基于石墨烯的网格型宽带可调谐太赫兹吸波器

该文提出了一种基于石墨烯的宽带可调谐吸波器,该器件是由网格型石墨烯结构、介质层及金属地板组成。采用CST软件对器件的性能进行了仿真分析,仿真结果显示,当石墨烯费米能级时,在2.97~3.74 THz内,器件对电磁波吸收率达90%。另一方面,器件的工作频率可通过改变石墨烯的费米能级进行动态调控。当石墨烯的费米能级从0.3 eV变到0.8 eV时,器件的工作频率在2.60~4.55 THz内调谐,相对调谐带宽为56%,且在整个调谐频率范围内,器件对电磁波的吸收率始终高于90%。此外,器件的工作性能对入射电磁波的偏振方向和入射角不敏感,因此,该器件在太赫兹成像、太赫兹检测和隐身技术等领域有潜在的应用价值。     

基于二氧化钒-狄拉克半金属混合超材料的单/双波段可切换太赫兹吸波器

提出了一种基于二氧化钒-狄拉克半金属混合超材料的单/双波段可切换太赫兹吸波器设计。利用二氧化钒的可逆相变特性来实现单/双波段功能之间的切换,当二氧化钒处于绝缘态时,通过改变狄拉克半金属的费米能级能量,可实现吸收峰值大小和位置的调控。数值仿真表明：当二氧化钒处于绝缘态且狄拉克半金属的费米能级能量设定为160 meV时,吸波器可以在0.97 THz和3.152 THz处出现两个吸收峰,吸收率分别为99.3%和99.7%,均超过了99%,说明在这两个谐振频率点处实现了几乎完美的吸收。而当二氧化钒变为金属态且狄拉克半金属的费米能级能量为160 meV时,吸波器在4.246 THz处出现一个吸收峰,吸收峰值超过98%。实际上,由于狄拉克半金属的存在,吸收率会受到费米能级能量的影响,仿真结果发现：当VO₂处于绝缘态时,狄拉克半金属费米能级能量对吸收峰值和谐振频率点有较大的影响;然而,当VO₂处于金属态时,狄拉克半金属的费米能级能量几乎不会改变吸收峰值和谐振频率。为了验证吸波器的吸波机理,引入阻抗匹配理论对吸波器进行分析。所提出的可切换超材料吸波器可以广泛...     

基于石墨烯的可调谐高吸收率太赫兹超材料

提出一种基于石墨烯的双波段太赫兹超材料吸收体,它由金属-电介质-石墨烯3层超材料结构单元在水平方向上进行周期性拓展而成。仿真结果显示,其在太赫兹波段6.62 THz和 9.36 THz分别产生99.9%和98.9%的高吸收率;通过改变石墨烯的费米能级,可以灵活地控制吸收体的谐振频率和吸收强度,而吸收体的吸收强度也可以利用石墨烯的弛豫时间进行单独控制。另外,研究了吸收体中间介质层厚度和介质损耗对吸收率的影响,这为吸收体初始加工工艺参数的确定提供了依据。研究结果表明,提出的基于石墨烯的太赫兹超材料吸收体结构简单,易于加工,可通过偏置电压或者化学掺杂,简单地实现吸收体的可调谐性,为双波段高吸收率太赫兹超材料吸收体的设计提供了重要参考。     

基于石墨烯的太赫兹透明吸波器设计

透明太赫兹吸波器既可在太赫兹波段实现吸波功能,又对可见光透明,隐蔽性高,因此其在电磁隐形等领域具有广泛应用。文中设计了一种基于石墨烯的太赫兹双频吸波器,它由方形加枝节的石墨烯上层宽带吸波结构和石墨烯-ITO 嵌套形下层窄带吸收结构构成,实现了独立可调的双频吸波功能。经仿真调试,该吸波器能够通过改变石墨烯费米能,分别在1.98~3.64 THz 范围内调节实现90%以上宽频带吸收率和在4.6~4.9 THz 范围内调节实现96%以上吸收率。经验证,该吸波器具有极化不敏感、宽入射范围等优点。     

太赫兹波超材料吸波体的特性分析

超材料吸波体通常是由一些在介质基底表面上周期分布的亚波长开口环谐振器（SRRs）组成,它们的吸收率在很大程度上取决于顶层SRRs的结构细节及介质的材料性质。利用时域有限积分法（FITD）对太赫兹波的超材料吸波体进行传输特性研究,分析了PI介质厚度、单元尺寸、开口环谐振器宽度、顶层silicon的电导率和PI介质的介电常数对太赫兹波超材料吸波体吸收峰位置和吸收率大小的影响。此超材料吸波体的特性研究对太赫兹波调制器、滤波器、吸收器及偏振器等器件设计和制备具有一定的指导意义。     

基于三维石墨烯的可拉伸太赫兹吸波材料

通过将三维石墨烯材料与聚二甲基硅氧烷薄膜相结合,设计并研制了一种宽带可拉伸的太赫兹波吸收材料,设计结构可以使三维石墨烯在聚二甲基硅氧烷层的保护下实现大幅度拉伸。实验结果表明,该吸波材料在0.2~1.1 THz的测试范围内有最高90%的吸收率,同时在20%的拉伸量下复合结构对太赫兹波吸收率基本保持不变,并且在去掉外力时材料样品的结构和性能均可恢复至原始状态。可拉伸太赫兹吸波材料具有带宽大、吸收率高、加工简单以及可大面积制备等优点,在太赫兹吸收器等领域中具有潜在的应用价值。     

复合石墨烯/硅半球的宽带太赫兹超材料吸收器

提出了一种性能可调的宽带、极化与入射角不敏感的超材料太赫兹吸收器,该吸收器自上而下分为四层结构,分别是:硅半椭球/半球体复合结构、连续石墨烯层、PDMS介质层和金属背板。通过在TE波垂直入射条件下仿真,在已知结果基础上,对不同石墨烯化学势和不同结构条件下的电场结果分析表明,在硅半椭球/半球体亚波长复合结构所形成的连续、多模法布里-珀罗共振,以及由石墨烯所激发的多个离散的等离子体共振的协同作用下,其吸收光谱得到平滑和扩展,使该结构可实现吸收率宽范围可调,以及接近100%吸收率的宽频带吸收特性。特别的,当石墨烯化学势分别为0.2与0.9 eV时,其分别可获得约5.7 THz与7 THz的宽带太赫兹波吸收（吸收率超过90％）,且其最大吸收率接近完美吸收（约99.8％）。此外,该结构还具有360°极化不敏感和高于60°的入射角不敏感等优异特性,在以上角度范围内,吸收器吸收率仍可保持到90%以上。在太赫兹波探测、光谱成像以及隐身技术等方面具有潜在的应用前景。     

基于石墨烯超材料的三频段可调谐完美吸收器

为进一步降低太赫兹频率下高性能调控器件的结构复杂度,提出一种三频段可调谐超材料完美吸收器. 该吸收器由图案化的石墨烯层和经Si介质层隔开的Au接地平面组成,利用太赫兹下的石墨烯表面等离子体共振以及图案化石墨烯与电场耦合提供的电偶极子共振形成多个吸收峰. 数值仿真结果表明,在0.489 THz、1.492 THz和2.437 THz处实现了对入射波的共振吸收,各峰值处的幅值均大于99.9%. 由于吸收峰处的幅值可以通过外部施加的偏置电压改变石墨烯的费米能级进行控制,因而所提出的吸收器结构的工作状态可在反射器和吸收器之间灵活切换. 同时,通过对吸收器单元结构的对称设计实现了对极化角度的不敏感特性,且在宽入射角范围内仍能保持良好的吸收性能. 因此,所设计的基于石墨烯的太赫兹超材料功能器件在调制和传感方面具有巨大的潜力.     

基于液晶的太赫兹可调谐超材料吸波体

文中设计了一种液晶太赫兹电控超材料吸波体,通过外部电场改变液晶层的等效介电常数,实现对于太赫兹反射波的调控。对器件的传输性能进行计算,分析了谐振频点处的表面电流分布和能量损耗密度情况。采用紫外光刻以及湿法刻蚀技术,制作了30×30单元超材料吸波体阵列并对其进行测试验证。结果表明,当偏置电压在0~30 V之间变化时,吸波体的谐振频点可实现101.5~117.95 GHz范围内的动态调控,综合可调率达到13.9%,整个工作频段内,吸收率始终维持在90%以上。     

通过附加金属条调节超材料的太赫兹响应

针对传统超材料的太赫兹响应调控难度大、程序复杂的缺点,提出调节超材料太赫兹响应特性的一种新方法.该方法是在传统三层超材料的结构与材料参数均不变的情况下,在中间介质层中引入一条附加的金属条,仅通过调节该金属条的位置和线宽,就能实现超材料对入射太赫兹波的响应频率、吸收峰值等的有效调节.结果显示,当附加金属条由底层向表层的方向移动时,超材料的响应频率红移.当金属条位于介质的中间位置时,超材料的吸收率达到最大(99.98%).而且,当金属条的线宽增大时,超材料的响应频率红移、吸收增强.此外,当太赫兹入射角≤45°时,该超材料的中心响应频率稳定、吸收率峰值较高.但是,当入射角45°时,超材料的响应频率蓝移、吸收率峰值明显下降.根据这种新方法,能够对超材料的太赫兹响应进行有效控制,同时避免设计超材料结构的复杂过程.     

偏振选择可调谐双带太赫兹吸收器

提出并研究了一种偏振选择可调谐双带太赫兹吸收器。吸收器由顶层方形劈裂石墨烯环、中间SiO₂介质层以及底层金反射层组成。基于时域有限差分法的仿真结果显示,该吸收器在不同偏振光入射下均可以实现双带高效率吸收。x偏振光时在7.86和12.63THz处的吸收率分别为97.9%和91.2%;y偏振光时在6.30和10.52THz处的吸收率分别为94.1%和93.2%。通过改变石墨烯费米能级,可以对两个偏振的双带吸收峰波长进行调谐。此外,研究了介质层厚度和石墨烯劈裂环的物理参数对共振吸收峰的影响。因为在两个偏振状态下都能产生双带高吸收,所以此吸收器在太赫兹偏振成像、太赫兹传感、选择性光谱检测和偏振复用等领域有重要的潜在应用价值。     

高平坦度可调谐多通道吸收器的优化设计

为了提升多通道吸收器的平坦度和光谱特性的可调性,本文构建了一种硅基底/铝底板/银单缝/石墨烯/二氧化硅(SiO₂)介质层的五层结构多通道吸收器。不但吸收光谱特性易调谐,各通道平坦度也可提升到2.84 dB。基于电磁场时域有限差分法(finite-difference time-domain, FDTD)从理论上分析了结构设计尺寸对吸收光谱的影响规律,同时优化了设计结构。模拟结果证明,吸收器顶层设置SiO₂介质层和单缝内填充Au均可显著增大吸收通道的平坦度,同时通过调节顶层SiO₂或上层石墨烯的宽度,可有效调谐吸收光谱通道数、通道间隔和单通道带宽;尤其可通过改变石墨烯费米能级实施吸收频段和吸收率的需求选择,在生化检测、环境监测和智能传感等领域均具有较好的应用前景。     

Broadband Terahertz Transmission Modulation Based on Hybrid Graphene-Metal Metamaterial

A novel patterned metamaterial, composed of graphene layer and metal periodic array of split ring resonators (SRRs) and cross-shaped resonators (CSRs), with broadband terahertz (THz) wave modulation was proposed and theoretically studied. It demonstrated that a broad passband high transmission of over 96.1% in the frequency range from 1.02 THz to 1.66 THz and two narrow band resonance frequencies f₁ and f₂ could be generated. The modulation depth of transmission was 29.2% when the graphene layer was covered on the metal metamaterial surface, and the modulation depth could be further increased by increasing the Fermi energy of graphene layer and reached approximately 79.5% at 1.0 eV in a broadband THz frequency range. The resonance frequencies of f₁ and f₂ were blue-shifted, and their modulation depths reached about 63.2% and 18%, respectively. These results show that the ultrathin graphene-metal metamaterial exhibits potential to achieve high-performance active THz devices and may offer widespread applications.     

基于电流变液的宽带可调超材料吸波体设计

为将超材料吸波体更好地应用于生产生活中,文中设计了一种基于电流变液的宽带可调超材料吸波体。通过在超材料吸波体中加载电阻器和介电常数电可调的电流变液实现宽带吸收和吸收频带可调。仿真结果表明,吸波体在8.296~15.128 GHz之间的吸收率超过了80%,在11.5~15 GHz之间的吸收率超过了90%,实现了电磁波的宽带吸收。随着电流变液外加电场强度的增加,其吸收频带逐渐往低频发生移动,实现了吸收频带的调控。此外,仿真证实,由于吸波体结构单元具有旋转对称性,其吸收特性具有极化无关性。     

中红外-甚长波多模式谐振三波段超材料吸波体（特邀）

超材料吸波体可以将入射电磁波集中在亚波长尺度内并进行高效吸收,因此在光电探测、热发射器、能量收集等领域具有广泛的应用前景。迄今报道的多波段超材料吸波体主要为某一波长范围内多个相近波长的完美吸收,想要实现大光谱范围内的多波长吸收则需要多个结构的联合工作。基于钛十字形谐振器-氮化硅介质层-钛反射层三层结构,设计并数值模拟了一种工作波长范围跨越中波红外、长波红外以及甚长波红外的三波段超材料吸波体。利用超材料吸波体激发的传播型表面等离激元谐振、局域型表面等离激元谐振以及氮化硅本征吸收模式,实现了4.8 μm、9.1 μm和18 μm三个波长处97.3%、94.4%和93.6%的高吸收率。超材料吸波体的工作波长可以通过改变其几何参数进行调节,且具有偏振和入射角不敏感性。该工作中所用材料均为现有工艺中的常用材料,在气体检测、红外成像等领域具有应用前景。     

糖果型电阻膜宽带超材料吸波器的设计

提出了一种糖果型电阻膜宽带超材料吸波器。该吸波器的单元结构采用电阻膜-介质-电阻膜结构,其中顶层电阻膜为糖果型, 介质层由多种材料叠加而成, 介质层材料从顶至底依次为PET、FR-4、PMMA 和PET。CST 软件仿真结果表明本吸波器吸收率的峰值可达100%,吸收率超过99% 的频带宽度约为2.5 GHz, 超过90% 的频段能够完全覆盖X 波段, 部分覆盖Ku 波段,相对带宽为70%。随着电磁波入射角度的变化, 吸收峰所对应的中心频率稳定, 能够实现对相应频段的完美吸波,并且具有宽带吸波特性。