基于石墨烯与二氧化钒双宽带动态可切换吸波器

基于石墨烯与二氧化钒双宽带动态可切换吸波器
(一)技术领域
1.本发明涉及的是一种基于石墨烯与二氧化钒双宽带动态可切换吸波器，属于太赫兹超材料吸波领域。
(二)

背景技术：

2.由于具有很多自然材料所不具备的特殊性质，如负折射率、复介电常数、逆多普勒效应等，超材料逐渐进入研究人员的视野。超材料作为一种特殊的亚型材料，可以作为理想的吸波材料，在较窄的频带或较宽的频带范围内获得接近完美的吸收特性。
3.目前，在技术上可通过改变温度、外加光泵或施加电场等方式改变材料的电导率和介电常数，从而实现吸收器工作频率、吸收率的主动调节。在这一基础上，石墨烯和二氧化钒(vo2)因具有特殊的性质而被人们广泛关注。其中，石墨烯的电导率与其自身费米能级有关，因此可以通过外加偏置电压或化学掺杂等方式改变石墨烯的费米能级，从而实现对基于石墨烯的超材料吸收器进行动态调谐。 2016年，yao等人设计出了一种双频段超材料完美吸收器。该吸收器由椭圆形纳米圆盘石墨烯结构和由sio2质隔开的金属层组成，可以通过外加电压方式控制石墨烯的费米能级实现共振频率的调节。二氧化钒是一种热控相变材料，它的电导率在相变过程中会发生巨大突变。当低于临界温度(68℃)时二氧化钒表现为绝缘态，而高于临界温度时表现出金属特性。因此，可利用这一特性对二氧化钒进行加热，对入射电磁波的吸收进行调控。
4.然而，由于材料和结构设计的局限，目前大多数的超材料吸收器都只利用石墨烯或二氧化钒中一种材料的特性，难以同时实现对超材料的工作频率与吸收振幅的双重调控。同时，不同的结构设计和产品的几何参数对最终超材料吸收器的吸波性能也存在很大的不确定性影响。超材料吸波器的工作带宽和吸收性能是性能评价的重要指标；因此如何设计一种性能更佳且具有高度可调谐性能的多功能太赫兹器件，提高产品在不同频段和不同工作状态下的性能，成为本领域技术人员研究的热点。
(三)

技术实现要素：

5.本发明设计了一种基于石墨烯与二氧化钒双宽带动态可切换吸波器，提供了一种极化不敏感、广角入射，吸收效率高的宽带吸波器。
6.本发明的目的是这样实现的：
7.该吸波器由多个吸波单元组成，其主要结构包括底层的金属板(1)，介质材料层1(2)，无图案二氧化钒层(3)，介质材料层2(4)，镂空石墨烯图案层(5)，双t形二氧化钒层(6)，每层之间相互贴合。所属底层金属膜(1) 是金膜，“双t”形二氧化钒层(6)是在单个t形经过平移旋转组合得到的。
8.作为优选，吸波单元周期为p＝20um。
9.作为优选，金膜厚度为h1＝0.2um，介质材料层1厚度为h2＝4.5um，无图案二氧化钒层厚度h3＝1um，介质材料层2厚度为h4＝4.5um。
10.作为优选，镂空双t形石墨烯外框长度为b＝18.6um，厚度为0.34nm, 弛豫时间设为0.1ps。
11.作为优选，“双t”形二氧化钒的厚度h3＝0.2um。
12.作为优选，双t形宽度a＝1.5um,双t形构成的方环内侧长l1＝5um，尾部长l2＝5um。
13.作为优选，“双t”形二氧化钒的形状相同，大小相同。
14.作为优选，当吸波器工作在高频宽带时，vo2电导率设为200000s/m，石墨烯的化学势设为0ev。
15.作为优选，当吸波器工作在低频宽带时，vo2电导率设为20s/m，石墨烯的化学势设为0.8ev。
(四)附图说明
16.图1是基于石墨烯与二氧化钒双宽带动态可切换吸波器三维结构示意图。
17.图2是基于石墨烯与二氧化钒双宽带动态可切换吸波器的俯视图。
18.图3是石墨烯的费米能级为0.8ev、vo2电导率为20s/m时，吸波器的吸收曲线图(记为graphene)；石墨烯的费米能级为0ev、vo2电导率为200000 s/m时，吸波器的吸收曲线图(记为vo2)。
19.图4是石墨烯的费米能级为0.8ev、vo2电导率为20s/m时，该吸波器对te、tm波的吸收曲线图。
20.图5是石墨烯的费米能级为0ev、vo2电导率为200000s/m时，该吸波器对te、tm波的吸收曲线图。
21.图6是vo2电导率为20s/m时，改变石墨烯费米能级0ev-0.8ev时的吸收曲线图。
22.图7是石墨烯费米能级为0ev时，改变二氧化钒电导率20s/m
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200000s/m时的吸收曲线图。
23.图8是当vo2为绝缘态，石墨烯费米能级为0.8ev时，改变入射电磁波的入射角得到的吸收频谱图。
24.图9是当vo2为金属相，石墨烯费米能级为0ev时，改变入射电磁波的入射角得到的吸收频谱图。
(五)具体实施方式
25.下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
26.如图1、2所示，本发明提出的基于石墨烯与二氧化钒双宽带动态可切换吸波器。该器件由多个吸波单元组成，其主要结构包括底层的金属板(1)，介质材料层1(2)，无图案二氧化钒层(3)，介质材料层2(4)，镂空石墨烯图案层(5)，双t形二氧化钒层(6)，每层之间相互贴合。所属底层金属膜(1)是金膜，“双t”形二氧化钒层(6)是在单个t形经过平移旋转组合得到的。
27.作为实施例，每个吸波单元结构尺寸如下：晶格周期为p＝20um，金膜厚度为h1＝0.2um，介质材料1厚度为h2＝4.5um，无图案vo2厚度为h3＝1um，介质材料2厚度为h4＝9.5um，石墨烯厚度为0.34nm、外框长度为b＝18.6um, 且中间镂空部分为双t形。其中顶层
双t形二氧化钒是由一个t经过平移后绕原点旋转180
°
组合而成；其中双t形的宽度为a＝1.5um，双t构成的方环内测长为l1＝5um，方环外侧尾部长度为l2＝5um，其厚度均为h3＝0.2um。当吸波器工作在高频宽带时，vo2电导率设为200000s/m，石墨烯的化学势设为0ev；当吸波器工作在低频宽带时，vo2电导率设为20s/m，石墨烯的化学势设为0.8ev
28.关于吸收率，由公式a(ω)＝1-r(ω)-t(ω)计算得到，其中r(ω)、t(ω)分别为反射率和透射率。对于反射式吸波器而言，大于100nm厚度的金属板的功能是阻止进入到结构的电磁波透射出去，因此t(ω)＝0，故吸收率公式可简化为a(ω)＝ 1-r(ω)。
29.本实施例在电磁波正入射下的吸波情况如图3所示，该仿真结果由cstmicrowave studio 2019软件计算得到。当吸波器工作在低频宽带时，通过调节外部电压使得石墨烯的化学势为0.8ev，可以看到从1.90thz到4.23thz吸收效率都在90％以上，带宽达到2.33thz。当吸波器工作在高频宽带时，通过调节温度使得vo2的电导率为200000s/m，可以看到从3.32thz到7.00thz吸收效率都在90％以上，带宽达到3.68thz。


技术特征：
1.基于二氧化钒“双t”形宽带可调谐完美吸收器，其特征在于：该吸波器由多个吸波单元组成，自下而上依次为：底层金属膜，介质层和“双t”形二氧化钒，其中“双t”形二氧化钒是由一个倒t经过平移后绕原点旋转180
°
组合而成；其中“双t”形的宽度为a＝1.5um，“双t”构成的方环内测长为l＝5um，方环外侧尾部长度为l1＝5um，其厚度均为0.2um；在二氧化钒电导率为200000s/m时，该吸波器可在太赫兹范围内实现4thz的宽带吸收(吸收效率大于90％)，以及2.7thz的完美吸收(吸收效率大于99％)，电导率为200s/m时，吸波器吸收效率仅为1.8％，调节二氧化钒的电导率可实现不同的吸收效率。2.根据权利要求1所述的基于二氧化钒“双t”形宽带可调谐完美吸收器，其特征在于：周期p＝20um，底层金属板是厚度h1＝0.2um的金膜，介质的介电常数为1.96，其厚度h2＝9.5um。3.根据权利要求1所述的基于二氧化钒“双t”形宽带可调谐完美吸收器，其特征在于：结构简单，极化不敏感，吸收效果好，吸收效率可在2％—100％范围可调。

技术总结
本发明提供的是一种基于二氧化钒“双T”形宽带可调谐完美吸收器。其特征是：该吸波器由多个吸波单元组成，其主要结构包括底层的金板(1)，介质层(2)，和“双T”形二氧化钒层(3)。通过二氧化钒层和介质层之间的相互作用形成一个0-10THz波段有良好吸收性能的宽带吸波器，并且可以通过温度改变二氧化钒的电导率，实现吸收效率2％—100％范围调节。本发明具有极化不敏感、结构简单，吸收效果好等优点，吸收效率在90％以上的带宽达到4THz左右，99％以上带宽达到2.7THz，具有十分广阔的应用前景。具有十分广阔的应用前景。具有十分广阔的应用前景。


技术研发人员：陈明 王向阳 李仁杰 赵万里 韩文豪 时鑫瑜 徐捷 苑立波
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2022.04.27
技术公布日：2022/9/2