基底(5)，用于对太赫兹波的全反射，使入射波无法穿透吸收器；第一外部偏置电压调节电路(6)，用于实现对第一石墨烯层(1)化学势的调控；第二外部偏置电压调节电路(7)，用于实现对第二石墨烯层(3)化学势的调控；所述第一石墨烯层(1)和所述第二石墨烯层(3)的整个平面内均周期性地设置特定的图案单元。

2.根据权利要求1所述的一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器，其特征在于，所述第一石墨烯层(1)的图案单元采用的是一个边长为4μm的正六边形石墨烯结构；第二石墨烯层(3)的图案单元采用的是一个边长为7μm的正方形石墨烯结构。

3.根据权利要求2所述的一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器，其特征在于，所述第一石墨烯层(1)的每个正六边形图案位于第二石墨烯层(3)的每个正方形图案的正上方；所述第一石墨烯层(1)的每个正六边形图案的两个边与第二石墨烯层(3)的每个正方形图案的两个边满足平行的关系。

4.根据权利要求1所述的一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器，其特征在于，所述每层的图案单元由一个宽度为0.2μm的“十”字形石墨烯细长条连接以确保电连续。

5.根据权利要求1所述的一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器，其特征在于，所述第一石墨烯层(1)和所述第二石墨烯层(3)的图案单元的二维分布的周期均为8μm。

6.根据权利要求1所述的一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器，其特征在于，所述第一介质层(2)和第二介质层(4)采用的是环烯烃类共聚物(topas)，折射率为1.53，第一介质层(2)的厚度为3μm，第二介质层(4)的厚度为8μm；所述金属基底(5)采用的是金(au)，电导率为4.56×107s/m，厚度为0.5μm。

7.根据权利要求1所述的一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器，其特征在于，第一偏置电压调节电路(6)的正负极分别与金属基底(5)和第一石墨烯层(1)相连，第二偏置电压调节电路(7)的正负极分别与金属基底(5)和第二石墨烯层(3)相连，通过控制外部偏置电压实现对吸收器吸收波段和吸收强度的调控。

8.根据权利要求7所述的一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器，其特征在于，所述外部偏置电压的调节范围为0-15v。

9.根据权利要求8所述的一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器，其特征在于，通过独立调节第一偏置电压(6)，对吸收器的吸收强度进行调节，低频吸收波段的吸收率可以从超过90％调节到接近10％，调制幅度达80％；通过独立调节第二偏置电压(7)，可以对吸收器的吸收波段进行调节，吸收器的有效吸收带宽可以从3.51-6.30thz调节到5.84-8.30thz。

10.一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种吸收波段和吸收强度可调的宽带太赫兹吸收器及其制备方法，所述的结构设计包括正六边形石墨烯和正方形石墨烯的双层石墨烯层超表面的结构设计；石墨烯电压双控的结构设计。本发明在现有超表面吸收器研究基础上，使用双石墨烯层超表面的新型结构。双石墨烯层的设计可以有效增大吸收带宽，通过对两个石墨烯层电压的单独调控，可以实现对吸收波段(4.79THz)和吸收强度(80％)的独立调控。本发明可以有效解决目前吸收器无法对吸收波段和吸收强度进行调控的难题，为太赫兹吸波领域的器件设计开辟了一个新的道路。

技术研发人员：姚红兵,丁志鹏,苏巍,周远航,李文龙,叶李鹏安,岳江,朱卫华
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13