一种基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器
(一)技术领域
1.本发明涉及的是一种基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器，可用于太赫兹吸波器件的开发，属于太赫兹超材料设计技术领域。
(二)
背景技术：2.太赫兹波在无线通信、生物检测、成像以及传感领域的应用前景十分广阔，超材料吸波器是一种通过加强电磁波和物体之间的相互作用，实现电磁波能量的转换，对电磁波进行高效率吸收的装置，自2008年landy提出第一个基于超材料的完美吸波器后，吸波器研究在学术界引起广泛关注。超材料吸波器同样可以应用于太赫兹波段，太赫兹超材料吸波器由于具有可拓展性成为太赫兹器件的一个重要分支。
3.传统的超材料吸波器通常被设计为周期性排列的顶部金属图案-中间介质层-金属底板层的三层结构，并且通常使用金、银等作为金属的材料，但是传统的超材料吸波器存在吸收波段窄以及吸收波段不可调的问题，在应用上会受到限制。因此近年来，有大量的研究人员在超材料吸波器中加入石墨烯、二氧化钒、液晶等可调材料，致力于研发出吸收频段宽，以及吸收频段可调的超材料吸波器。
4.文献cn 214849067 u公开了一种基于宽带太赫兹吸波器实现了1.5～3.5thz的宽带吸收，但该实用新型不能实现宽带到窄带的转换，且宽带吸收小于本发明的4.22thz。
5.文献cn 113054440 a公开了一种基于二氧化钒和石墨烯的双控带宽thz吸波器，用五层结构实现了再1.04～5.51thz范围内的高效吸收，以及通过调整二氧化钒的电导率和石墨烯的费米能级可以实现吸收率的双调控，但该文献不能实现宽带吸收和多带吸收的转换。
6.文献cn 114498060 a公开了一种集窄带和宽带于一体二点石墨烯-二氧化钒可调谐吸波器，实现了宽带0.821～4.6thz的吸收以及宽带窄带的切换，但该文献不能实现宽带吸收和多带吸收的转换。
7.文献cn 113078474 a公开了一种石墨烯-二氧化钒超材料吸波器及可调谐太赫兹器件,实现了在1.70～4.50thz的超过90％的宽带吸收，但该文献不能实现宽带吸收和多带吸收的转换。
8.文献cn 112162444 a公开了一种基于相变原理的双频带到宽频带的太赫兹吸收开关，在二氧化钒金属态和半导体态实现宽带吸收到双频带吸收的转换，但其宽频吸收带宽远低于本发明吸收带宽。
9.综上所述，如何通过合理的结构设计实现宽带吸收和吸波器吸收波段可调，使得超材料吸波器的应用前景更广阔是一个亟待解决的问题。
(三)
技术实现要素：10.针对目前吸波器吸收频段窄、吸收频段调控难的缺点，本发明提供了一种基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器。
11.本发明的目的是这样实现的：
12.所展示的是一种基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器，其特征是：这是一种宽带吸收和多带吸收可切换的吸波器，从下向上依次为底层为一定厚度的金属板(1)，介质材料1(2)，一定厚度的二氧化钒板(3),介质材料2(4)以及顶层4个1/4圆去除小正方形和外边框与旋转45
°
正方形组合的图案状的石墨烯层(5)，各层之间为紧密贴合。
13.所述的基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器的横向周期为60μm，纵向周期为40μm。
14.所述的金属板(1)厚度h1＝1μm。
15.所述的介质材料1(2)和介质材料2(4)的介电常数都为ε1＝2.35，厚度分别为h2＝10μm,h3＝7μm。
16.所述的二氧化钒板间隔层厚度h4＝22μm,其介电常数在thz波段可以由drude模型描述，其公式为：
[0017][0018]
式中，高频介电常数ε
∞
＝12，振荡频率γ＝5.75
×
10
13
rad/s，ω
p
等离子频率，σ为电导率，ω
p
和σ的关系为：
[0019][0020]
式中，σ0＝3
×
105s/m，ω
p
(σ)＝1.4
×
10
15
rad/s。
[0021]
所述的二氧化钒板间隔层在多带吸收时导电率为200s/m，分别在0.57thz，3.97thz，5.67thz实现近似完美吸收，在宽带吸收时导电率为2000s/m，在6.06～10.28thz实现带宽为4.22thz的吸收效率超过90％的宽带吸收。
[0022]
所述的石墨烯层为4个1/4圆去除正方形与中心旋转45
°
正方形组合的单层石墨烯结构。正方形边长为w2＝23μm，四个小正方形边长为w1＝8μm，四个1/4圆的半径为r0＝30μm，去除外正方形环的宽度为w3＝2μm。
[0023]
所述石墨烯层的电导率可以用kubo公式表示，在多带和宽带吸收时费米能级为均为ef＝0.7ev，弛豫时间为τ＝0.1ps。
[0024]
本发明所产生的益处效果是：
[0025]
(1)所述吸波器于二氧化钒电导率为2000s/m时，在6.06～10.28thz波段实现宽度为4.22thz的大于90％的电磁波吸收，相比于现有的宽带吸波器，具有吸收效率高，吸收频段不同的特点。
[0026]
(2)所述吸波器二氧化钒电导率为200s/m时，在0.57thz，3.97thz，5.67thz三个点实现近似完美吸收。
[0027]
(3)所述吸波器通过改变温度就可以改变二氧化钒电导率，从而实现宽带吸收和多带吸收的切换，具有可调性。
(四)附图说明
[0028]
图1为本发明单元结构示意图。它由一定厚度的金属板(1)，介质材料1(2)，一定厚度的二氧化钒板(3),介质材料2(4)以及顶层4个1/4圆去除小正方形和外边框与旋转45
°
正方形组合的图案状的石墨烯层(5)组成；
[0029]
图2为本发明顶层图案状石墨烯层示意图；
[0030]
图3为本发明在电磁波垂直入射下，二氧化钒电导率分别为200s/m、2000s/m时，使用仿真软件cst studio suite 2019仿真得到的吸波器吸收频谱图。
(五)具体实施方式
[0031]
下面结合附图对本发明的具体实施方式和步骤进行进一步的阐述：所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是意味着对本发明保护范围的任何限定。
[0032]
实施例
[0033]
图1为基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器的单元结构示意图，该吸波器结构包括五层，从下往上依次为：金属层(1)、介质材料1(2)、vo2层(3)、介质材料2(4)、4个1/4圆去除小正方形与中心正方形结合石墨烯层(5)，如附图1所示。吸波器的单元结构的周期p为60μm，金属层(1)的厚度h1＝1μm，金属层的厚度应该大于入射波的趋肤深度，以防止电磁波的透射。介质材料1(2)和介质材料2(4)中所描述的介质材料均为环烯烃类共聚物(topas),其介电常数都为ε1＝2.35，介质材料1(2)的厚度h2＝10μm，介质材料2(4)的厚度h3＝7μm，一定厚度的二氧化钒板(3)的厚度h4＝23μm。
[0034]
图2为本发明顶层带有图案的石墨烯层俯视图，由四个圆心处去除4个小正方形的1/4圆以及一个旋转45
°
的正方形去除边框组成。正方形边长为w2＝23μm，四个小正方形边长为w1＝8μm，四个1/4圆的半径为r0＝30μm，去除外正方形环的宽度为w3＝2μm。所述石墨烯为单层石墨烯，其化学势ef＝0.7ev，弛豫时间为0.1ps。
[0035]
本发明的原理如下：
[0036]
吸波器吸收效率的计算公式为：
[0037]
a(ω)＝1-r(ω)-t(ω)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0038]
t(ω)＝|s
21
|2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0039]
r(ω)＝|s
11
|2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0040]
其中，a(ω)为吸收率，r(ω)为反射率，t(ω)为透射率，s
21
为透射系数，s
11
为反射系数。
[0041]
底层金属板作为整个单元结构的基底，当其厚度大于电磁波的趋肤深度时，电磁波便无法穿过，使整个单元结构的透射率为0。故上述公式(1)可简化为：
[0042]
a(ω)＝1-r(ω)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0043]
因此对于所述吸波器的吸收率，只需考虑其反射率即可。
[0044]
图3中虚线为本实施例在石墨烯化学势能ef＝0.7ev的状态下，二氧化钒电导率为2000s/m时的吸收谱，该吸波器在6.06～10.28thz的频率范围内，吸收率大于90％，实现超宽带吸收。
[0045]
图3中实线为本实施例在石墨烯化学势能ef＝0.7ev的状态下，二氧化钒电导率为200s/m时的吸收谱，在0.57thz，3.97thz，5.67thz三个点实现近似完美吸收。
[0046]
综上所述，本发明提出了一种基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器。通过使用石墨烯和二氧化钒两种可调材料，实现了吸波器的宽带、窄带两种情况的结合。所述吸波器具有吸收频率宽、可动态切换吸收性能的优点。
[0047]
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的同等或
等价设计、改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
技术特征：1.一种基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器，其特征是：一种宽带吸收和多带吸收可切换的吸波器，从下向上依次为一定厚度的金属板(1)，介质材料1(2)，一定厚度的二氧化钒板(3)，介质材料2(4)以及顶层4个1/4圆去除小正方形和外边框与旋转45
°
正方形组合的图案状的石墨烯层(5)，各层之间为紧密贴合。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器，其特征是：基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换的吸波器的横向周期为60μm，纵向周期为40μm。3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器，其特征是：所述介质材料1和介质材料2的介电常数都为ε1＝2.35，厚度分别为h2＝10μm,h3＝7μm。4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器，其特征是：所述的二氧化钒间隔层厚度h4＝22μm。5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器，其特征是：所述的石墨烯层为4个1/4圆去除小正方形和外边框与旋转45
°
正方形组合的单层石墨烯结构。6.所述的二氧化钒间隔层在多带吸收时导电率为200s/m，分别在0.97thz、3.97thz、5.67thz实现近似完美吸收，在宽带吸收时导电率为2000s/m，在6.06～10.28thz实现带宽为4.22thz的吸收效率超过90％的宽带吸收。
技术总结本发明提供的是一种基于石墨烯和二氧化钒的宽窄带可切换太赫兹吸波器。其特征是：这是一种宽带吸收和多带吸收可切换的吸波器，从下向上依次为底层为一定厚度的金属板(1)，介质材料1(2)，一定厚度的二氧化钒板(3)，介质材料2(4)以及顶层4个1/4圆去除小正方形和外边框与旋转45
技术研发人员：成煜 高起超 潘雨 苑立波 陈明
受保护的技术使用者：桂林电子科技大学
技术研发日：2022.07.18
技术公布日：2022/11/1
