一种多频点可调谐透明石墨烯吸波器及其制备方法

本发明属于吸波器领域，并且更具体地，涉及一种多频点谐振、可调谐透明石墨烯吸波器及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着信息技术的快速发展，不同频段的电磁波被广泛应用在通信、交通等各个方面，与我们的生活息息相关。由此带来的电磁辐射问题变得日益严峻，不仅会对周围环境造成很多不利影响，甚至还会威胁人类健康。使用电磁屏蔽材料能保证内部电子器件在复杂电磁环境下正常运行，同时也具备高光学透过率，可确保光学成像、激光制导的准确性，这在国防军事、航空航天、精密仪器等领域应用广泛。

2、电磁吸波材料能有效地吸收入射电磁波，从而使回波强度大幅衰减。电磁吸波材料在无线通讯、电磁兼容与屏蔽领域的研究深度不断加强，超材料的出现也为实现电磁吸波材料性能的突破提供了一个新的契机。然而，大多数超材料吸波器采用金属谐振层和金属底层来阻挡透射，这极大限制了超材料吸波器在透明光学窗口上的应用。针对电磁屏蔽光学窗口，需要同时满足两点技术要求：低频电磁波段较高吸收率和高的光学透射率。

3、透明电磁屏蔽材料是光电、显示等设备的光学窗口实现电磁防护的重要材质，透明电磁屏蔽的本质是实现光波段的通带与微波频段的阻带。目前主要的研究思路有两种：其中一种研究思路为：采用一种可使光学波段高效透过同时反射微波的材料或器件，以避免微波透过光窗。由于微波的反射损耗与材料的导电性能密切相关，较低的表面电阻可以得到更强的电磁反射，但低的表面电阻往往要求提高薄膜的厚度，从而导致其透光性能降低。因此，电磁屏蔽材料的透光性与电磁屏蔽特性之间存在一定的相互制约关系。例如，哈尔滨工业大学陆振刚团队将采用化学气相沉积法(chemical vapor deposition，cvd)制备的石墨烯和规则金属网栅集成到石墨烯杂化膜中，也将石墨烯和规则金属网栅堆叠在石英玻璃衬底上，构建了石墨烯/金属网栅/石英玻璃衬底的复合结构，在12-18ghz的屏蔽效能超过47.79db，在26.5-40ghz的屏蔽效能超过32.12db，700nm处可见光透过率约为85％。另一种研究思路为：采用一种既能够透过光学波段又能吸收微波的特殊材料或器件，可以避免电磁能量反射造成的二次电磁干扰问题。例如，陆军工程大学采用ito作为周期单元吸波层和反射底板，所设计的超材料吸波器在8.2-22ghz的吸收率高于90％，实现了宽频微波吸收。

4、另外，在上述研究思路中，金属网栅虽具有优异的导电性，但为做到人眼不可见，需保证金属线宽足够小(小于5μm)，面临着微米尺寸的金属线易断裂、金属材料氧化等问题。同时由于金属网栅的低频截止效应，基于金属网栅的透明电磁屏蔽材料在高频段的屏蔽效能衰减较大，很大程度上限制了其在宽频带透明电磁屏蔽方面的应用。并且，网栅结构主要以电磁反射为主，会导致电磁能量反射造成的二次电磁干扰问题。同时，在透明吸波材料研究的早期，研究人员更多使用金属栅网、氧化铟锡(ito)以及石墨烯等材料，根据salisbury屏共振吸收的原理制备得到。为了进一步拓展吸波带宽，通常利用多个salisbury屏叠加技术，但拓展吸波带宽，是以牺牲可见光透过率为代价的。

5、上述两种研究思路主要是针对透明电磁屏蔽，同时实现光波段的通带与微波频段的阻带。然而，一般情况下，当设计完一款吸波器，即确定吸波器的结构、材料和尺寸后，其在一定频段的吸收特性(吸收峰频率、吸波带宽、吸波强度等)也由此确定。通过改变超材料吸波器谐振单元结构、中间介质层的厚度和材料等来实现超材料吸波器对特定频率电磁波的吸收，并且对电磁场的吸波幅度进行控制，这种研究思路比较局限，并且难以进行应用，因此设计谐振频率、吸波强度、带宽等可调谐的超材料吸波器成为迫切需要。

技术实现思路

1、本发明考虑到石墨烯由于极高的电流密度使其具有屏蔽电磁波的吸引力，由此通过设计石墨烯周期性的图案化结构，来达到与自由空间的阻抗匹配，可实现高效的石墨烯超材料吸波器，并在电磁屏蔽光学窗上有很大的应用前景。同时，铌酸锂在微波频段有相对较大的介电常数，它是一种相变材料，其介电常数可调特性，使其在可调谐吸波器领域的应用潜力巨大。本发明创新性地将铌酸锂作为介质层，将石墨烯和氧化铟锡(ito)作为导电层或超材料谐振层，设计了一款多频点谐振的可调谐透明石墨烯吸波器。常温下在微波频段内会产生多个谐振频率点，在0-60ghz频率范围内有11个谐振频率点，且随着频段的增加，谐振频率点数依次增多。同时，通过在铌酸锂介质层下面转移一层完整的石墨烯层，采用对石墨烯外加电压的方式，对铌酸锂介质层进行传热，从而在一定范围内调节铌酸锂的介电常数，实现该吸波器在多个谐振频率点的可调特性。当温度上升到300℃时，在30ghz的频率范围内可达到6.87ghz的总调谐范围，且在各个谐振频率点的调谐范围呈现依次增大趋势。随着波段的拓宽，可在宽频带内提供多个可调范围，这些可调范围可根据实际需求战略性地应用于不同的频率段。

2、本发明采用透明导电材料石墨烯和ito，通过双层图案的谐振叠加，改善了吸波材料的阻抗匹配特性，使得电磁波更容易入射。同时，采用在微波频段有相对较大介电常数的相变材料铌酸锂，将其作为介质层，可以实现在多个频点处的完美吸收。其次，铌酸锂的介电常数可随温度改变的特性，能实现多频点可调谐特性。通过加热的方式对其介电常数进行调节，设计了一款多频点谐振的光学透明的可调谐石墨烯吸波器。通过结构的调整和温度的控制，可以实现在微波频段任意频点的完美吸收，这为量子通信系统中调制信号的屏蔽提供了可行的技术方案，为其在量子通信系统上的应用打下了坚实的基础。

3、为了解决上述技术问题或实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

4、根据本发明的一方面，提供一种多频点可调谐透明石墨烯吸波器，包括：

5、第一介质层；

6、第一导电层，该第一导电层设置在第一介质层的上表面上并且第一导电层上设置有第一周期性图案；

7、传热层，该传热层连接在第一介质层的下表面上，传热层对第一介质层进行传热以调节第一介质层的介电常数；

8、第二介质层；

9、第二导电层，该第二导电层设置在第二介质层的上表面上并且第二导电层上设置有第二周期性图案，第二导电层连接在传热层的下方；

10、底板层，该底板层连接在第二介质层的下表面上。

11、在本发明的一个实施例中，第一介质层包括铌酸锂介质层。

12、在本发明的一个实施例中，第一导电层的材质是石墨烯薄膜，所述第一周期性图案由在正方形石墨烯薄膜上沿中心对称挖空的圆环组成。

13、在本发明的一个实施例中，第二介质层包括石英玻璃介质层、聚酰亚胺介质层、聚碳酸酯介质层、聚对苯二甲酸类塑料介质层、聚二甲基硅氧烷介质层中的任意一种。

14、在本发明的一个实施例中，第二导电层的材质为氧化铟锡薄膜，第二周期性图案由沿中心对称的内外两个正方形的氧化铟锡方环组成。

15、在本发明的一个实施例中，传热层是石墨烯层，并且传热层通过施加电压来对第一介质层进行传热。

16、在本发明的一个实施例中，底板层是低方阻的氧化铟锡薄膜。

17、在本发明的一个实施例中，底板层是方形薄膜。

18、在本发明的一个实施例中，第一介质层的材质为透明相变材料。

19、根据本发明的另一方面，提供一种如上所述的可调谐透明石墨烯吸波器的制备方法，包括以下步骤：

20、将第一导电层转移至第一介质层的上表面，并采用激光刻蚀法在第一导电层上蚀刻获得第一周期性图案；

21、将传热层转移至第一介质层的下表面，并通过传热层对第一介质层加热以调节第一介质层的介电常数；

22、采用磁控溅射法在第二介质层上制备第二导电层，并采用激光刻蚀法在第二导电层上蚀刻获得第二周期性图案；

23、采用磁控溅射法在第二介质层下表面制备底板层；

24、采用导电胶贴合工艺将第二导电层粘合在传热层的下方，制备得到多频点可调谐透明石墨烯吸波器样品。

25、通过采用上述技术方案，本发明相比于现有技术至少具有如下优点：

26、(1)本发明提供了一种多频点谐振的可调谐透明石墨烯吸波器，分别采用不同的透明导电材料作为两个导电层，并分别在两个导电层上设计了不同的周期性图案，通过双层谐振效果的叠加来改善吸波材料的阻抗匹配特性，使得电磁波更容易入射。

27、(2)本发明与传统吸波材料相比，厚度大幅减小，总厚度从10mm降低到3.5mm，电磁波通过在双层图形结构之间的相互耦合损耗部分电磁波，从而在多个谐振频率点处实现了完美吸收。

28、(3)本发明使吸波器的透光性能够处于较高水平。

29、(4)本发明通过介质层材料的选择和结构设计，能产生在整个微波波段的多频点谐振效果，通过温控来调节第一介质层的介电常数，实现多个谐振频率点可调谐性能。

30、(5)本发明在整个微波波段总调谐带宽较大。当温度上升到300℃时，30ghz频率范围内总调谐范围为6.87ghz。随着波段的拓宽，在各个谐振频率点的调谐范围呈现依次增大趋势，总调谐范围也不断增大，这些宽频带内的多个可调范围可根据实际需求进行不同的应用。

31、(6)不同极化角的均匀平面波激励下的吸波效果几乎完全一致，这是由于单元模型在结构上具有高度对称性,导致其对电磁波极化角度的变化不敏感，这表明本发明的吸波器可以很好地吸收任意极化的入射电磁波；并且当入射角θ≤45°时，吸波结构对于te和tm极化电磁波都有很好的吸收稳定性，可以保证吸收率大于90％的吸波性能。