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一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件实用新型专利

更新时间:2024-11-01
一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件实用新型专利 专利申请类型:实用新型专利;
地区:江苏-徐州;
源自:徐州高价值专利检索信息库;

专利名称:一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件

专利类型:实用新型专利

专利申请号:CN202410118195.3

专利申请(专利权)人:中国矿业大学
权利人地址:江苏省徐州市大学路1号

专利发明(设计)人:崔鸿忠,高鹏,刘海,程德强,陈聪,戴耀威

专利摘要:本公开的实施例提供一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件,包括:多功能超表面器件由呈周期性排布的多个超表面单元组成;每个超表面单元包括至下而上设置的底层金属反射层、中间介质层和顶层图案层;顶层图案层包括金属条和石墨烯薄膜层;其中,当线极化的太赫兹波竖直入射到超表面器件时,改变石墨烯薄膜层中石墨烯的费米能级,使石墨烯薄膜层和金属条产生电偶极子共振,且金属条与底层金属反射层产生电偶极子共振,使金属条与入射电磁波产生强耦合,实现对入射太赫兹波的高效吸收以及高效的极化转换效果。本公开,借助石墨烯费米能级的可调特性,通过外加电压,使其费米能级可调控,从而实现同时得到很好的吸收效果与极化转换效果。

主权利要求:
1.一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件,其特征在于,所述多功能超表面器件由呈周期性排布的多个矩形超表面单元组成;每个所述超表面单元包括至下而上设置的底层金属反射层、中间介质层和顶层图案层;所述顶层图案层包括两个金属条和一个L形石墨烯薄膜层;两个所述金属条呈L形设置,且共同与所述石墨烯薄膜层构成呈矩形的所述顶层图案层;
其中,当线极化的太赫兹波竖直入射到超表面器件时,通过对所述石墨烯薄膜层施加电压调节石墨烯的费米能级,使所述石墨烯薄膜层和所述金属条产生电偶极子共振,且所述金属条与所述底层金属反射层产生电偶极子共振,使所述金属条与入射电磁波产生强耦合,实现对入射太赫兹波的高效吸收以及高效的极化转换。
2.根据权利要求1所述的器件,其特征在于,所述底层金属反射层的材料包括金,厚度为0.3~0.5μm。
3.根据权利要求1所述的器件,其特征在于,所述中间介质层的材料包括聚酰亚胺(PI),其厚度为8‑12μm。
4.根据权利要求1所述的器件,其特征在于,所述石墨烯薄膜层包括单层石墨烯,其厚度为1nm。
5.根据权利要求1所述的器件,其特征在于,所述石墨烯薄膜层呈L形,其长边和短边尺寸相等;其中,所述石墨烯薄膜层的边长为
20μm,宽度为2‑4μm。
6.根据权利要求1所述的器件,其特征在于,所述超表面单元周期长度为20μm。
7.根据权利要求1所述的器件,其特征在于,所述金属条的厚度为0.3‑0.5μm,长度为13‑15μm,宽度为2μm。
8.根据权利要求1所述的器件,其特征在于,所述超表面器件的吸收率表示为A=1‑R‑T,其中,R表示反射率,T表示透射率。
9.根据权利要求1所述的器件,其特征在于,所述超表面器件的极化转换率表示为 其中,Ryy为共极化反射系数,Rxy为交叉极化反射系数。 说明书 : 一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件技术领域[0001] 本公开的实施例属于超表面器件技术领域,具体涉及一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件。背景技术[0002] 光是人类探索和认知世界的基础,小至基本粒子,大到对遥远星系的探测都离不开对光的精细操控。自由地操纵光束一直是人们渴望实现的目标,通过对光场基本维度(振幅、相位、偏振和频率)的操控,实现光与物质相互作用过程中信息、能量的有效传递和转化。由Huygens‑Fresnel原理可知,操控光束的关键在于对电磁波波阵面进行有效设计。传统光学器件利用光在介质中传播产生的传输相位累积来实现对波阵面的调制,因此其调控能力受限于调控机制和材料特性,体积较为笨重且功能单一,难以满足光电器件的小型化和集成化需求。近年来飞速发展的纳米技术和微纳加工工艺推动了亚波长尺度光学器件的发展。基于亚波长人工微结构的超表面展现出了突破传统器件限制的强大电磁波操控能力,产生了如负折射、逆切伦科夫辐射、亚衍射极限等反常规的物理现象。[0003] 太赫兹波由于光子能量低、穿透力强、频带范围宽等特点,在宽带无线通信、生物传感、安全检查和光谱成像等领域有巨大应用前景。在太赫兹通信、成像、传感检测等应用领域都需要对太赫兹波幅值与偏振进行调控,传统自然材料由于尺寸限制,对太赫兹波幅值与偏振的调控能力有限,而基于超表面的太赫兹器件设计灵活、体积小、易于集成,已经成为太赫兹波调控器件研究重点之一。但是已报道的大部分器件只能实现单一功能,很难满足现在的实际应用需求。[0004] 因此,如何解决上述问题成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。发明内容[0005] 本公开的实施例旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一,提供一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件。[0006] 本公开的实施例的一个方面,提供一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件,包括:[0007] 所述多功能超表面器件由呈周期性排布的多个超表面单元组成;每个所述超表面单元包括至下而上设置的底层金属反射层、中间介质层和顶层图案层;所述顶层图案层包括金属条和石墨烯薄膜层;[0008] 其中,当线极化的太赫兹波竖直入射到超表面器件时,改变石墨烯薄膜层中石墨烯的费米能级,使所述石墨烯薄膜层和所述金属条产生电偶极子共振,且所述金属条与所述底层金属反射层产生电偶极子共振,使所述金属条与入射电磁波产生强耦合,实现对入射太赫兹波的高效吸收以及高效的极化转换效果。[0009] 可选的,所述底层金属反射层的材料包括金,厚度为0.3~0.5μm。[0010] 可选的,所述中间介质层的材料包括聚酰亚胺(PI),其厚度为8‑12μm。[0011] 可选的,所述石墨烯薄膜层包括单层石墨烯,其厚度为1nm。[0012] 可选的,所述石墨烯薄膜层呈L形,其长边和短边尺寸相等;其中,所述石墨烯薄膜层的边长为20μm,宽度为2‑4μm。[0013] 可选的,所述超表面单元周期长度为20μm。[0014] 可选的,所述金属条的厚度为0.3‑0.5μm,长度为13‑15μm,宽度为2μm。[0015] 可选的,所述超表面器件的吸收率表示为A=1‑R‑T,其中,R表示反射率,T表示透射率。[0016] 可选的,所述超表面器件的极化转换率表示为[0017] 其中,Ryy为共极化反射系数,Rxy为交叉极化反射系数。[0018] 本公开的实施例的有益效果,包括:[0019] 本公开中,借助于石墨烯费米能级的可调特性,通过外加电压,使其费米能级可调控,从而实现同时得到很好的吸收效果与极化转换效果。附图说明[0020] 图1为本公开的一实施例的一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件的结构示意图;[0021] 图2为本公开的另一实施例的一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件的结构示意图;[0022] 图3为本公开的一实施例的一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件的x极化入射波下的吸收率随费米能级变化的曲线图;[0023] 图4为本公开的一实施例的一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件的y极化入射波下的吸收率随费米能级变化的曲线图;[0024] 图5为本公开的一实施例的一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件的x极化入射波下的极化转换率随费米能级变化的曲线图;[0025] 图6为本公开的一实施例的一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件的y极化入射波下的极化转换率随费米能级变化的曲线图。具体实施方式[0026] 为使本领域技术人员更好地理解本公开的技术方案,下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细描述。[0027] 下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本申请的原理,但不能用来限制本申请的范围,即本申请不限于所描述的实施例。在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有说明,“多个”的含义是两个以上;术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系仅是为了便于描述本申请和简化描述,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申请的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。“垂直”并不是严格意义上的垂直,而是在误差允许范围之内。“平行”并不是严格意义上的平行,而是在误差允许范围之内。[0028] 在本申请的描述中,还需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言,可视具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。[0029] 如图1‑2所示,一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件,包括:多功能超表面器件由呈周期性排布的多个超表面单元组成,每个超表面单元包括至下而上设置的底层金属反射层1、中间介质层2和顶层图案层3,顶层图案层3包括金属条32和石墨烯薄膜层31。[0030] 其中,当线极化的太赫兹波竖直入射到超表面器件时,改变石墨烯薄膜层31中石墨烯的费米能级,使石墨烯薄膜层31和金属条32产生电偶极子共振,且金属条32与底层金属反射层1产生电偶极子共振,使金属条32与入射电磁波产生强耦合,实现对入射太赫兹波的高效吸收以及高效的极化转换效果。[0031] 本公开中,借助于石墨烯费米能级的可调特性,通过外加电压,使其费米能级可调控,从而实现同时得到很好的吸收效果与极化转换效果。[0032] 具体的,请参阅图1‑6,一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件,包括单个超表面单元,或多功能超表面器件由多个周期性排布的超表面单元组成,其中,单个超表面单元至下而上包括底层金属反射层1、中间介质层2以及上表面周期排布的顶层图案层3。进一步,中间介质层2上表面周期排布的图案层由石墨烯薄膜层31和金属条32组成。[0033] 一些实施例中,底层金属反射层的厚度为0.3~0.5μm。采用该设计,可以实现器件小型化的设计。[0034] 一些实施例中,底层金属反射层1的材料为金,厚度h1=0.3μm,其中,底层金属反射层1的电导率为4.561×10^7S/m。采用该设计,可以在满足反射的条件下,实现器件小型化的最优设计。[0035] 一些实施例中,中间介质层的材料包括聚酰亚胺(PI),其厚度为8‑12μm。当厚度位于8‑12μm时,超表面器件具有较高的吸收率与极化转换率。[0036] 一些实施例中,中间介质层2的材料为聚酰亚胺,厚度h2=10μm,其介电常数为3.5,介电损耗角为0.0027。采用该设计,使超表面器件具有较高的吸收率与极化转换率的同时,还能近乎满足阻抗匹配理论。[0037] 一些实施例中,石墨烯薄膜层呈L形,其长边和短边尺寸相等,其中,石墨烯薄膜层的边长为20μm,宽度为2‑4μm。采用该设计,使超表面器件具有较高的吸收率与极化转换率。[0038] 一个实施例中,中间介质层2的材料为聚酰亚胺,顶层图案层3由石墨烯薄膜层31和金属条32混合组成。石墨烯图案层为单层石墨烯,石墨烯薄膜层31厚度h4=1nm,石墨烯长度为20μm,石墨烯宽度t1=3μm,其中,石墨烯的电导率采用Drude模型,弛豫时间为0.1ps,其费米能级为0.1eV~0.9eV。采用该设计,使得超表面器件具有最佳的吸收率与极化转换率。[0039] 一些实施例中,金属条的厚度为0.3‑0.5μm,长度为13‑15μm,宽度为2μm。采用该设计,使超表面器件具有较高的吸收率与极化转换率[0040] 一些实施例中,超表面单元呈矩形。超表面单元周期长度P=20μm,金属条32厚度h3=0.3μm,金属条32长度t2=14μm,金属条32宽度为t3=2μm。采用该设计,使得超表面器件具有最佳的吸收率与极化转换率。[0041] 一些实施例中,石墨烯薄膜层31采用化学气相沉积制备,通过激光直写刻蚀或紫外光刻技术实现多功能超表面器件上表面的石墨烯图案的制备,底层金属反射层1通过金属镀膜制备。[0042] 一些实施例中,超表面器件的吸收率表示为A=1‑R‑T,其中R表示反射率,T表示透射率。底层金属反射层1厚度远大于波段太赫兹的趋肤深度,透射率可视为T=0,则吸收率可简化为A=1‑R。[0043] 一些实施例中,超表面器件的极化转换率表示为 其中Ryy为共极化反射系数,Rxy为交叉极化反射系数。[0044] 本公开对超表面单元参数进行优选,通过CST仿真软件,对所设计的超表面器件的超表面单元进行优选。[0045] 如图3‑6为通过仿真计算,相对应的曲线图。当石墨烯费米能级为0.5eV时,得到超过90%的吸收率与极化转换率。[0046] 当线极化的太赫兹波垂直入射到的一种基于石墨烯的太赫兹多功能超表面器件时,石墨烯费米能级为0.5eV时,顶层石墨烯结构近似金属性质,使其和顶层的金属条32产生电偶极子共振,并且顶层的金属条32与底层金属反射层1产生电偶极子共振,使金属条32与入射电磁波产生强耦合,从而实现对入射太赫兹波的高效吸收以及高效的极化转换效果。[0047] 在超表面器件两侧施加电压,石墨烯弛豫时间为0.1ps,当石墨烯费米能级从0.1eV~0.9eV之间变化时,该器件对线极化入射波的吸收率从低到高再变低,当费米能级为0.5eV时,吸收效果最好,在3.6‑4.6THz频段内,吸收率超过了90%,并且该器件对线极化偏振不敏感。[0048] 在超表面器件两侧施加电压,石墨烯弛豫时间为0.1ps,当石墨烯费米能级从0.1eV~0.9eV之间变化时,该器件对线极化入射波的极化转换率从无到高再变低,当费米能级为0.5eV时,极化转换效果最好,在3.7‑4.1THz频段内,极化转换率超过了90%,并且该器件对x极化与y极化入射时的极化转换效果几乎一致。可以理解的是,x极化为x轴方向极化,y极化为y轴方向极化。[0049] 一些实施例中,石墨烯薄膜层31呈L形,其长边和短边尺寸相等,其中,石墨烯薄膜层31的边长为20μm,宽度为3μm。[0050] 一些实施例中,超表面单元呈矩形,其边长为20μm。[0051] 可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本公开的原理而采用的示例性实施方式,然而本公开并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本公开的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本公开的保护范围。

专利地区:江苏

专利申请日期:2024-01-26

专利公开日期:2024-09-03

专利公告号:CN117712705B


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