一种基于叉指结构石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器

本发明涉及基于叉指结构石墨烯宽带可调太赫兹吸波器，属于微纳光电子集成领域。

背景技术：

1、超材料是含有亚波长结构的人工工程材料，其具有负折射率，负介电常数的特性，这些特性引起了人们的特别关注。石墨烯材料的等离子体频率和纳米带的带隙都在太赫兹(thz)范围内，石墨烯超表面可与电磁波激发表面等离激元共振，且石墨烯的表面电导率可通过外加电压等调控，使得石墨烯为可重构的超表面和超材料开辟了一条新的途径。人们已经成功地将其应用于各种光电器件，例如吸波器、偏振器、传感器和波导等。

2、本发明提供了一种非对称石墨烯叉指结构的吸波器。该结构利用石墨烯在太赫兹波段上局域表面等离子体激元特性，在吸收光谱中呈现强烈的局域等离子体共振。通过调节叉指结构的臂长，可实现吸收带宽的拓展与压缩，同时该结构可与集成电路工艺相结合，通过不同的叉指电极掩膜版可实现工作带宽的灵活选取，通过调节石墨烯的费米能级和弛豫时间，可实现有效调节吸收峰。因此，本文提出的结构具有良好的动态可调能能力，为吸波器的设计提供一种新策略。

技术实现思路

1、本发明涉及一种基于叉指结构石墨烯宽带可调太赫兹吸波器，其结构简单，易于制备。

2、本发明通过以下技术方案实现：基于叉指结构石墨烯宽带可调太赫兹吸波器，如图1(a)所示，吸波器自下而上分别是金属电极层、聚酰亚胺(pi)构成的电介质层，叉指结构石墨烯层。

3、叉指结构石墨烯单元结构如图1(b)所示，其中臂长分别为l1、l2，臂宽为w，单元结构周期为p，叉指结构个数均通过fdtd参数优化选出。

4、平面光源从z方向垂直入射，其中x、y方向均为周期性边界条件，z方向设为完美匹配层(pml)。

5、与现有技术相比，本发明的优点：

6、研究发现，本发明设计的结构相较于其他结构吸波器结构而言，可实现多波段可调吸收，且叉指结构在集成电路应用广泛，本设计能与现有的工艺相结合、易于制备，具体是指改变叉指的数目和叉指的长度可以实现带宽的扩展与压缩，并且可以通过外加电压的方式改变石墨烯的费米能级来实现吸收峰的可调性，为军事、医学等领域的应用提供了新思路。

技术特征：

1.一种基于叉指结构石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，如图1(a)所示，其特征在于，所述吸波器单元由3层结构构成，吸波器自下而上分别是金属层(1)、聚酰亚胺构成的电介质层(2)、叉指结构石墨烯层(3)。

2.根据权利要求1所述的一种基于叉指结构石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，如图1(b)所示，其特征在于：吸波器单元的周期为p，固定为10μm，叉指结构臂长l1为6.5μm，臂长l2为6.5μm，臂宽w为0.5μm；单元结构尺寸参数均通过fdtd优化选出，方法为：固定石墨烯费米能级为1.0ev，弛豫时间τ为0.1ps，对石墨烯叉指结构参数(l1)及叉指个数进行优化，分析不同尺寸单元结构的吸收率与吸收带宽后选出最优方案，最终选出的单元结构在δf＝2.468thz波段还保持着90％以上的高吸收率，见图2。

3.根据权利要求1所述的一种基于叉指结构石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：介质层(2)采用聚酰亚胺材料，相对介电常数为3.5，介质层厚度h2固定为12μm。

4.根据权利要求1所述的一种基于叉指结构石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：所述基底(3)采用金材料，所述金材料的等离子体频率为1.37×1016rad/s，碰撞频率为4.08×1013rad/s，厚度h1固定为0.2μm。

5.根据权利要求1所述的一种基于叉指结构石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：金属电极层用于对石墨烯费米能级和弛豫时间统一调控，通过调节石墨烯的费米能级(0.6～1ev),弛豫时间(0.1～0.3ps)，可实现吸收带宽从2.2～5.1thz的动态调控，如图3所示。

6.根据权利要求1所述的一种基于叉指结构石墨烯的宽带可调太赫兹吸波器，其特征在于：固定石墨烯费米能级为1ev，弛豫时间τ为0.1ps，调节叉指结构的长度l1和叉指个数，吸波器可以在保持高吸收率的同时动态调节吸收带宽，如图4所示。

技术总结本发明提出一种基于叉指结构石墨烯宽带可调太赫兹吸波器。该吸波器由三层结构构成，自下而上分别是金属层、聚酰亚胺电介质层及叉指结构石墨烯层。通过优化扫描选出了具有最优尺寸的叉指结构，金属电极用于对石墨烯费米能级及弛豫时间统一调控，通过调节费米能级(0.6～1eV)，弛豫时间(0.1～0.3ps)，可以实现在宽带内(2.2～5.1THz)的动态调控。除此之外，该发明还具有易于制备、可与集成电路工艺相结合等优点。因此，该发明在太赫兹领域中，如成像、隐身和开关操作设备等方面，它都具有广泛的应用前景。技术研发人员：肖功利,李凯,杨宏艳,陈赞辉,刘兴鹏,王阳培华,孙堂友,李海鸥受保护的技术使用者：桂林电子科技大学技术研发日：技术公布日：2025/1/6