一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器
阅读说明：本技术 一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器 (Terahertz wave absorber with adjustable polarization dependence based on graphene ) 是由 冉佳 彭东亮 李森茂 李阳 张思文 于 2020-11-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器,涉及太赫兹吸波器技术领域,由顶部至底部依次设置的金属结构单元层、介质层和金属层,所述三层结构紧密贴合,所述介质层铺设于所述金属层上表面,所述金属结构单元层铺设于所述介质层上表面,所述介质层还铺设有线状石墨烯,所述金属结构单元层包括四种规格相同的H型金属板,所述金属反射板材料为金,所述介质层材料为聚酰亚胺,通过金属结构单元层以及线状石墨烯谐振单元的整体结构尺寸设计,太赫兹超表面上加载单层石墨烯,通过调节石墨烯的化学势来控制超表面对TE和TM波的吸收率,使太赫兹吸波器获得在太赫兹波段对TE波的良好吸收率,同时对TM波的吸收率实现电压调控。(The invention discloses a terahertz wave absorber with adjustable polarization dependence based on graphene, which relates to the technical field of terahertz wave absorbers, and comprises a metal structure unit layer, a dielectric layer and a metal layer which are sequentially arranged from top to bottom, wherein three layers of structures are tightly attached, the dielectric layer is laid on the upper surface of the metal layer, the metal structure unit layer is laid on the upper surface of the dielectric layer, the dielectric layer is also laid with linear graphene, the metal structure unit layer comprises four H-shaped metal plates with the same specification, the metal reflecting plate material is gold, the dielectric layer material is polyimide, the single-layer graphene is loaded on a terahertz super surface through the overall structural dimension design of the metal structure unit layer and a linear graphene resonance unit, the absorption rate of the super surface to TE and TM waves is controlled by adjusting the chemical potential of the graphene, so that the terahertz wave absorber obtains good absorption rate to the TE waves in a terahertz wave band, and meanwhile, voltage regulation and control are realized on the absorption rate of TM waves.)
技术领域
本发明涉及太赫兹吸波器技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器。
背景技术
太赫兹吸波器能够有效地识别不同的极化波，在高分辨率成像、安全通信领域有着潜在的应用。因此在信息处理当中，太赫兹吸波器是非常重要的。可调谐的极化依赖一直是太赫兹吸波器方面所缺乏的。可调谐极化依赖意味着可以根据需求来调整器件对不同极化波的上吸收率。
传统的吸波器通常由单一的局域谐振单元结构构成。单一的局域谐振单元结构优点很多，但是一旦单元结构确定了，其极化吸收的选择性也就固定了，难以对不同极化选择进行调节。因为单一的局域谐振单元难以其他手段来进行极化选择。因此在对于一些传感和检测应用来说,吸波器的极化依赖可调性是非常受青睐的。
发明内容
发明人经研究发现，利用金属层、介质层、H型金属结构单元层和一根石墨烯细线构成的周期性谐振单元可以根据需求来调整器件不同极化方向上吸收率。
有鉴于此，本发明目的在于提供一种小型化、工艺简单、可调谐、极化选择的一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器。
本发明通过下述技术方案实现：
一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器，包括由顶部至底部依次设置的金属结构单元层、介质层和金属层，所述三层结构紧密贴合，所述介质层铺设于所述金属层上表面；所述金属结构单元层铺设于所述介质层上表面，所述金属结构单元层包括四种规格相同的H型金属板，所述四种H型金属板分别为第一H型金属板、第二H型金属板、第三H型金属板和第四H型金属板，所述第一H型金属板和第四H型金属板上下对称设置，所述第二H型金属板和第三H型金属板左右对称设置，所述第一H型金属板和第四H型金属板与所述第二H型H型金属板和第三H型金属板铺设方向垂直；所述介质层还铺设有线状石墨烯，所述线状石墨烯一端连接所述第二H型金属板，所述线状石墨烯另一端连接所述第三H型金属板。
在本方案中，线状石墨烯作为石墨烯谐振单元，对金属结构单元层的四种规格相同的H型金属板整体的结构设计，通过改变外置电压，可以调节线状石墨烯的化学势，从而控制超表面对TE和TM波的吸收率，使太赫兹吸波器获得在太赫兹波段对TE波的良好吸收率，同时实现对TM波的吸收率实现电压调控。
进一步地，所述金属层和H型金属板为金制成的金属层和H型金属板。
在本方案中，由于金具有较高的电导率、抗高温特性以及抗化学腐蚀能力，选用金作为最底层的金属层，可使金属层可以长时间提供稳定的高反射率，同时选用金作为H型金属板的材料，可以提高谐振时的欧姆损耗，结合底层金属层的高反射率，综合提高吸波器的吸波效率。
优选地，所述介质层为聚酰亚胺制成的介质层。
在本方案中，由于聚酰亚胺制成的介质层，电常数较低，且柔韧性强，可作为超薄衬底来使用。
进一步地，所述介质层厚度为8um，长为202um，宽为146.6um。
优选地，所述第一H型金属板与所述第四H型金属板之间距离为40um。
优选地，所述第二H型金属板与所述第三H型金属板之间距离为12.3um。
优选地，所述金属层和所述H型金属板厚度为0.2um，满足制备工艺，避免影响TE/TM极化波的谐振频率，进而控制吸收率。
进一步地，所述H型金属板包括两个平行构件和一个连接件，所述连接件位于两个所述平行构件之间，所述连接件固定两个所述平行构件。
优选地，所述连接件长度为22um，所述连接件宽度为4um。
优选地，所述线状石墨烯线宽为2um。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器，采用两对对称H型金属结构，可以提高TE和TM方向上吸收率。
2、本发明一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器，采用线状石墨烯，可以调节TM方向上吸收率。
3、本发明一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器，可实现便捷的电压调节吸波器的极化依赖特性，有望应用于高分辨率，成像、安全通信等领域。
4、本发明一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器，结构简单，便于制备使用。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明实施例中的俯视图；
图2为本发明实施例中的侧视图；
图3为本发明实施例中的主视图；
图4为本发明实施例中的整体结构示意图；
图5为本发明实施例中的石墨烯为0eV化学势下TM和TE方向吸收率与频率的关系图；
图6为本发明实施例中的石墨烯为0.8eV化学势下TM和TE方向吸收率与频率的关系图；
图7为本发明实施例中的石墨烯为0eV和0.8eV化学势时TE、TM波吸收率的变化量绝对值与频率的关系图。
附图标记及对应的零部件名称：
1、第一H型金属板；2、第二H型金属板；3、第三H型金属板；4、线状石墨烯；5、第四H型金属板；6、介质层；7、金属层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例
本发明一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器，结构如图1、图2、图3与图4所示，包括多个吸波单元层，具体为由顶部至底部依次设置的金属结构单元层、介质层6和金属底板，其中，介质层为衬底，三层结构紧密贴合，衬底铺设于金属底板的上表面；金属结构单元层铺设于衬底的上表面，金属结构单元层包括四种规格相同的H型金属板，四种H型金属板分别为第一H型金属板1、第二H型金属板2、第三H型金属板3和第四H型金属板5，第一H型金属板1和第四H型金属板5上下对称，第二H型金属板2和第三H型金属板3左右对称，第一H型金属板1和第四H型金属板5与第二H型金属板2和第三H型金属板3铺设方向垂直；衬底上表面还铺设有线状石墨烯4，线状石墨烯4一端连接第二H型金属板2，线状石墨烯4另一端连接第三H型金属板3。
作为上述实施例的优选，金属层7和H型金属板为金制成的金属层7和H型金属板来综合提高吸波器的吸波效率。
作为上述实施例的优选，介质层6为聚酰亚胺制成的介质层6。
进一步的，H型金属板包括两个平行构件和一个连接件，连接件位于两个平行构件之间，连接件固定两个平行构件，具体为，连接件两端分别固定两平行构件的中点。
需要说明的是，具体连接关系为，位于左右侧的第三H型金属板3和第二H型金属板2对应的两个平行构件与线状石墨烯4相连，连接位置为，两平行构件的中点与线状石墨烯4两端固定，第三H型金属板3和第二H型金属板2对应的两个连接件与线状石墨烯4位于水平方向的同一直线上。此外，第一H型金属板1和第四H型金属板5平行构件的中点与线状石墨烯4的中点位于竖向的同一直线上，线状石墨烯4的中点位于衬底的正中央。
基于上述装置，通过利用外加电压，改变石墨烯的化学势，从而改变石墨烯的电导率，进而改变超表面上的响应电流分布，控制谐振频率，改变不同频率的吸收率。当调节石墨烯的化学势为0eV时，太赫兹波从图2所示结构的左侧入射，被反射金属板所反射。由图5可见对于1.715THz的TE波和TM波，均能激励第一H型金属板1、第二H型金属板2、第三H型金属板3和第四H型金属板5发生谐振，产生损耗，从而获得良好的吸收率。调节石墨烯的化学势为0.8eV时，横向的第二H型金属板2和第三H型金属板3由石墨烯连接，由图6所示，谐振频率发生变化，不再对1.715Hz产生谐振，从而对该频率的TM波吸收率降低。
可以理解的是，金属层和所述H型金属板厚度为0.2um，满足制备工艺，避免影响TE/TM极化波的谐振频率，进而控制吸收率。
作为上述实施例的优选，其中，如图4所示，本发明一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器，其结构参数：衬底宽Px＝146.6um，衬底长Py＝202um，衬底厚度8um，第二H型金属板2与第三H型金属板3之间距离S1＝12.3um，第一H型金属板1与第四H型金属板5之间距离S2＝40um，线状石墨烯4线宽W1＝2um，连接件宽度W2＝4um，连接件长度L2＝22um。
在本实施例中，当石墨烯化学势为0eV时，由图5所示，TE和TM波的吸收峰集中在f＝1.715THz，吸收率分别为93.9％和86.7％。提高石墨烯化学势至0.8eV时,由图6所示，TE波的吸收变化很小，维持在95％，而TM波的吸收率在1.715THz降低至42.2％。
此外，在0eV和0.8eV两个化学势下，由图7所示，TE、TM波吸收率的变化量绝对值，可以看到对于1.715THz，TE波的变化量为1.1％，而TM波的变化量达到44.5％。
由此可知，本发明一种基于石墨烯的极化依赖性可调的太赫兹波吸波器，可实现便捷的电压调节吸波器的极化依赖特性，有望于实现在高分辨率成像、安全通信等领域的应用。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。