一种基于石墨烯超表面微结构高效率可调吸波器的制作方法

本发明涉及的是一种基于石墨烯超表面微结构高效率可调吸波器，属于微纳光电子学领域。

(二)

背景技术：

随着计算机的发展，电磁辐射充斥人们周围，促使研究学者加深新型吸波材料的研究。超构表面(metasurface)是一种由单元结构组成的超薄二维平面阵列,超构表面属于二维的超构材料，是超构材料重要的研究方向。与超构材料相比，超构表面具有很多的优点，比如结构简单、体积小、易于集成制造等。电磁波的幅度、相位、偏振状态能够通过超表面结构灵活的控制，基于超构表面的这些优势，促使超构表面成为近些年来的热门研究。石墨烯是由单层碳原子构成的材料，具有其独特的电磁特性。在红外频段和太赫兹频段，电磁波在石墨烯中传输比在金属中传输的损耗更小。通过外加偏置电压、电磁场以及化学掺杂等方式可以改变石墨烯材料的化学势，相当于改变了石墨烯的电导率，最终实现对器件的工作频率动态调节，如集成光电子器件通过对超表面单元结构的精心设计。基于电磁超表面的吸波器一经提出，由于其相比于传统吸波器，利用超表面的局域强电磁耦合谐振，主要依靠电损耗和磁损耗实现完美吸波，造就其结构简单、吸收效率高、质量轻薄等显著优势。

通过对石墨烯超表面结构的精心设计，我们可以制作出宽带可调的石墨烯超表面吸波器，并非由传统吸波器为了使得入射到结构表面的电磁波能够无反射，全部以透射波的形式向前传播进入到结构内部，并且能够以任何形式的能量将其吸收的特点。宽带可调的石墨烯超表面吸波器在更多的实际生产生活中提供了更高的利用价值。比如射频识别技术、隐身技术、电磁防护、电磁兼容与屏蔽等。

(三)

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种结构简单，基于石墨烯超表面微结构高效率可调吸波器。

本发明的目的是这样实现的：

在频率为6～9thz和12.5～18.5thz的电磁波工作带宽内，研究石墨烯超表面和介质层不同形状尺寸的孔径结构的电磁特性，通过对结构单元的设计，找出多个可以响应不同频率波段的结构，从而实现对不同频率的入射电磁波进行调制。

通过扫描参数得出最优化吸波器结构，根据传输线理论，通过介质层进行阻抗变换来实现阻抗匹配。

确定最优参数结构的吸波器，根据从吸波率、阻抗匹配、衰减特性所阐述的吸波器物理机制，得出此吸波器的吸收率接近100％。说明了自由空间与该结构在谐振频率点实现完美阻抗匹配，磁谐振和电谐振实现了同步。

对于入射的电磁波，有一部分会直接被反射到自由空间形成反射波，剩余的部分以透射波形式入射至结构内部，一部分以欧姆损耗转换成热能或其它形式的能，一部分以透射波形式继续向前传播。因此，电磁波吸收率表达式为：

a(ω)＝1-r(ω)-t(ω)＝1-|s11|²-|s21|²(1)

其中，r(ω)、t(ω)分别为反射率和透射率，s11、s21分别为吸波器的反射系数和透射系数。s21也可以认为是材料对电磁波的损耗系数。减少透射率相对容易，此结构采用一定厚度的金属板来消除电磁波的透射。即t(ω)＝0。即吸收率的公式简化为：

a(ω)＝1-r(ω)＝1-|s11|²(2)

良好的阻抗匹配对入射至电磁超表面的电磁波尽其最大可能不产生反射起着至关重要的作用。由传输线理论可知，介质层可以进行阻抗变换来实现阻抗匹配，此时等效表面阻抗z1与自由空间阻抗z0相等。其反射系数表示为：

其中μ、ε分别是吸波材料的磁导率和介电常数，而μ0和ε0是自由空间的介电常数和磁导率，吸收性能越好，它的反射系数就要越低，当等效表面阻抗与自由空间阻抗相等时，即z1＝z0≈377ω。磁导率和介电常数表示为：μ/ε＝μ0/ε0此时，反射系数r＝0，说明入射电磁波可以无反射地进入结构内部。

根据等效介质理论可知，超表面等效相对介电常数和磁导率分别为：

εr(ω)＝ε1+ε2、μr(ω)＝μ1+μ2(4)

由和可得等效折射率为：n(ω)＝n1+in2，归一化复阻抗为：

z(ω)＝re(ω)+ix(ω)，透射系数的大小即:

s21＝[sin(nkd)-icos(nkd)]^-1e^-ikd(5)

对(5)进行欧拉变换，得到一指数形式：

由此吸波率变为：

a(ω)＝1-r(ω)-t(ω)＝1(7)

在反射系数为零的情况下，要使得吸收率最大，通过增大折射率、介电常数以及磁导率虚部来减少透射率来实现。

(四)附图说明

图1是石墨烯超表面微结构高效率可调吸波器的结构图形。

图2是该吸波器的俯视图以及结构参数。

图3是该吸波器的侧视图以及结构参数。

图4是通过仿真出来的吸波器对电磁波的吸收率图线。

(五)具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

一种基于石墨烯超表面微结构高效率可调吸波器，具体包括以下步骤：

此吸波器包括四层结构，在频率为6～20thz的电磁波仿真频段内，研究介质超表面不同形状尺寸的孔径结构的电磁特性，通过对结构单元的设计，找出多个可以响应不同频率波段的结构，从而实现对不同频率的入射电磁波进行调制。如附图1所示，此结构一共包含四层，从上往下分别是：石墨烯超表面结构，厚度为480nm的硅介质层、厚度380nm的二氧化硅介质层和厚度为100nm，电导率为4.56×107s/m的金属底板。

结构具体参数为：它由金属金基底1、二氧化硅介质层2、硅介质层3和石墨烯层4组成。所述吸波器，基底1是周期p＝560nm，厚度h1＝100nm的金属用来衬底，中间二氧化硅介质层2为厚度h2＝380nm，硅介质层3为厚度h3＝480nm，其中硅介质层中挖空一个长l＝500nm,宽w＝100nm，深度h＝300nm的十字形阱，最上层覆盖一层石墨烯，这几种材料依次堆放，组成完整的吸波器。此时的电磁波我们只需要考虑它的反射率和吸收率。

而反射率为：

r(ω)＝|s11|²(1)

吸收率为：

a(ω)＝1-r(ω)＝1-|s11|²(2)

首先设置仿真区域为6～20thz,石墨烯的费米能级设为0.5ev,弛豫时间为1ps。电磁波垂直表面入射此吸波器。根据传输线理论和等效介质层理论可知：

反射系数为：

透射系数为：

在7.0thz、14.2thz处出现了谐振频率点。而相对应的是，反射率的曲线则是在相同谐振频率点处出现明显的谷峰。值得提出的是，这两处谐振频率点吸收基本都达到100％。

由上述的阻抗和反射率公式，我们值得注意当超表面结构相对于自由阻抗的实部为1，虚部为0，则说明了自由空间与该结构在谐振频率点实现完美阻抗匹配，磁谐振和电谐振实现了同步。说明了自由空间与该结构在谐振频率点实现完美阻抗匹配，也就是说，照射到结构的入波能量完全进了结构内部而没有透射和反射出去，因此产生了强烈的谐振。此时电磁波几乎全部进入到结构内部，反射分量达到了最小，实现了完美吸收。