基于水-石墨烯-VO2叠层的多频可重构完美吸波体

基于水-石墨烯-vo2叠层的多频可重构完美吸波体
技术领域
1.本发明属于超材料器件技术领域，具体涉及一种可重构多频完美吸波体，可用于对太赫兹电磁波的吸收。


背景技术：

2.太赫兹波在宽带通信、频谱分析、探测传感等领域都具有广阔的应用前景。太赫兹超材料吸波体是能够在工作频带处将入射到其表面的电磁波能量转化为其他能量损耗的器件，人们利用超材料技术制备了各种太赫兹波吸波体，可实现单频带、多频带、宽带以及超宽带吸收。
3.在太赫兹波段，多波段可调谐的超材料吸波体更具吸引力，是目前的主要发展方向。尤其，在频率选择性太赫兹热成像领域，通常需要能够动态、连续调节吸收带宽的太赫兹吸波体。多波段超材料可调谐吸波体在多个特定频点或者多个特定频率范围内产生吸收，并且能够对吸收带宽进行动态、连续调节。
4.南京理工大学在其申请号为202011492297.x的专利文献中公开了一种应用在太赫兹频段下具有带通滤波和完美吸收双功能的波束调控器，其同时采用了两种不同种类的可调谐材料来设计一维光子晶体可调谐太赫兹器件，当vo2处于金属相时，可实现单频点的电磁波完美吸收功能，当vo2处于绝缘相时，频率位于缺陷态的太赫兹波将进入一维光子晶体内传播，实现带通滤波功能，并且通过调节石墨烯的化学势对工作频率进行调谐，以达到完美吸波功能和工作频率双调谐目的。此吸波体由于所选材质的局限性只能应用在单频带吸波,且仅可以在小范围吸收频带内调谐，并不适用于目前应用场景更广的同时具有多频带完美吸收、多吸波频段小范围内可调谐以及多吸波频段可重构。
5.南京航空航天大学在其申请号为202011620376.4的专利文献中公开了一种基于超结构的多波段thz吸波体，它设计了一种镂空雪花状的微单元结构层，可以在0.2-3.0thz频段得到多个吸收峰。但这种微单元结构只能产生特定数量的吸收峰，且吸收率不能达到完美吸波，不能满足当下对于多频段完美吸收、多吸波频段小范围内可调谐以及多吸波频段可重构的需求。
6.综上，现有研究虽可实现单频带完美吸波、多频段吸收和单吸波频段小范围内可调谐的功能，但是由于其材质以及结构上的局限性，很难在多频段吸波方面同时完美吸波、吸波频段小范围可调谐和吸波频段可重构，尤其是无法实现在四个波段以上的完美吸收、吸波频段小范围可调谐和吸波频段可重构功能，极大地限制了其吸波应用范围。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提出一种基于水-石墨烯-vo2叠层的多频可重构完美吸波体，以在0-3thz频带范围内实现多个波段完美吸收的基础上，进一步实现完美吸收波段的可重构，并易加工。
8.实现本发明目的技术思路是：通过外部温控转换二氧化钒谐振单元的介质、金属
状态来实现完美吸收波段可重构；通过控制石墨烯的费米能级调谐吸收频点；通过采用全介质材料避免微单元结构的存在，更易加工。
9.根据上述思路，本发明基于水-石墨烯-vo2叠层的多频可重构完美吸波体，包括水基聚四氟乙烯层、石墨烯层、硅层和金属层，其特征在于：
10.所述硅层设为两层，即第一硅层、第二硅层，以增大介质厚度实现多频段的吸收；
11.所述水基聚四氟乙烯层，是一个空心方体，其腔体内部由水层完全填充，以增强对入射电磁波的吸收损耗，达到吸波率99％以上的完美吸收；
12.所述各层其自上而下依次按水基聚四氟乙烯层、石墨烯层、第一硅层、二氧化钒层、第二硅层、金属层的顺序排列，且各层彼此紧密无缝贴合，形成一体结构。
13.作为优选，所述水基聚四氟乙烯层，采用两侧宽度范围均为0.001μm～0.7μm、底部厚度范围为0.001μm～0.1μm、顶部厚度范围为0.001μm～0.3μm、整体厚度范围为7.4μm～10.4μm的空腔方体，以完全封装水层。
14.作为优选，所述石墨烯层，采用厚度d为0.1μm～10μm薄方体贴片，其弛豫时间设定为0.1ps，费米能级μc选取0.1ev～1ev范围内变化从而实现多个波段吸波频率小范围内的调谐。
15.作为优选，所述第一硅层和第二硅层均采用厚度hs为50μm～300μm的实心方体，以实现对入射电磁波的吸收。
16.作为优选，所述二氧化钒层，其采用厚度hv为1.5μm～3.5μm的实心方体，以实现对吸波频段的重构，即在温度低于68℃的环境时呈绝缘状态，吸波体可实现八个吸波率99％以上的完美吸收波段；在温度高于68℃的环境时呈金属状态，吸波体可实现四个吸波率99％以上的完美吸收波段。
17.作为优选，所述金属层采用黄金或银或铜，其厚度h为2μm～5μm。
18.作为优选，所述水层的厚度hw为7μm～10μm。
19.本发明与现有技术相比，具有如下优点：
20.1.本发明由于将传统单个介质硅层分为两部分，可以在灵活控制每个硅介质厚度的同时更为方便地调节不同温度下多吸收频段的数量；
21.2.本发明由于将水基聚四氟乙烯层设为一个空心方体，且其腔体内部由水层完全填充，可利用水在太赫兹频段下高介电常数和大宽带损耗特性增大入射电磁波的吸收损耗，达到多个波段的完美吸收；
22.3.本发明由于将石墨烯层的费米能级μc选定在0.1ev～1ev范围内变化，可以实现多个波段的吸波频率和吸收率调谐。
23.4.本发明由于将二氧化钒层贴合在第一硅层和第二硅层之间，可利用二氧化钒本身的温控特性使吸波体在处于不同温度下产生不同数量和不同吸收波段的吸收峰。
24.5.本发明由于采用为全介质材料，因而结构简便，易于加工。
附图说明
25.图1为本发明的整体结构示意图；
26.图2为用本发明周期性排列成的3
×
3阵列图；
27.图3为在te、tm模式下仿真本发明分别在温度为50℃和70℃时的吸收曲线图；
28.图4为在50℃下仿真本发明对应te、tm模式变换入射角度的吸收图。
29.图5为在70℃下仿真本发明对应te、tm模式变换入射角度的吸收图。
30.图6为50℃下调整石墨烯费米能级的吸收曲线图。
31.图7为70℃下调整石墨烯费米能级的吸收曲线图。
32.图8为50℃下仿真本发明在0-6thz频段范围内的吸收曲线。
33.图9为设定两个硅层厚度均为110μm，50℃下仿真本发明在0-3thz频段范围内的吸收曲线。
具体实施方式
34.以下结合附图，对本发明的实施例和效果作进一步详细说明，本实例包括但不限于以下实施例。
35.参照如图1，本实例包括水基聚四氟乙烯层、水层、石墨烯层、硅层、二氧化钒层和金属层。其中：
36.所述水基聚四氟乙烯层1，其为空心方体，水基聚四氟乙烯层1的两侧宽度范围均为0.001μm～0.7μm、底部厚度范围为0.001μm～0.1μm、顶部厚度范围为0.001μm～0.3μm，整体厚度范围为7.4μm～10.4μm，其内部空腔完全被水填充，形成厚度hw为7μm～10μm的水层2。
37.所述石墨烯层3，其厚度d为0.1μm～10μm，弛豫时间设定为0.1ps，费米能级μc的变化范围是0.1ev～1ev，用于产生等离子体谐振效应，并对入射的电磁波进行束缚。
38.所述硅层分为两个部分，即第一硅层4和第二硅层6，其第一硅层4的厚度h
s1
是50μm～300μm，第二硅层6的厚度h
s2
是50μm～300μm，两个硅层的厚度一致或不同，根据法布里珀罗谐振中吸收峰间隔和介质厚度之间的关系δf＝c/(2nd cosξ)，这两个硅层的整体厚度参数决定了吸波频点的值，同时在固定频率范围内，也决定了吸波频段的数量，其中c为光速，n为介质的折射率，d为介质的厚度，ξ为电磁波的入射角度。
39.所述二氧化钒层5，加载在第一硅层4和第二硅层6之间，其厚度hv为1.5μm～3.5μm，该二氧化钒层随着温度的变化呈现不同的状态，即在温度低于68℃的环境时呈绝缘状态，在温度高于68℃的环境时呈金属状态。
40.所述金属层7，其采用黄金或银或铜金属材料，厚度h为2μm～5μm。
41.上述水基聚四氟乙烯层1、石墨烯层3、第一硅层4、二氧化钒层5、第二硅层6和金属层7均采用边长p为20μm～500μm的方体，形成自上而下依次按水基聚四氟乙烯层1，石墨烯层3，第一硅层4，二氧化钒层5，第二硅层6和金属层7排列顺序组成的紧密无缝贴合整体结构。
42.实例1：
43.本实例取但不限于水基聚四氟乙烯层1的两侧宽度为0.7μm、底部厚度为0.1μm、顶部厚度为0.3μm、整体厚度为7.4μm，水层2的厚度为7μm，水层2的长和宽均为38μm，石墨烯层3的厚度为0.1μm，第一硅层4和第二硅层6的厚度均为55μm，二氧化钒层5的厚度为3μm，金属层7的厚度为2μm，水基聚四氟乙烯层1、石墨烯层3、第一硅层4、二氧化钒层5、第二硅层6和金属层7边长设定为40μm。硅、二氧化钒、石墨烯以及金属在太赫兹频段下的介电常数均由drude模型给出，水的介电常数由德拜模型给出，电磁波沿垂直方向入射，按上述结构关系
构成多频可重构完美吸波体。
44.实例2，本实例设两个硅层的厚度均设定为110μm，其余结构参数实例1相同，按上述结构关系构成多频可重构完美吸波体。
45.实例3：
46.为了覆盖更大的吸波空间，可将本上述实例1或实例2排成m
×
n矩阵吸波体，如图2所示。该矩阵吸波体的长和宽可以根据实际应用自由选择本发明吸波体的个数，图2展示了一款3
×
3矩阵吸波体。
47.本发明的吸波效果通过以下具体实施例来进一步说明。
48.一.仿真条件
49.使用商业仿真软件cst microwave studio对本发明进行数据仿真。
50.仿真的对象是本实例。
51.二.仿真内容
52.仿真1，设置频率范围为0-3thz，对实例1在温度为50℃时设置石墨烯费米能级等于0.2ev和温度为70℃时设置石墨烯费米能级等于0.1ev的情况下，分别对应te、tm不同模式的吸收曲线进行仿真，结果如图3所示。其中，深蓝色线表示吸波体在50℃、te极化下的吸收曲线，三角符号表示吸波体在50℃、tm极化下的吸收曲线，浅蓝色线表示吸波体在70℃、te极化下的吸收曲线，四边形符号表示吸波体在70℃、tm极化下的吸收曲线。
53.从图3可见，在50℃下二氧化钒呈绝缘状态，吸波体在频带0-3thz范围内有8个吸收频点均高于99％；在70℃下二氧化钒呈金属，吸波体在频带0-3thz范围内有4个吸收频点均高于99％。这表示本发明在外部温控条件下，可实现吸波频段的可重构，且对于入射的电磁波具有极化不敏感特性。
54.仿真2，设置频率范围为0-3thz，对实例1在50℃时设置石墨烯费米能级等于0.2ev的情况下，分别对应te、tm不同模式下调整电磁波入射角度的吸收曲线进行仿真，结果如图4所示，其中图4(a)是实例1在50℃、te极化下调整电磁波入射角度的吸收曲线图，图4(b)是实例1在50℃、tm极化下调整电磁波入射角度的吸收曲线图。
55.从图4可见，本发明可以在电磁波入射角为0-50
°
之间对于te极化下的电磁波有90％以上的吸收率，在0-70
°
之间对于tm极化下的电磁波有80％以上的吸收率。
56.仿真3，设置仿真频率范围为0-3thz，对实例1在70℃设置石墨烯费米能级等于0.1ev的情况下，分别对应te、tm不同模式下调整电磁波入射角度的吸收曲线进行仿真，结果如图5所示，其中图5(a)是实例1在70℃、te极化下调整电磁波入射角度的吸收曲线图，图5(b)是实例1在70℃、tm极化下调整电磁波入射角度的吸收曲线图。
57.从图5可见，本发明可以在电磁波入射角为0-60
°
之间对于te极化和tm极化下的电磁波均有80％以上的吸收率。
58.仿真4，设置频率范围为0-3thz，对实例1在50℃时调整石墨烯费米能级的吸收曲线进行仿真，结果如图6所示。
59.从图6可见，调整石墨烯的费米能级会使本实例多个吸收频点发生移动，随之每个吸收频点的吸收率也发生了变化，表明本发明可以通过改变石墨烯的费米能级实现多个波段的吸波频率和吸收率调谐。
60.仿真5，设置频率范围为0-3thz，对实例1在70℃时调整石墨烯费米能级的吸收曲
线进行仿真，结果如图7所示。
61.从图7可见，调整石墨烯的费米能级会使本实例多个吸收频点发生移动，随之每个吸收频点的吸收率也发生了变化，表明本发明通过改变石墨烯的费米能级能够实现多个波段的吸波频率和吸收率调谐。
62.仿真6，设置仿真频率范围为0-6thz，对实例1在50℃设置石墨烯费米能级等于0.2ev时的吸收曲线进行仿真，结果如图8所示。
63.从图8可见，本发明在0-6thz频率范围内有十六个完美吸收峰，表明本发明适应频率范围包括但不限于0-3thz频率范围。
64.仿真7，设置仿真频率范围为0-3thz，对实例2在50℃时的吸收曲线进行仿真，结果如图9所示。
65.从图9可见，本发明在0-3thz频段范围出现了十五个完美吸收峰，表明本发明理论上可通过分别灵活调整第一硅层和第二硅层的厚度参数实现在0-3thz频率范围内对应数量吸收峰的完美吸收。
66.以上描述仅是本发明的几个优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。