一种可调谐太赫兹超材料吸收器转让专利
申请号 : CN202010425159.3
文献号 : CN111555038B
文献日 : 2021-07-20
发明人 : 杨磊 , 王淏 , 任旭东 , 刘珅驿 , 高鹤
申请人 : 江苏大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种可调谐太赫兹超材料吸收器,其特征在于,吸收器由多个结构单元(5)周期性排列构成,结构单元(5)包括依次叠合在一起的表面超材料层、中间介质层(3)和金属底层(4);
每个结构单元(5)中,所述表面超材料层包括相互对称的两个金属图案(1),其中单个金属图案(1)为开口环结构,开口环远离开口的一侧连接有长金属条;两金属图案(1)开口环的开口朝向相对,并且两金属图案(1)之间镶嵌有可调控材料条(2);
周期性排列的每一行结构单元(5)内,两金属图案(1)两侧的长金属条以及两金属图案(1)之间的可调控材料条(2)分别依次串连为一个整体。
2.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹超材料吸收器,其特征在于,所述开口环结构为方形,开口大小为1μm~4μm。
3.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹超材料吸收器,其特征在于,所述金属图案(1)、金属底层(4)的材料为铜、银、铝、金中的一种。
4.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹超材料吸收器,其特征在于,所述中间介质层(3)的材料为聚酰亚胺、FR‑4或二氧化硅中的一种。
5.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹超材料吸收器,其特征在于,所述可调控材料条(2)为半导体材料。
6.根据权利要求5所述的可调谐太赫兹超材料吸收器,其特征在于,所述可调控材料条(2)与金属图案(1)之间外加有偏置电压,调整偏置电压的大小可以改变可调控材料条(2)的等效电导率。
7.根据权利要求1所述的可调谐太赫兹超材料吸收器,其特征在于,所述可调控材料条(2)为电导率可变材料。
8.根据权利要求7所述的可调谐太赫兹超材料吸收器,其特征在于,所述电导率可变材料为金属相二氧化钒、石墨烯中的一种,可调控材料条(2)两侧外加有偏置电压,调整偏置电压的大小可以改变可调控材料条(2)的等效电导率。
9.根据权利要求7所述的可调谐太赫兹超材料吸收器,其特征在于,所述电导率可变材料为光敏材料,改变所述吸收器外部光强可以改变可调控材料条(2)的等效电导率。
说明书 :
一种可调谐太赫兹超材料吸收器
技术领域
背景技术
“太赫兹空隙”,不能单独使用光学理论或微波理论对其进行处理。因此,在二十世纪八十年
代之前,对太赫兹波的研究较少,现有技术中对于该波段电磁波的处理尚不完善,难以较为
有效地处理太赫兹波。
生物有机大分子特征谱也处于太赫兹波段,这使得太赫兹波在在生物医药领域同样具有巨
大应用潜力。因此,对于太赫兹技术的研究逐渐成为热门,主要体现在对太赫兹波的调制、
吸收、偏振调节、开关等操作的相关实现手段方面,目前对于太赫兹吸收器的设计,一般考
虑使用超材料。
计来实现所需要的功能。传统的超材料吸收器一般由三层结构组成,即由Landy等提出的
“超材料层‑介质层‑金属层”,电磁响应特性由其单元几何结构决定,吸收器制备之后,几何
结构便固定下来了,则电磁响应固定,对于太赫兹超材料吸收器则表现为拥有固定频率的
吸收峰,因此只能被动调节吸收频率。但是随着太赫兹技术应用的不断推广,需要主动改变
太赫兹超材料吸收器吸收频率的情况越来越多,因此可调谐太赫兹超材料吸收器的研究显
得愈加重要。现有可调谐超材料吸收器中,一般整个表面超材料层均为半导体材料或电导
率可调的材料,对于这些材料的设计较为复杂且加工困难。除此以外,还有一种表面超材料
层包含金属材料与半导体材料的结构,其吸收原理一般基于金属图案的开口环谐振器,此
类结构在进行二次设计时,改变一个参数往往会引起较多吸收特性的改变,想要获取合适
的吸收频率时需要进行复杂的参数设计,使用不方便。
发明内容
式是通过改变表面超材料层的吸收模式来实现两个吸收峰的切换,解决了现有的太赫兹超
材料吸收器只能被动调节的问题,同时解决了传统调谐结构设计复杂、制作困难的问题。
有可调控材料条。
进行吸收的问题。本发明只针对吸收器表面超材料层中的部分结构,即可调控材料条的材
料进行了设计,基于不同材料有不同的调谐手段,增加了制备吸收器时的灵活性,且可调控
材料条设计成长条状,使得加工较为容易且成本低廉,使用便利。
变时,对另一个吸收峰频率的影响较小,较之传统的吸收器而言,本发明所设计的吸收器在
结构参数优化上,具有简单易行的突出优势。
附图说明
具体实施方式
质层3和金属底层4。表面超材料层包括对称刻蚀在中间介质层3上的金属图案1,金属图案1
横向、纵向均为对称结构,金属图案1包括长金属条,长金属条与开口环结构未开口的一端
连接,本实施例中优选为方形开口环结构;开口环结构另一端之间镶嵌有可调控材料条2。
金属图案1通过长金属条与相邻结构单元5上的金属图案1依次连接,使得吸收器表面超材
料层中的每一行金属图案1连成一个整体。
材料,基于肖特基效应来调节等效电导率,半导体材料为掺杂的硅、锗、硒、砷化镓、铝砷化
镓、硫化镉、硫化镉、硫化铅中的一种,本实施例中优选为掺氮砷化镓半导体材料;具体实施
方案如图4所示,在可调控材料条2与金属图案1之间加偏置电压,由于掺氮砷化镓半导体材
料为P型半导体材料,因而可调控材料条2接正极,金属图案1接负极;此时可调控材料条2与
金属图案1之间产生肖特基结,通过调整偏置电压的大小可以改变肖特基结的大小,实现对
肖特基结处电导率的调节,即可实现对可调控材料条2等效电导率的调节,进而改变超材料
吸收器的吸收特性,达到调谐的效果。
料吸收器在3.052THz出现吸收峰,该吸收峰吸收率可达到97.45%;经过调节可以使可调节
材料条2的等效电导率达到6000S/m,此时超材料吸收器吸收峰出现在3.748THz处,该吸收
峰吸收率高达99.84%,可近似视为完美吸收;由图6可知,随着等效电导率的增加,
3.052THz处的吸收模式逐渐减弱,吸收峰逐渐减小,而3.748THz处的吸收模式逐渐变强,吸
收峰逐渐增加。
可通过人为的主动调节实现对两个频段太赫兹波进行选择性吸收。
而长金属条上的电流较少,该吸收模式下,表面超材料层为开口环谐振器(SRR)模型;从等
效电路的角度来看,方形开口环结构下方开口可以等效为电容,开口两边的开口环结构可
以分别等效为电感,共同构成LC振荡电路,并在谐振频率处吸收电磁波,吸收峰频率与电
感、电容的大小有关,因此可以通过单纯地调节方形开口环结构的大小或开口的大小来实
现对吸收峰频率位置的设计。当可调控材料条2的电导率较高时,金属图案1中的电流主要
集中在长金属条上,而方形开口环结构上的电流较少,该吸收模式下,表面超材料层为金属
线阵列结构,该结构等效于等离子体中振荡的电偶极子阵列,吸收峰频率与金属阵列之间
的距离以及金属线的粗细有关,因此可以通过单纯地调节结构单元5两侧长金属条之间的
距离和长金属条的宽度来实现对吸收峰频率位置的设计。
条2两侧加上偏置电压,通过改变电压大小来调整石墨烯化学势,使得其费米能级发生变
化,进而改变石墨烯的电导率,即实现对可调控材料条2等效电导率的调节,进而改变超材
料吸收器的吸收特性,达到调谐的效果。
改变吸收器外部光强就可以实现对等效电导率的调节,改变超材料吸收器的吸收特性,达
到调谐的效果,简单方便。
或变型均属于本发明的保护范围。