基于石墨烯相位梯度超表面的全极化隐身地毯的制作方法

1.本实用新型涉及新型人工电磁材料与电磁波调控技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯相位梯度超表面的全极化隐身地毯。


背景技术：

2.近年来,以超材料和超表面为代表的人工电磁材料及结构的研究引起了学术界的广泛关注。通过设计不同的超材料与超表面结构,人们可以在微波至可见光频段内实现对电磁波强度、相位、极化方式和传播模式等的灵活控制，用于制造多种电磁波或光学器件。
3.超表面是超材料的二维形式，由亚波长人工电磁结构按照一定排列方式构成。相比超材料，超表面具有结构简单、容易制作、方便集成等特性，具有巨大的应用潜力。相位梯度超表面是一类能使入射波相位发生突变的超表面。传统的电磁波或光学元件是利用电磁波(光)在介质传播过程中光程的积累作用来实现相位的调控，而相位梯度超表面能够在亚波长尺度的传播距离中实现相位突变。通过对相位梯度超表面的设计，可以在界面不同位置引入不同的相位突变，获得特定的相位空间分布，以此控制反射波或者透射波的传播方向。相位梯度超表面突破了传统的反射和折射定律，可实现异常反射和折射，用于构建多种新颖的电磁波调控器件，在隐身、通信、全息成像、平面透镜等领域显现出广泛的应用前景。
4.从电磁相位的产生机理角度，电磁超表面可以分为利用微结构的共振响应的共振相位超表面和利用微结构各向异性响应的几何相位超表面。前者的相位突变来自结构共振，由不同结构尺寸的单元组成，例如最早由哈佛大学f.capasso课题组提出的v型金属微结构，以及复旦大学周磊课题组提出的渐变的h形金属微结构，均通过改变单元部分结构尺寸，在线极化波的激励下使反射波相移覆盖0～2π范围；而几何相位超表面是由具有不同旋转角度的相同人工微结构构成，例如依次排列的不同旋转角度的金属棒或金属狭缝，用于对圆极化波的相位调控。
5.偏振或极化是电磁波最重要的物理特征之一，由于电磁响应对电磁谐振单元结构的依赖性，现有的超表面结构大多具有各向异性的结构特点，仅在特定极化的电磁波照射下产生特定电磁响应，这使得基于超表面构建的功能器件普遍具有极化敏感性，无法对不同极化波都实现同样的相位调制效果，限制了相位梯度超表面器件的应用范围。
6.电磁超表面通常由金属微结构构成，为了克服金属在高频段的损耗，近几年又发展了基于高介电陶瓷、硅、二氧化钛等材料的电介质超表面。无论是金属或电介质的超表面，一旦制造完成，其电磁性能就很难改变。为了拓展超表面的工作带宽，提高超表面器件的性能，研究者进一步探索将有源器件或功能性材料与传统超表面集成，借助环境温度、力、光、电以及磁场等的变化来改变超表面的电磁参数，开发能够动态操控电磁波的可调谐或可重构超表面。东南大学崔铁军研究组提出的可编程超表面，就是利用加载的变容二极管调控不同单元的电磁谐振，实现了许多新功能，为相位梯度超表面的设计提供了新思路。然而在太赫兹至红外和可见光频率范围，尺寸的急剧小型化使得对单元加载有源器件来控制相位难以实现。
7.石墨烯是实现可调谐或可重构超表面的理想材料。与构建超表面的传统材料—金属、电介质不同，石墨烯的电导率可以通过偏压、电场、磁场、化学掺杂或者光致掺杂控制石墨烯费米能(载流子浓度)来灵活调控。由于载流子迁移率高，石墨烯还是优良的等离子体材料,在太赫兹至中红外波段支持强局域的表面等离激元共振。石墨烯在构建高性能可调谐太赫兹及红外超表面器件方面显现出诱人的应用前景。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的是为了解决现有技术中常规相位梯度超表面功能器件对入射电磁波极化状态敏感且性能不易调谐的问题，而提出的一种基于石墨烯相位梯度超表面的全极化隐身地毯。
9.为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：
10.一种基于石墨烯相位梯度超表面的全极化隐身地毯，相位梯度超表面自下而上包括金属基底层，电介质层，石墨烯结构层，离子凝胶层和金属电极；
11.所述石墨烯结构层包括内外径尺寸不均一的石墨烯环阵列，以在超表面界面不同位置引入不同的相位突变，获得特定相位空间分布，以此控制反射波或者透射波的传播方向；
12.所述相位梯度超表面功能器件为石墨烯超表面隐身地毯。
13.优选地，排列的环形石墨烯片内外径尺寸不同，当内径尺寸不为零时，表现为环状贴片，当内径尺寸为零时，表现为石墨烯圆盘状贴片。
14.优选地，排列的石墨烯贴片结构具有旋转对称性，以实现对入射波极化的不敏感。
15.优选地，所述石墨烯结构层上设置有离子凝胶层和金属电极，通过构建离子凝胶顶栅结构(ion
‑
gel top gate configuration)来调控石墨烯环的费米能。
16.优选地，所述石墨烯结构层上设置厚度为100nm的离子凝胶层。
17.优选地，电介质层的厚度为入射电磁波在介质中传播波长的四分之一。
18.与现有技术相比，本实用新型具备以下优点：
19.本实用新型通过在石墨烯结构层周期排列内外径不同的石墨烯环，可以实现基于相位梯度超表面的隐身地毯。该超表面隐身地毯对入射波的极化状态不敏感，任意极化的电磁波均有效，并且由于石墨烯灵活可调的电磁特性，可实现隐身工作带宽的动态可调谐，显现出宽波带、宽角域、全极化的隐身效果。
附图说明
20.图1
‑
(a)是根据本实用新型的实施例的石墨烯超表面结构示意图；
21.图1
‑
(b)是根据本实用新型的实施例的石墨烯超表面的结构单元示意图；
22.图2
‑
(a)是图1
‑
(b)所示超表面结构单元反射相位与石墨烯环内径和外径几何尺寸的对应关系图；
23.图2
‑
(b)是图1
‑
(b)所示超表面结构单元反射系数与石墨烯环内径和外径几何尺寸的对应关系图；
24.图3是基于图1所示石墨烯超表面的弧形隐身地毯的斜视图；
25.图4是频率f0＝2thz的x极化、y极化以及左旋、右旋圆极化波垂直入射到石墨烯环
超表面隐身地毯覆盖的弧形凸起时的反射场电场分布与远场辐射方向图；
26.图5是频率f0＝2thz的右旋圆极化波垂直入射到金属平面和裸露的金属弧形凸起时的反射场电场分布与远场辐射方向图；
27.图6
‑
(a)是x或y极化波垂直入射，石墨烯费米能e
f
依次为0.4ev，0.6ev，0.8ev时，被石墨烯超表面隐身地毯覆盖的弧形凸起的反射场远场辐射方向随入射波频率(f0＝1.2thz～2.6thz)的变化；
28.图6
‑
(b)是x或y极化波垂直入射至金属平面时，反射场远场辐射方向随入射波频率(f0＝1.2thz～2.6thz)的变化；
29.图6
‑
(c)是x或y极化波垂直入射至裸露的金属弧形凸起时，反射场远场辐射方向随入射波频率(f0＝1.2thz～2.6thz)的变化；
30.图7是基于图1所示石墨烯超表面的三角棱形隐身地毯斜视图；
31.图8是频率f0＝1.8，2.0，2.2thz的x或y极化波垂直入射时，被石墨烯超表面隐身地毯覆盖的三角棱型凸起的反射场电场分布；
32.图9是频率f0＝2.0thz的右旋或左旋圆极化波以不同倾角斜入射时，被石墨烯超表面隐身地毯覆盖的三角棱型凸起的反射场电场分布。
33.图中：1金属基底层、2电介质层、3石墨烯结构层、4离子凝胶层、5金属电极。
具体实施方式
34.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.参照图1
‑
9，图1是本实用新型的全极化反射型石墨烯相位梯度超表面结构示意图，排列了四个结构单元。参照图1，本实用新型的石墨烯超表面自下而上包括：充当反射层的金属基底1、介质层2、石墨烯结构层3，以及用于调控石墨烯费米能的离子凝胶层4和金属电极5。
36.在本实施例中，金属基底为反射层，其制作材料可包括但不限于金、银、铜；但本实用新型并不限制于此。
37.介质层不应对太赫兹波及中远红外光有较强的吸收，介质层的厚度约为入射电磁波在介质中传播波长的四分之一左右，在本实施例中，介质层采用二氧化硅。
38.石墨烯结构层3为根据相位空间分布要求排列的环型石墨烯贴片阵列。改变石墨烯环的几何参数，即内径和外径的大小，或者控制石墨烯环的费米能级，可以调控电磁波相位，实现对反射电磁波传播方向的有效控制。石墨烯环阵列可通过电子束光刻和氧等离子体刻蚀等微纳加工方法制作。
39.石墨烯结构层3表面旋涂有离子凝胶(ion
‑
gel)薄层。离子凝胶具有高电容，使用离子凝胶可以在较小的栅极电压下，在大范围内改变石墨烯的费米能级。
40.采用电子束光刻和电子束蒸发工艺在离子凝胶层4上制备金属电极5，通过构建离子凝胶顶栅结构(ion
‑
gel top gate configuration)，外接电压来调控石墨烯环的费米能。
41.实施例1
42.如图1所示，以工作在太赫兹波段的相位梯度超表面为例，本实用新型采用的两个相邻石墨烯环的几何中心之间的距离也就是石墨烯超表面结构单元周期p＝20μm；为了增强石墨烯环的等离子体共振，金属基底层距离石墨烯层即电介质层2的厚度值约为电介质中波长的四分之一左右，本实用新型sio2层厚度t＝20μm；石墨烯环外径a和内径b的取值范围分别为是3～9μm和0～8μm，垂直向下入射的太赫兹线极化波的频率f0＝2thz，石墨烯的费米能e
f
＝0.6ev。
43.利用有限元电磁场仿真软件comsol multiphysics模拟仿真计算得到石墨烯环超表面结构单元反射相位及反射率与石墨烯环内外径几何尺寸的对应关系，如图2所示。由图可知，改变石墨烯环的几何尺寸，反射相位变化能够覆盖0～2π的范围。
44.以下，将基于石墨烯环的超表面结构，构建超表面隐身地毯。
45.实施例2
46.如图3所示，本实用新型将石墨烯超表面结构单元沿弧状棱形凸起表面排列，构建可使弧形凸起及其内部隐身的地毯结构。当需要调控石墨烯费米能时，需要在石墨烯结构层3上添加离子凝胶层4和金属电极5。图3中，沿y方向排列的一列石墨烯环内外径尺寸相同，沿弧形凸起表面一侧弯曲方向排列的石墨烯环内外径尺寸不同。通过改变石墨烯环的几何尺寸，使每个结构单元贡献的补偿相位满足公式(1)：
[0047][0048]
式中k表示真空中的波数，k＝2π/λ0，h表示各个超表面结构单元几何中心距离水平面的高度，θ表示入射波相对水平面的入射角。
[0049]
图2
‑
(a)中插图所示即为计算得到的弧形凸起一侧由高到低，h为不同值时，依次排列的24个超表面单元的反射相位。
[0050]
进一步，根据图2给出的“石墨烯环几何尺寸
‑
反射相位/幅度”对应关系，确定满足空间不同位置反射相位需求的各个石墨烯环几何尺寸(如图2
‑
(a)中黑色点标记所示)，将这些具有特定石墨烯环几何尺寸的超表面结构单元排布在弧形凸起表面对应位置(h)。
[0051]
图4所示为入射频率f0＝2thz，x极化(e//x)、y极化(e//y)和左旋(lcp)、右旋圆极化(rcp)波分别照射到被石墨烯环超表面隐身地毯覆盖的弧形凸起时，反射场的近场电场分布和远场辐射方向图。作为对比，图5给出频率f0＝2thz的右旋圆极化波入射到金属平面和裸露的金属弧形凸起时的近场电场分布与远场辐射方向图。从图4，不管线极化还是圆极化波入射，都可以观察到比较均匀的平面反射波前和单模高定向后向散射模式，与图5的金属平面的反射场近似，好像弧形凸起不存在，这时放置于弧形凸起内部的任何物体对所有偏振波都能呈现完美隐身。相反，如果凸起没有覆盖隐身地毯，则会清晰观察到不均匀的波阵面和偏向垂直方向两侧的强烈散射波束，完全不同于地面的镜像散射，弧形凸起被暴露，如图5中所示的裸露金属弧形凸起的反射场。
[0052]
图6
‑
(a)给出不同频率的x或y极化电磁波垂直入射至石墨烯费米能依次为0.4ev，0.6ev，0.8ev的弧形超表面隐身地毯时的远场辐射方向图。作为对比，图6
‑
(c)和(d)给出不同频率线极化电磁波垂直入射至金属平面和裸露的金属弧形凸起时的远场辐射方向图。从图6(a)可以看出，在一定频率范围内，弧形超表面隐身地毯的反射场均可呈现类似金属平
面的单模高定向后向散射，如图中两竖线之间区域所示，好像凸起物不存在，实现了对弧形凸起及其内部的伪装隐身，隐身工作带宽接近0.9thz。随着费米能的增大，隐身频带随费米能的增大发生蓝移，证明调节石墨烯费米能可以调控隐身超表面的工作频带，在更大的频率范围实现隐身，获得工作频带动态可调的隐身器件。
[0053]
实施例3
[0054]
利用相同的原理和相似的设计方法，本实用新型的石墨烯超表面可实现对其它形状目标物的全极化隐身效果，如图7所示的三角棱型超表面隐身地毯示意图。
[0055]
图8是不同频率的x或y极化波垂直入射至三角棱型石墨烯超表面隐身地毯时的反射场电场分布，图9是f0＝2thz的圆极化电磁波以不同倾角入射时的反射场电场分布。图8和图9显示，在一定频率和角度范围内，不论是线极化波还是圆极化波入射，三角棱形隐身超表面的反射场与金属平面的反射场分布类似，同样实现了对凸起目标物的宽波带、宽角域、全极化伪装隐形。
[0056]
本实用新型提出的基于墨烯环的相位梯度超表面的制作可采用如下方法制备：
[0057]
(1)利用化学气相沉积法在铜箔表面制备单层石墨烯。
[0058]
(2)利用湿法转移技术将石墨烯转移到预先准备好的sio2/金属基底上。
[0059]
(3)采用电子束光刻和氧等离子体刻蚀技术在石墨烯单层表面刻蚀出石墨烯环阵列的图案。
[0060]
(4)利用旋涂法在石墨烯结构层3表面制备厚度约100nm的离子凝胶薄层。
[0061]
(5)采用电子束光刻和电子束蒸发工艺在例子凝胶表层制备金属电极5，构造可调控石墨烯费米能的离子凝胶顶栅结构。
[0062]
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。