一種基于石墨烯材料的高效可調的太赫茲吸波器件的制作方法

本發明涉及一種基于石墨烯材料作為表面等離子體材料的高效、可調太赫茲吸波器件，屬于石墨烯材料在太赫茲波段應用領域。

背景技術：

太赫茲波在電磁光譜中位于微波和紅外光之間，波長從30μm到3mm，由于其在各個領域，包括生物傳感、成像、醫療、通訊等方面有著廣泛的應用，近年來一直受到人們的關注和研究。然而隨著太赫茲技術應用的快速發展，在一些特殊情況下還需要避免受到太赫茲輻射的影響。盡管大多數介質對太赫茲輻射都或多或少有些損耗，但是它們都不能在很短的距離內完全吸收太赫茲波。因此對于能夠實現高效的太赫茲吸波器件的需求與日俱增，因為這不僅在學術應用，在軍事和醫療領域也有深遠的意義。

到目前為止大多數報道的太赫茲吸波器件基本都是基于由兩種不同的金屬與介質隔離層組成的超材料結構吸波器。盡管這些超材料結構吸波器件能夠實現高效的吸收，但是金屬超材料結構如果要實現吸波性質的可調只能夠去改變材料的幾何參數，然而這些超材料的結構在實驗上一旦固定下來就很難實現可調性。目前在光波段使用金屬表面等離子體納米結構來提高對光的吸收效率和提高薄膜光伏設備的性能方面已經有所研究，但在太赫茲波段由于作為常用的表面等離子體材料的金屬的介電常數虛部非常大從而不能直接支持表面等離子體，也限制了表面等離子體在太赫茲吸波方面的應用。

本發明充分考慮到了實際加工的可操作性，結構難易等要求提出了一種基于石墨烯材料作為表面等離子材料的太赫茲波段的吸波器件。其基本原理是：由于石墨烯超薄的性質，表面波很容易透射入石墨烯中，因此石墨烯能夠在太赫茲波段支持表面等離子體激元，因為石墨烯的相對介電常數實部在太赫茲波段為負數，表現為金屬的性質，從而能夠實現太赫茲波段的表面等離子體模式，同時其虛部比實部小的多，代表了其損耗要比金屬小很多，更為重要的是石墨烯的性質還可以通過外加電壓的方法去調節。作為新型的石墨烯材料，其加工技術也得到了廣 大科研工作者的研究變得日趨的成熟，最常用的加工技術是氧化石墨還原法，故本發明器件在太赫茲實際應用中也有著一定的前景。

技術實現要素：

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種結構簡單，易于加工，吸收高效穩定，易于可調，能夠在實際中的太赫茲波段吸波器件。

為實現上述目的，本發明所采取的技術方案為：一種基于石墨烯材料的高效可調的太赫茲吸波器件，該器件由一層金屬銅材料反射基底層、一層二氧化硅襯底層、一層石墨烯中間層¹、一層二氧化硅中間層²和一層金屬條帶頂層由下往上疊置而成的具有一維周期性的五層結構，周期為25μm。

本技術方案中的高效可調的太赫茲吸波器件以石墨烯材料為基礎，可以通過氧化石墨還原法來制作，器件的加工還包括光刻及刻蝕技術。本發明所述的石墨烯材料選用的化學勢能在0.1ev～0.2ev的低化學勢，這在實驗上進行參雜也是很容易去實現的。

金屬反射襯底層為金屬銅材料，厚度為2μm。

襯底層為二氧化硅材料，其厚度為4μm。

中間層¹為石墨烯材料，厚度為0.34nm

中間層²為二氧化硅材料，厚度為0.5μm～1μm

條帶頂層為金屬銅材料，厚度為2μm，長度為5μm～8μm。其作用是與下方的中間層¹石墨烯形成天線結構，支持金屬-介質-金屬型(metal-insulator-metal)表面等離子體模式。其頂層金屬寬度w可根據所需工作頻率調節，除此之外我們還可以用外加電壓的方法去調節結構的吸收性質，具有很強的可調性，適用于高效可調的吸收。

與現有技術相比，本發明具有如下優點：

(1)天線結構實現對太赫茲信號的高效吸收，吸收效率接近100％，吸收峰易于可調。

(2)吸波器件采用一維周期性結構，結構簡單緊湊，便于大規模集成，發展多元吸波器件。

(3)結構的吸收峰不僅可以通過幾何參數例如銅條寬度去調節還可以通過外加電壓的方法去調節，體現了可調方式的多樣性和易于可調的特點。

附圖說明

圖1是本發明一種基于石墨烯材料的高效可調太赫茲吸波器件結構單元示意圖。

圖2是本發明結構周期在25μm時不同寬度金屬材料銅條帶頂層的吸波器件的太赫茲波吸收譜。

圖3是本發明結構周期在25μm，金屬銅條帶頂層寬帶為8μm時不同中間層²的二氧化硅厚度的吸波器件的太赫茲波吸收譜。

圖4是本發明結構周期在25μm，金屬銅條帶頂層寬帶為8μm，中間層²的二氧化硅厚度為0.5μm時，不同的中間層¹的石墨烯化學勢能的吸波器件的太赫茲波吸收譜。

具體實施方式

以下是本發明的具體實施例并結合附圖，對本發明的技術方案作進一步的描述，但本發明并不限于這些實施例。

實施例一：

附圖1為本吸波器件結構單元示意簡圖。周期為p的金屬反射襯底層1上疊加一層厚度為h的二氧化硅做襯底層2，上層再疊加一層厚度為0.34nm的石墨烯層3，上層再疊加一層厚度為t的二氧化硅中間層4，最上層疊加一層寬度為w厚度為d的條帶層5而構成五層結構。太赫茲光束垂直入射到結構上面，由于襯底層1對太赫茲輻射是不透明的，可以看到結構的吸收率只跟結構的反射率有關。當中間層3采用石墨烯材料時，這樣一種石墨烯-二氧化硅-金屬三層結構類似于光波段的金屬-介質-金屬型結構，此時這種三層的結構就類似于間隙等離子體諧振器，從而支持間隙表面等離子模式。金屬反射層1是為銅材料，周期為25μm，厚度為2μm。二氧化硅襯底層2為二氧化硅材料，其厚度t為4μm。中間層3為石墨烯材料，厚度僅僅為0.34nm。中間層4為二氧化硅材料，厚度為0.5μm～1μm。條帶頂層5為金屬銅材料，厚度d為2μm，寬度w為5μm～8μm。

圖2是通過有限元方法模擬計算得到的該結構周期p在25μm時不同寬度頂層金屬銅材料條帶的太赫茲波吸收譜。從圖中可以明顯的看到四個不同的銅條的寬度范圍從5μm到8μm對應了四條完全不同的吸收光譜。這說明了其吸收的波長對于該結構銅條的寬度是相當敏感的，也可以說是該結構的吸收帶的中心波長 可以由寬度w所決定，因此我們可以很輕易的通過去調節銅條的寬度去調節結構的吸收波長。隨著銅條寬度的增加從5μm到8μm，該結構的吸收光譜出現了紅移，主要是因為石墨烯表面等離子體有效波長的增加，因此吸收峰都向波長較長部分移動。另一方面，調整銅條的寬度w，該超材料的吸收效率都接近100％，沒有多大的改變，一方面表明了該結構能對太赫茲波進行高效的吸收，另一方面說明了間隙等離子體模式主要是和石墨烯和銅條之間的介質厚度有著很大的關系。因此，我們固定了頂層銅條的寬度，改變了中間層²二氧化硅層的厚度對吸收峰的影響，和傳統的光波段的金屬-介質-金屬型(metal-insulator-metal)等離子體結構一樣，我們在太赫茲波段所提出的金屬-介質-石墨烯結構對中間介質層的厚度t也是非常的敏感。如圖3所示，隨著二氧化硅層厚度t從0.5μm增加到1μm，由于結構間隙的增大，吸收峰值出現了明顯的藍移。從圖中可以看出二氧化硅層的厚度t越小，吸收的峰值越大。之所以會有這么高的吸收峰值是因為在金屬條和石墨烯帶之間的等離子體的近場耦合，間隙越小耦合則越強，把電磁場能量都約束在了中間層的介質中。

最后，石墨烯吸波結構的主要的特性是易于可調，除了改變幾何參數去調整吸收峰值外，我們還可以通過外加電壓的方法去調整該該結構的吸波性能。如圖4所示，我們計算分析了吸收光譜在不同的化學勢能下的變化情況。吸收光譜的吸收頻率隨著化學勢能的升高出現了藍移的現象，通過微弱地調整化學勢能，吸波器的吸收頻率調整的范圍可以達到20％左右。通過在石墨烯上施加電壓，石墨烯的化學勢能就會產生變化從而其電導率就可以相應的調節。在調節的范圍內，吸收的效率也沒有改變多少，幾乎是達到了完美的吸收。只是在高頻部分吸收的峰值有稍微的下降，這也體現了石墨烯材料的吸收器具有易于可調性的同時還具有高效吸波的特性。易于可調性，這對于太赫茲波段的吸波器來說是一個非常重要的應用，我們相信我們所設計的結構必定會在未來得到一定的應用。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。