具有双截断金字塔结构的超宽带太赫兹吸收材料及吸收器的制作方法

1.本发明属于太赫兹吸波技术领域，具体为一种具有双截断金字塔结构的超宽带太赫兹吸收材料及吸收器。


背景技术：

2.太赫兹是位于红外和微波之间的频段。因此，与红外和可见光波段相比，太赫兹具有量子能量低、穿透非极性物质等特点，非常适合生物探测和安全检查。与微波相比，太赫兹具有更宽的带宽，在宽带通信和雷达领域有着广阔的应用前景。其中，太赫兹吸收器件在传感隐身等多光谱器件中有重要应用。
3.太赫兹吸收器件一般由金属微结构、介质介电层和金属薄膜衬底层的组合自上而下组成。通过调节介质介电层的厚度和折射率，以及金属微结构的形状，可以调节thz吸收频率和带宽。目前，基于太赫兹吸收器件的研究很多。例如，du等人提出了一种由具有多层结构的周期性电环谐振器阵列组成。在整个太赫兹波段（0.1thz
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10thz），吸收带宽约为8.02thz（吸收率>90%）。zhu等人展示了一种金属
‑
介质多层复合材料制成的截断金字塔单元结构阵列，在0.7到2.3太赫兹范围内实现了80%以上的大吸收率。zhang等人提出了一种基于双亚表面的太赫兹吸收器装置，该装置由两个亚表面组成，两个亚表面通过不同厚度的电介质层与金属地面隔开。在0.52～4.4thz的频率范围内获得了90%以上的吸光度。
4.同时，由于二维材料具有优良的调节性能，基于二维材料的太赫兹吸收研究也成为一个热点。特别是，石墨烯具有优异的可调谐特性。例如，mou等人提出由单层紧密图案化的石墨烯同心双环和由超薄sio2层隔开的金属镜构成的超表面。该器件在1.18～1.64thz范围内具有90%以上的吸收率。mahdi等人提出了一种基于多层石墨烯超表面的偏振不敏感太赫兹吸收体。吸收体在0.55～3.12thz的极宽频带内表现出>90%的吸光度。
5.为了实现宽带吸收，在平面或垂直空间上堆叠金属或二维材料的多层结构是一种有效的方式。然而，由于空间的限制，平面结构很难实现超宽带吸收。多层结构在垂直方向上的堆叠是扩大吸收带宽的有效方法，但多层结构的重叠增加了结构的尺寸。目前，超宽带太赫兹吸收的方法主要是通过在平面中构造复杂的微结构，或者在垂直与电场方向叠加多层结构。但是由于空间限制，在同一层引入多频带结构以及过多的层数会使结构尺寸增大，制备更加复杂。因此，金属与二维材料的结合可以减少结构的层数，实现超宽带太赫兹吸收。但超宽带和高太赫兹吸收结构仍然是一个挑战。


技术实现要素：

6.本发明克服了现有技术的不足，提出一种具有双截断金字塔结构的超宽带太赫兹吸收材料及吸收器。解决超宽带太赫兹吸收的平面结构空间限制和竖向结构层数过多的问题。
7.为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
8.具有双截断金字塔结构的超宽带太赫兹吸收材料，包括吸收单元，所述吸收单元
包括石墨烯层和设置在石墨烯层上的金属结构；所述石墨烯层与金属结构位于同一平面；若干吸收单元从上至下依次间隔排列，且若干吸收单元的尺寸从上至下呈阶梯状逐渐增大。
9.优选的，包括5层吸收单元，5层吸收单元的上方设置有电介质层，5层吸收单元的下方设置有金属基底。
10.更优的，所述金属基底为金，电导率为4.5
×
105s/m。
11.更优的，所述电介质层的折射率为1.3
‑
1.5。
12.优选的，若干吸收单元从上至下等间距排列，间距为3
‑
7μm，间距优选为5μm。
13.优选的，石墨烯层由单层或多层石墨烯材料组成，通过调整石墨烯层的化学势能可以动态调节实现不同的太赫兹吸收带宽。
14.更优的，所述石墨烯层由3层石墨烯材料组成。石墨烯层的化学势能优选为0.26ev，散射率优选为3.3mev。
15.优选的，所述金属材料可以是与铬电导率相差不大的材料，如钴，镍、锌等材料。金属结构的电导率优选为2.2
×
105s/m。
16.优选的，所述石墨烯层和金属结构均为正方形结构，金属结构位于石墨烯层中心。
17.优选的，电场增强的位置首先从底层的石墨烯层位置开始移动到顶层，随后在从底层的金属结构位置开始往上移动。
18.所述石墨烯层的吸收频率在低频段，而金属结构的吸收频率位于高频段。
19.在该结构的基础对结构进行尺寸扩大或者缩小5倍，石墨烯和金属铬的材料属性变化不太，因此对相应波段扩大或者缩小5倍可以推测具有相同的超宽带吸收作用。
20.一种具有超宽带太赫兹吸收材料的吸收器；超宽带太赫兹吸收器是由周期性的双截断金字塔型结构构成。
21.本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：为了解决平面结构的空间限制和竖向结构层数过多的问题，本发明将平面混合结构与少层垂直结构相结合，有效避免了两种结构的缺点。因此，本发明提出了一种基于五层金属和五层石墨烯的双截断金字塔型太赫兹吸收单元结构。金属和石墨烯在相同的平面，以及五层结构在垂直平面上可以提供多个共振，这不仅可以减少垂直平面的层数和平面的复杂结构，也可以实现超宽带和超高的太赫兹吸收。此外，各金属层和石墨烯层的结构都非常简单，有利于制备。仿真结果表明，石墨烯层与金属层在低频和高频的吸收结合，使得吸收系数大于0.9，最大吸收带宽可达到11.23 thz。此外，通过调节石墨烯的化学势，吸收带宽可以进一步的调节。
附图说明
22.图1为本发明实施例提供的一种基于五层金属和五层石墨烯的双截断金字塔型太赫兹吸收单元结构的侧视图；其中，1为电介质层，2
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6为石墨烯，7为金属基底，8
‑
12为金属结构。
23.图2为图1的俯视图；图3为本发明实施例双截断金字塔型结构的吸收曲线图；图4为双截断金字塔型结构在不同共振吸收峰频率下的电场分布图；
图5为五层金属/石墨烯结构的吸收曲线图；图6为五层石墨烯在不同化学势能下双截断金字塔型结构的吸收图。
具体实施方式
24.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，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。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
25.如图1所示，本实施例提供了一种基于五层金属和五层石墨烯的双截断金字塔型太赫兹吸收单元结构，包括电介质层1、石墨烯、金属结构和金属基底7，所述金属结构设置在石墨烯的上方，一共五层石墨烯（2、3、4、5、6）和金属结构（8、9、10、11、12），每层结构的间距为p，顶层石墨烯距离顶层电介质1的距离也为p。双截断金字塔型太赫兹吸收单元结构的俯视图为正方形，信号源位于电介质1上方垂直入射双截断金字塔型太赫兹吸收单元结构，如图2所示。
26.具体地，本实施例中，所述电介质层1折射率为1.4，材料厚度为30μm，单元结构的周期l为20μm，每层结构之间的间距p为5μm。所述石墨烯的化学势能为0.26ev，散射率为3.3mev，层数为3层。所述金属结构为铬，电导率为2.2
×
105s/m，材料厚度为200nm。所述金属基底7为金，电导率为4.5
×
105s/m，材料厚度为200nm。
27.如图3所示，为本实施例提供的五层金属和五层石墨烯的双截断金字塔型太赫兹吸收单元结构的吸收曲线图。如图所示，该材料的吸收系数吸收器从1.49
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12.72 thz的吸收系数大于0.9，吸收带宽为11.23 thz。其中吸收曲线的共振吸收点a、b、c、d、e、f、g、h分别为1.72、2.97、5.00、6.65、9.15、11.27、12.00、13.76thz。
28.如图4所示，分别为1.72、2.97、5.00、6.65、9.15、11.27、12.00、13.76thz共振频率的电场图。从电场中可以看出，石墨烯边缘的电场在低频时增强。金属边缘电场在高频时增强。同时，从第一层到第五层的石墨烯层和金属层的电场共振频率明显不同。结果表明，当谐振频率为1.72、2.97、5.00和6.65th时，石墨烯从第一层到第四层可以实现电场共振，共振强度从第四层开始增强依次往上转移到第一层。当共振频率继续增加到9.15、11.27、12.00和13.76th时，金属结构的电场共振出现在第1层到第5层，电场强度从第5层开始增强依次往上转第2层。因此，随着频率的增加，石墨烯层结构在低频时自下而上吸收太赫兹，而金属层结构在高频时自下而上吸收太赫兹，从而产生超宽带吸收。
29.如图5所示，为五层石墨烯/五层金属层的吸收系数，可以明显发现石墨烯的吸收频率在低频段，而金属的吸收频率位于高频段。石墨烯的吸收主要集中在1.40
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4.64thz的低频范围，而金属层的吸收主要集中在7.09
‑
11.80thz和12.81
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14.32thz的高频范围。
30.如图6所示，为五层石墨烯在不同化学势能下双截断金字塔型结构的吸收图，通过对石墨烯的化学势能调节，可以实现不同的太赫兹吸收带宽。
31.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。如将对应的吸收波段扩散至红外、可见光、微波段。虽然
石墨烯和金属铬的材料特性会发生改变，但是替换其它材料，利用平面结构的复合结构与少层的垂直结构结合实现从下到上，从外层到里层对电磁波多波段吸收，得到超宽带电磁波吸收亦属于本发明的保护范围。