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一种可调控多频太赫兹完美吸收器发明专利

更新时间:2024-07-01
一种可调控多频太赫兹完美吸收器发明专利 专利申请类型:发明专利;
地区:山东-青岛;
源自:青岛高价值专利检索信息库;

专利名称:一种可调控多频太赫兹完美吸收器

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202111649880.1

专利申请(专利权)人:青岛大学
权利人地址:山东省青岛市市南区宁夏路308号

专利发明(设计)人:张昆,孔伟金

专利摘要:本发明公开了一种可调控多频太赫兹完美吸收器,沿太赫兹波入射方向从上到下依次包括单层石墨烯、离子胶层、第一分布布拉格反射器、第一介质层、第二分布布拉格反射器、第二介质层和二氧化钒层,第一分布布拉格反射器和第二分布布拉格反射器由N组二氧化硅薄膜和硅薄膜交替构成,单层石墨烯边缘覆盖镂空金电极,和侧边金电极一起置于离子胶层上,并分别与直流电源的正极和负极连接。通过改变吸收器的薄膜层数,可以改变三个吸收峰工作频率的间距;通过调节电源的电压,可以实现对其工作频率的主动调控;通过同时调控环境温度和电压,可以实现对吸收频带数量从0到3的控制;通过改变入射光的角度,可以实现对三个吸收峰工作频率的同步调控。

主权利要求:
1.一种可调控多频太赫兹完美吸收器,其特征在于,沿太赫兹波入射方向从上到下依次包括单层石墨烯、离子胶层、第一分布布拉格反射器、第一介质层、第二分布布拉格反射器、第二介质层和二氧化钒层,其中,第一分布布拉格反射器和第二分布布拉格反射器由N组二氧化硅薄膜和硅薄膜交替构成,N≥1,单层石墨烯边缘覆盖镂空金电极,和侧边金电极一起置于离子胶层上,并分别与直流电源的正极和负极连接。
2.根据权利要求1所述的可调控多频太赫兹完美吸收器,其特征在于,第一介质层和第二介质层的材料选用对太赫兹波透明的介质材料。
3.根据权利要求2所述的可调控多频太赫兹完美吸收器,其特征在于,第一介质层和第二介质层的材料为二氧化硅、聚4‑甲基戊烯‑1、环烯烃聚合体树脂中的一种。
4.根据权利要求1所述的可调控多频太赫兹完美吸收器,其特征在于,二氧化钒层的厚度需满足在350K的温度下不透光;
第一介质层的厚度满足 ,其中c为真空光速,n和d分别为第一介质层所用材料的折射率和厚度;
第一分布布拉格反射器和第二分布布拉格反射器中二氧化硅薄膜和硅薄膜的厚度均满足 ,其中ni和di分别为二氧化硅或硅的折射率与厚度;
在确定第一分布布拉格反射器厚度的基础上,离子胶层的厚度基于包括单层石墨烯层、离子胶层和第一分布布拉格反射器的第一吸收器确定,石墨烯费米能级为0.7eV时,调整离子胶层的厚度使第一吸收器的吸收峰频率为f;
在确定二氧化钒层、第二分布布拉格反射器厚度的基础上,第二介质层的厚度基于包括第二分布布拉格反射器、第二介质层和二氧化钒层的第二吸收器确定,温度为350K时,调整第二介质层的厚度使第二吸收器的吸收峰频率为f。 说明书 : 一种可调控多频太赫兹完美吸收器技术领域[0001] 本发明属于光电子器件技术领域,具体涉及一种基于石墨烯‑布拉格谐振腔‑二氧化钒多层膜结构的可调控多频太赫兹完美吸收器。背景技术[0002] 太赫兹波是频率在0.1THz到10THz范围的电磁波,在通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学等方面拥有广泛的应用前景。随着上世纪八十年代宽带稳定脉冲太赫兹光源的获得,太赫兹技术得以迅速发展。太赫兹技术的发展依赖相关光学器件的研发,然而,能与太赫兹辐射相互作用的天然材料较少。因此,在功能性太赫兹器件方面仍然有巨大需求,如太赫兹开关、偏振转换器和吸收器等。其中,具有近完美吸收的理想吸收器是传感器、调制器、隐身和成像的关键部件之一。[0003] 目前,获得太赫兹完美吸收器的思路主要是设计超材料,可以实现包括窄带、宽带、双频和多频等多种功能的吸收器。由于多种毒品和爆炸物材料都在多个太赫兹频率上有明显的特征谱,多频吸收器在光谱探测和成像方面有着广阔的应用前景。[0004] 实现多频太赫兹完美吸收器的一般方法是设计多种微结构复合的超材料,即在光的传播方向或其垂直方向上设计不同尺寸的相似微结构,不同尺寸的结构其吸收峰的频率不同,通过组合这些结构可以得到多频吸收器。但是这种方法对精确的微加工过程(比如光刻、电子束刻蚀等)有较高的要求,成本较高;当各尺寸微结构的吸收峰半波宽大于相邻吸收峰的频率差时,无法清晰地分辨相邻的两个吸收峰,因此通过这种方法很难得到频率相近的多频完美吸收器。不同地,基于强耦合效应设计的完美吸收器,可以获得两个或多个频率相近、彼此可分辨的吸收峰。另一方面,多数太赫兹完美吸收器是无源器件,器件制备完成后,由于结构及材料参数固定,无法再对其功能进行主动调控;虽然目前已有一些可主动调控的吸收器的设计,但是调控方式单一,难以同时实现对吸收峰频率和数量的调控,这些问题限制了其在集成器件中的应用。因此,实际应用中对可主动调控、易加工、吸收峰分辨度高的多频太赫兹完美吸收器仍然有迫切需求。发明内容[0005] 为了实现上述目的,本发明涉及一种基于石墨烯‑布拉格谐振腔‑二氧化钒多层膜结构的可调控多频太赫兹完美吸收器,可通过调节外加电压和环境温度,实现对其工作频率、吸收峰数量的主动调控。[0006] 本发明涉及的一种可调控多频太赫兹完美吸收器,沿太赫兹波入射方向从上到下依次包括单层石墨烯、离子胶层、第一分布布拉格反射器、第一介质层、第二分布布拉格反射器、第二介质层和二氧化钒层,其中,第一分布布拉格反射器和第二分布布拉格反射器由N(N≥1)组二氧化硅薄膜和硅薄膜交替构成,单层石墨烯边缘覆盖镂空金电极,和侧边金电极一起置于离子胶层上,并分别与直流电源的正极和负极连接。[0007] 具体地,第一介质层和第二介质层的材料选用对太赫兹波透明的介质材料,包括二氧化硅、TPX(聚4‑甲基戊烯‑1)、环烯烃聚合体树脂等。[0008] 二氧化钒层的厚度需满足在350K的温度下不透光;[0009] 第一介质层的厚度满足f=c/(2nd),其中c为真空光速,n和d分别为第一介质层所用材料的折射率和厚度;[0010] 第一分布布拉格反射器和第二分布布拉格反射器中二氧化硅薄膜和硅薄膜的厚度均满足f=c/(4nidi),其中ni和di分别为二氧化硅(或硅)的折射率与厚度;[0011] 在采用上述方法确定第一分布布拉格反射器厚度的基础上,离子胶层的厚度基于包括单层石墨烯层、离子胶层和第一分布布拉格反射器的第一吸收器确定,石墨烯费米能级为0.7eV时,调整离子胶层的厚度使第一吸收器的吸收峰频率为f;[0012] 在采用上述方法确定二氧化钒层、第二分布布拉格反射器厚度的基础上,第二介质层的厚度基于包括第二分布布拉格反射器、第二介质层和二氧化钒层的第二吸收器确定,温度为350K时,调整第二介质层的厚度使第二吸收器的吸收峰频率为f。[0013] 本发明与现有技术相比具有以下有益效果:可调控多频太赫兹完美吸收器可以实现三个频带的完美吸收;通过改变吸收器的薄膜层数,可以改变三个吸收峰工作频率的间距;通过调节电源的电压,可以实现对其工作频率的主动调控;通过同时调控环境温度和电压,可以实现对吸收频带数量从0到3的控制;通过改变入射光的角度,可以实现对三个吸收峰工作频率的同步调控。附图说明[0014] 图1为实施例1中涉及的可调控多频太赫兹完美吸收器结构的侧视图。[0015] 图2为实施例1中涉及的可调控多频太赫兹完美吸收器结构的俯视图。[0016] 图3为实施例1中N=3时,可调控多频太赫兹完美吸收器在不同条件下的吸收谱图。[0017] 图4为实施例1中温度为350K,石墨烯费米能为0.7eV时,光子晶体中薄膜的组数N变化时,可调控多频太赫兹完美吸收器的吸收谱图。[0018] 图5为实施例1中N=3,温度为350K时,可调控多频太赫兹完美吸收器的吸收谱随石墨烯费米能的变化图。[0019] 图6为实施例1中N=3,温度为300K时,可调控多频太赫兹完美吸收器的吸收谱随石墨烯费米能的变化图。[0020] 图7为实施例1中N=3,温度为350K,石墨烯费米能为0.7eV时,可调控多频太赫兹完美吸收器的吸收谱随入射光角度的变化图。具体实施方式[0021] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。[0022] 本实施例涉及的可调控多频太赫兹完美吸收器,沿太赫兹波入射方向(z方向)从上到下依次包括单层石墨烯1、离子胶层2、第一分布布拉格反射器3、第一介质层4、第二分布布拉格反射器5、第二介质层6和二氧化钒层7,其中,第一分布布拉格反射器3和第二分布布拉格反射器5由N(N≥1)组二氧化硅薄膜8和硅薄膜9交替构成。单层石墨烯1边缘覆盖镂空金电极10,和侧边金电极11一起置于离子胶层2上,并分别与直流电源的正极和负极连接。通过调整电源的电压,可以改变单层石墨烯的费米能级,进而改变其电导率,从而实现对吸收器工作频率的主动调控。将可调控多频太赫兹完美吸收器放置在加热台上,改变温度可以实现二氧化钒层7的介质‑金属相变,从而实现对吸收器吸收峰数量的主动调控。[0023] 具体地,第一介质层4和第二介质层6的材料可以选用一种对太赫兹波透明的介质材料,包括二氧化硅、TPX(聚4‑甲基戊烯‑1)、环烯烃聚合体树脂等。[0024] 所述单层石墨烯1、离子胶层2和第一分布布拉格反射器3组成的第一吸收器,可以在单层石墨烯1附近激发Tamm等离激元,从而吸收太赫兹波,其中离子胶层2的厚度会影响其吸收频率。当二氧化钒为金属相时,所述第二分布布拉格反射器5、第二介质层6和二氧化钒层7组成的第二吸收器,可以在二氧化钒附近激发Tamm等离激元,从而吸收太赫兹波,其中第二介质层6的厚度会影响其吸收频率。所述第一分布布拉格反射器3、第一介质层4、第二分布布拉格反射器5组成的布拉格谐振腔,提供一种腔模式,各层薄膜的厚度会影响这种腔模式的共振频率。腔模式与单层石墨烯1、二氧化钒层7附近的Tamm等离激元发生强耦合相互作用,从而实现多频完美吸收。[0025] 实施例1[0026] 如图1所示,本实施例涉及的可调控多频太赫兹完美吸收器,沿太赫兹波入射方向(z方向)从上到下依次包括单层石墨烯层1、离子胶层2、第一分布布拉格反射器3、第一二氧化硅层4、第二分布布拉格反射器5、第二二氧化硅层6和二氧化钒层7,其中,第一分布布拉格反射器3和第二分布布拉格反射器5由N(N≥1)组二氧化硅薄膜8和硅薄膜9交替构成。[0027] 如图2所示,单层石墨烯1的边缘覆盖镂空金电极10,和侧边金电极11一起置于离子胶层2上,镂空金电极10和侧边金电极11分别与直流电源的正极和负极连接,实现镂空金电极10和侧边金电极11之间的导电连接。通过调整电源的电压可以改变单层石墨烯1的费米能级,实现工作频率的主动调控。[0028] 二氧化钒层7的厚度需满足在350K的温度下不透光。其他各层的厚度与温度为350K、石墨烯费米能级>0时可调控多频太赫兹完美吸收器的中心吸收峰频率f有关:第一二氧化硅层4的厚度满足f=c/(2nd),其中c为真空光速,n和d分别为二氧化硅的折射率和厚度;第一分布布拉格反射器3和第二分布布拉格反射器5中二氧化硅薄膜8和硅薄膜9的厚度关系满足f=c/(4nidi),其中ni和di分别为二氧化硅(或硅)的折射率与厚度。在采用上述方法确定第一分布布拉格反射器3厚度的基础上,本实施例中离子胶层2的厚度基于包括单层石墨烯层1、离子胶层2和第一分布布拉格反射器3的第一吸收器确定,石墨烯费米能级为0.7eV时,调整离子胶层2的厚度使第一吸收器的吸收峰频率为f;在采用上述方法确定二氧化钒层7、第二分布布拉格反射器5厚度的基础上,本实施例中第二二氧化硅层6的厚度基于包括第二分布布拉格反射器5、第二二氧化硅层6和二氧化钒层7的第二吸收器确定,温度为350K时,调整第二二氧化硅层6的厚度使第二吸收器的吸收峰频率为f。[0029] 在实际应用中,可以根据对吸收器中心吸收峰频率的需求,改变各层薄膜的厚度。如,吸收器中心吸收峰频率为1THz时,离子胶层2的厚度为17μm,第一二氧化硅层4、第二二氧化硅层6、二氧化硅薄膜8和硅薄膜9的厚度分别为76μm、38μm、38μm和22μm,二氧化钒层7的厚度为30μm。[0030] 基于中心吸收峰频率为1THz时确定厚度的多频太赫兹完美吸收器,进行下述实验:[0031] (1)可调控多频太赫兹完美吸收器的不同工作状态[0032] 当N=3时,可调控多频太赫兹完美吸收器在各状态下的吸收谱如图3所示。在ON状态(温度为350K,石墨烯费米能为0.7eV),吸收器有三个完美吸收峰,工作频率分别为0.96THz,1.00THz和1.05THz。在GON状态(温度为300K,石墨烯费米能为0.7eV),吸收器有两个吸收峰,工作频率分别为0.97THz和1.04THz。在VON状态(温度为350K,石墨烯费米能为0eV),吸收器有两个吸收峰,工作频率分别为0.97THz和1.03THz。在OFF状态(温度为300K,石墨烯费米能为0eV时),吸收器没有吸收峰,不工作。因此,通过调控电压改变石墨烯费米能,同时调控温度改变二氧化钒的性质,可以实现吸收器吸收峰从0到3的变化。[0033] (2)分布布拉格反射器中薄膜的组数对可调控多频太赫兹完美吸收器性质的影响[0034] 当温度为350K,石墨烯费米能为0.7eV时,改变第一分布布拉格反射器3和第二分布布拉格反射器5中薄膜的组数N,研究其对可调控多频太赫兹完美吸收器的影响,结果如图4所示。当N=1时,该吸收器有三个吸收峰,第一吸收峰、中心收峰和第三吸收峰的频率分别为0.96THz,1.00THz和1.05THz。随着N的增加,第一吸收峰频率变大,中心吸收峰的频率不变,第三吸收峰的频率变小。当N>5,三个吸收峰距离太近,不能分辨,随着N的增加,三个吸收峰逐渐变为一个。因此,只有当1≤N≤5时,多频太赫兹完美吸收器可以同时实现三个不同频率的完美吸收;改变N的大小,可以改变第一吸收峰和第三吸收峰的吸收频率,从而影响三个吸收峰的间距。[0035] (3)石墨烯费米能对多频太赫兹完美吸收器吸收谱的调控[0036] 改变直流电源的电压,研究石墨烯的费米能对可调控多频太赫兹完美吸收器的影响。当N=3,温度为350K时,结果如图5所示。此时,二氧化钒为金属相,可调控多频太赫兹完美吸收器有三个吸收峰。随石墨烯费米能的增加,三个吸收峰的频率均增大。当N=3,温度为300K时,结果如图6所示。此时,二氧化钒为介质相,可调控多频太赫兹完美吸收器有两个吸收峰。随石墨烯费米能的增加,两个吸收峰的频率均增大。因此,通过调整费米能级可以实现对多频太赫兹完美吸收器工作频率的调控。[0037] (4)改变太赫兹波的入射角度,可调控多频太赫兹完美吸收器工作频率的变化[0038] 当N=3,温度为350K,石墨烯费米能为0.7eV时,改变太赫兹波的入射角度,其吸收谱的变化如图7所示。随着入射角度的增加,三个吸收峰均向高频率移动,且变化趋势基本一致,可实现三个吸收峰工作频率的同步调控。入射角度增加至60°时,吸收器仍能保持三个独立的吸收峰,且吸收率接近于1。根据此性质,既可以利用入射角度实现对可调控多频太赫兹完美吸收器工作频率的调控,也可以将其作为角度敏感的太赫兹探测器应用于太赫兹光路。

专利地区:山东

专利申请日期:2021-12-30

专利公开日期:2024-06-18

专利公告号:CN115249896B

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