一種基于石墨烯超表面結構的可調諧吸收型傳感器結構及其應用的制作方法與工藝

本發明涉及一種基于石墨烯超表面結構的可調諧吸收型傳感器結構，是一種中紅外波段的單頻/雙頻吸收裝置。

背景技術：
紅外波段(Infrared)是指波長介于微波與可見光之間的電磁波，波長在760納米(nm)至1毫米(mm)之間，比紅光長的非可見光。紅外波具有穿透性強等特點，在通訊、探測、醫療、軍事等方面有廣泛的用途。超表面是一種由超材料結構單元構造的超薄二維陣列平面，可實現對電磁波相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調控。2011年通過超表面實現反常電磁波透射和反射，從而拓展傳統電磁波折射定律的工作在美國《科學》雜志發表后即引起了廣泛的關注，通過超表面可實現負折射、負反射、極化旋轉、匯聚成像、復雜波束、傳播波向表面波轉化等新穎物理效應。超表面豐富獨特的物理特性及其對電磁波的靈活調控能力使其在隱身技術、天線技術、微波和太赫茲器件、光電子器件等諸多領域具有重要的應用前景。石墨烯(Graphene)作為一種具有蜂窩狀二維晶體結構半金屬材料，其特殊的特性很快被人們所關注。研究結果顯示，單層石墨烯對可見光的吸收率為2.3％，石墨烯層數對吸收率有明顯的影響。石墨烯優越的電特性使得其在透光導體、光伏器件、發光設備等方面有十分強大的潛在應用。

技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基于石墨烯超表面結構的可調諧吸收型傳感器結構，該結構具有電調諧性能，同時具備環境介電常數可調諧吸收的特性，可以用于材料檢測等傳感器。為了實現上述目的，本發明采用了如下的技術方案：一種基于石墨烯超表面結構的可調諧吸收型傳感器結構，包括中空上下敞口的極性基體，所述極性基體的中空部由下至上依次填充有導體材料層和半導體材料層，所述半導體材料層填充至與基體口部外緣上表面齊平，由所述半導體材料層、極性基體口部外緣上表面形成的表面上間隔涂覆有條狀石墨烯材料層。進一步，所述導體材料層的厚度為1um，所述半導體材料層厚度為2um，所述極性基體的厚度為3um，所述石墨烯材料層的厚度為1nm。所述極性基體的壁厚W2為0.5um。所述條狀石墨烯材料層的條數為3個，每條石墨烯材料層的寬度d1為1um，相鄰條狀石墨烯材料層的間距d2為1um。所述極性基體材質為硝酸鋇(Ba(NO3)2)或其他介電常數為5的材料。所述導體材料層為金或銀或銅或其它金屬材料。所述半導體材料層材質為二氧化鈦。一種調諧如上所述石墨烯超表面吸收結構吸收頻點的方法，該方法為：對各條狀石墨烯材料層加載電壓，所加載的電壓分別為u1、u2、u3；當選擇電壓為：u1＝u2＝u3＝0.3eV時，所述石墨烯超表面吸收結構吸收頻點分別為29THz,38THz、45THz和48.5THz；吸收率分別為40％，10％，100％，26％。當選擇電壓為：u1＝u3＝0.8eV,u2＝0.3eV時，所述石墨烯超表面吸收結構吸收頻點分別為36THz和45THz；兩個吸收頻點的吸收率均為100％。本發明提供另一種調諧如上所述石墨烯超表面吸收結構吸收頻點的方法，該方法為：選擇不同的背景環境，當選擇背景環境為空氣，即εBG＝1時，所述石墨烯超表面吸收結構吸收頻點分別為29THz、37THz、45THz和48.5THz。當選擇背景環境為水，即εBG＝1.312時，所述石墨烯超表面吸收結構吸收頻點分別為28.9THz、37THz、43.6THz和50THz。當選擇背景環境的介電常數εBG＝1.44時，所述石墨烯超表面吸收結構吸收頻點分別為28.7THz、37THz、43THz和48.7THz。一種如上所述石墨烯超表面吸收結構在環境檢測中的應用。與已有技術相比，本發明有益效果體現在：1、本發明石墨烯超表面吸收結構具有電調諧特性，即在該結構上加載電壓時，吸收頻段會隨電壓變化而改變；既可單獨調諧，也可實現聯調。通過石墨烯表面結構實現電壓調控吸收頻點的位置及個數。2、本發明石墨烯超表面吸收結構具備環境介電常數可調諧吸收率的特性，可用作材料檢測等。附圖說明圖1是本發明的吸收結構單元正視圖及尺寸參數；圖2是本發明的吸收結構單元側視圖及尺寸參數；圖3是本發明的吸收結構在不同背景環境下對電磁波吸收的仿真結果；圖4是本發明吸收結構在不同電壓下單對電磁波吸收的調諧特性；附圖標記：1導體材料層、2半導體材料層、3極性基體、4條狀石墨烯材料層。具體實施方式以下結合附圖通過具體實施方式對本發明技術方案做進一步解釋說明。如圖1、2所示，一種基于石墨烯超表面結構的可調諧吸收型傳感器結構，包括極性基體3，該極性基體三為正方體結構，其中心設有一正方體通孔，在正方體通孔中由下至上依次填充有導體材料層1和半導體材料層2，半導體材料層2填充至與基體上表面齊平，由半導體材料層、極性基體上表面形成的表面上間隔涂覆條狀石墨烯材料層4。本實施例中，導體材料層1的厚度為1um，半導體材料層厚度為2um，極性基體3的厚度為3um，石墨烯材料層4的厚度為1nm；極性基體(3)的壁厚W2為0.5um,整個結構長寬分別為5um、5um。本實施例中，條狀石墨烯材料層4的條數為3個，每條石墨烯材料層4的寬度d1為1um,相鄰條狀石墨烯材料層的間距d2為1um。本實施例中，極性基體3材質為硝酸鋇(Ba(NO3)2)或其他介電常數為5的材料；導體材料層為金或銀或銅或其它金屬材料；半導體材料層材質為二氧化鈦。以下以極性基體3為硝酸鋇(Ba(NO3)2)、導體材料層為金、半導體材料層為二氧化鈦制作的石墨烯超表面吸收結構為例，對該吸收結構的吸收頻點及吸收率做進一步說明。實施例1如圖4所示，對石墨烯超表面吸收結構中的各條狀石墨烯材料層分加載電壓，所加載的電壓分別為u1、u2、u3；當選擇電壓為：u1＝u2＝u3＝0.3eV時，石墨烯超表面吸收結構吸收頻點分別為29THz,38THz，45THz和48.5THz，吸收率分別為40％，10％，100％，26％；當選擇電壓為：u1＝u2＝u3＝0.8eV時，石墨烯超表面吸收結構吸收頻點分別為37THz和39THz；吸收率為40％左右；當選擇電壓為：u1＝u3＝0.3eV,u2＝0.8eV時，石墨烯超表面吸收結構吸收頻點分別為30THz、38THz和48THz，吸收率分別為37％，62％和45％左右。當選擇電壓為：u1＝u3＝0.8eV,u2＝0.3eV時，石墨烯超表面吸收結構吸收頻點分別為36THz和45THz；吸收率均接近100％。因此，在本實施例中，可以通過改變石墨烯納米條的外加電壓，實現吸收結構調諧吸收頻點的位置及個數，實現單調諧和多調諧吸收。實施例2將石墨烯超表面吸收結構置于不同的背景環境中。如圖3所示，當選擇背景環境為空氣，即εBG＝1時，工作頻段選擇20-50THz，石墨烯超表面吸收結構在低頻段出現兩個吸收頻點，分別為29THz、37THz，吸收率40％，10％左右，高頻段出現一個吸收頻點，頻率為45THz,吸收率近100％；當選擇背景環境為水，即εBG＝1.312時，石墨烯超表面吸收結構吸收頻點左移，產生了橫移現象，具體情況為：低頻段的兩個吸收頻段28.9、37THz的吸收率為35％、25％左右，高頻段出現2個吸收頻點，頻率分別為43.6THz和50THz，吸收率98.8％和99％。當選擇背景環境選擇介電常數εBG＝1.44的油時，石墨烯超表面吸收結構吸收頻點分繼續向左移動，第一吸收頻點28.7THz,吸收率為35％，頻點變化較小。第二吸收頻點37THz處，吸收率為33％，吸收率較前面兩種環境略有增加。第三吸收頻點43THz，吸收率為97％，吸收頻點左移，吸收率略有減小。第四吸收頻點48.7THz，吸收率近99％。因此，在本實施例中，可以通過不通背景環境下吸收結構吸收頻點的變化，可用于環境(包括液態環境，如水，油等)檢測；也可通過改變吸收結構的工作背景環境達到調諧吸收頻點的目的。