本發(fā)明涉及一種基于石墨烯表面等離子體的寬帶太赫茲吸波器，屬于石墨烯材料在太赫茲波段應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

太赫茲波是指頻率在0.1THz到10THz間的電磁波，在毫米波和紅外線之間，同時(shí)具有這兩個(gè)波段的部分特性。隨著太赫茲技術(shù)在通信、成像、傳感等方面的應(yīng)用，引起了人們對(duì)太赫茲技術(shù)的極大關(guān)注。目前在自然界中很少有材料可以應(yīng)用于這一波段，主要是缺少有效的太赫茲源和探測(cè)器，近年來(lái)為了提高太赫茲探測(cè)器件的探測(cè)效率和靈敏度，科研人員開始將太赫茲波吸波材料的研究放在至關(guān)重要的位置，其中基于超材料的太赫茲吸波材料的研究是一個(gè)重要方向，通過(guò)改變結(jié)構(gòu)單元的尺寸，可以使材料作用于太赫茲頻段，從而作為一種太赫茲吸波器件。

吸波材料是一種可以將入射到材料表面的電磁波轉(zhuǎn)換為熱能或其他形式能量的一類材料，可減少電磁波的透射和反射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的吸收。目前典型的吸波器件結(jié)構(gòu)為三明治型：其頂層為周期性超材料圖案，中間是一層非金屬介質(zhì)材料，底層是不透明的金屬平面。通過(guò)調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)的尺寸來(lái)調(diào)節(jié)吸收峰的位置和吸收效率。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(shù)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(yīng)用。

相比于傳統(tǒng)的金屬吸波器，本發(fā)明提出的基于石墨烯的太赫茲吸波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工。由于石墨烯的相對(duì)介電常數(shù)實(shí)部在太赫茲波段為負(fù)的，所以在太赫茲波段石墨烯表現(xiàn)出金屬的性質(zhì)，支持表面等離子體激元。作為新材料的石墨烯，在太赫茲波段所展現(xiàn)出的特性，使其成為吸波材料研究的熱點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯表面等離子體的寬帶太赫茲吸波器，提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，吸收效率高的寬帶吸波器，吸收效率在90％以上的帶寬為2.2THz，從3.2THz到5.4THz。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：

基于石墨烯表面等離子體的寬帶太赫茲吸波器，該吸波器為三維周期性結(jié)構(gòu)，采用兩層不同尺寸的十字形石墨烯疊加而成。其結(jié)構(gòu)組成自下而上分別為金屬材料金作為反射層，一層二氧化硅襯底，兩層不同尺寸的十字形石墨烯以二氧化硅介質(zhì)隔開。

本技術(shù)方案中的基于石墨烯表面等離子體的寬帶太赫茲吸波器件以石墨烯材料為基礎(chǔ)，可以通過(guò)氧化石墨還原法來(lái)制作，器件的加工還包括光刻及刻蝕技術(shù)，本發(fā)明使用兩層不同尺寸的十字形石墨烯為吸收介質(zhì)。

本發(fā)明所述的有益效果是：

1、可實(shí)現(xiàn)寬帶太赫茲吸波，吸收帶寬為2.2THz，吸收效率接近100％。

2、本發(fā)明所述的寬帶吸波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅采用兩層十字形石墨烯便可實(shí)現(xiàn)寬帶吸收效果。

附圖說(shuō)明

圖1為該吸波器件的單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖2為中間十字形石墨烯層俯視圖

圖3為頂層十字形石墨烯俯視圖

圖4為該吸波器件的吸收效果圖

以上圖片中含有：P＝15μm；h＝2μm；d＝8.5μm；d1＝0.5μm；w＝5.25μm；L＝8.4μmW1＝5.25μm；L1＝6μm；

1：金；2：二氧化硅；3：十字形石墨烯。

具體實(shí)施方式

圖1為基于石墨烯表面等離子體的寬帶太赫茲吸波器件的一個(gè)單元結(jié)構(gòu)示意圖，采用長(zhǎng)和寬為P，厚度h的金作為反射基底，二氧化硅襯底的厚度為d,中間層十字形石墨烯的寬度為w,長(zhǎng)度為L(zhǎng)，如圖2所示；隔離層二氧化硅的厚度為d1，頂層十字形石墨烯的寬度為w1，長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，如圖3所示；其中二氧化硅的介電常數(shù)設(shè)為4，且金的厚度遠(yuǎn)大于金在太赫茲波段的集膚深度，所以材料金基底可視為完美電導(dǎo)體(PEC)。

該吸波器的工作原理或工作過(guò)程可通過(guò)如下內(nèi)容來(lái)解釋。本實(shí)用新型采用厚度為h＝2μm的金作為基底，由于在太赫茲波段金屬基底的厚度遠(yuǎn)大于其集膚深度，所以電磁波不能透射穿過(guò)基底，電磁波透射的影響可以忽略不計(jì)。在這里可以采用氧化石墨還原法制作一層厚度為1nm的石墨烯薄膜，再轉(zhuǎn)移到二氧化硅介質(zhì)層上，通過(guò)掩膜光刻法得到十字形石墨烯陣列。在太赫茲波段，當(dāng)太赫茲波垂直入射到十字形石墨烯表面時(shí)，可以激發(fā)十字形石墨烯的表面等離子體激元(SPPs)，產(chǎn)生局域表面等離子體諧振，增強(qiáng)對(duì)電磁波的約束。在這里，十字形石墨烯可看成一個(gè)諧振器，如圖2和圖3所示。其諧振條件可由公式2k_sppL+2δ＝2pπ來(lái)表示，其中k_spp為石墨烯表面等離子體波矢，L為諧振腔長(zhǎng)度，δ為諧振腔兩端的相位變化，p為整數(shù)。當(dāng)太赫茲波入射到石墨烯表面時(shí)，太赫茲能量便被束縛在十字形石墨烯的邊界處，使得吸收增強(qiáng)。通過(guò)該公式可知，當(dāng)十字形石墨烯的諧振腔長(zhǎng)度L改變時(shí)，石墨烯表面等離子體波矢也會(huì)發(fā)生變化，從而造成吸收峰值頻率的變化。利用這一思路可知，當(dāng)采用兩層不同長(zhǎng)度的十字形石墨烯陣列時(shí)，便可得到不同的吸收峰值，當(dāng)兩層不同長(zhǎng)度的十字形石墨烯疊加在一起時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)寬帶的展寬。

圖4為采用有限元方法模擬得到的寬帶吸收效果圖。在這里通過(guò)摻雜的方法使得石墨烯的化學(xué)勢(shì)為1eV，可以看到吸收在90％以上的帶寬為2.2THz,從3.2THz到5.4THz。