基于石墨烯的双频可调太赫兹吸波器.pdf

57 技术研究2023年第9期1 概述太赫兹波（THz波）是位于高频红外波和低频微波之间，且频率为0.1THz到10THz范围内的一种电磁波1。虽然太赫兹波具有许多优异的性质，但是传统的光电子器件在太赫兹频段内因缺乏有效的器件导致无法高效地工作。太赫兹超材料的出现弥补了太赫兹波段大多数材料较弱的电磁响应，对太赫兹技术的发展有着重要的指导意义。其中，太赫兹完美吸收器作为太赫兹频段的重要光电子器件，在滤波、传感、热辐射等方面有着非常重要的应用2，得到了广泛关注。早期超材料吸收器为金属-介质-金属的“三明治”结构3。为了实现零反射，使入射的电磁波完全被吸收，这就需要设计吸收器的材料属性和尺寸结构，以便使吸收器的等效阻抗与自由空间的阻抗相匹配4。这些吸收器通常只能工作在某个具体的频率下，若想满足其他频率下共振吸收的要求，就只有改变设计结构的尺寸来调节共振频率，这样会带来很大的不便。因此，在不改变吸收器自身结构的基础上可通过改变材料的可调性质来改变其电磁特性的动态可调材料吸波器备受关注。石墨烯，一种紧密包裹在二维蜂窝晶格中的单层碳原子，是近年来的研究热点5。由于石墨烯的表面电导率可以通过静电掺杂或施加偏置电压来轻松调节6，可实现THz范围内的可调吸收谱。石墨烯应用在太赫兹吸收器结构上可以实现共振频率可调、多个频点吸收和增加吸收带宽的要求7，但是尚无文献实现多频共振的同时实现不同频点的单独可调，进而实现滤波器的灵活调节。本文设计了一种电可调材料石墨烯太赫兹吸收器，其由2个半径接近的石墨烯圆盘组成单元结构，使太赫兹石墨烯吸收器分别在共振频率2.7999THz和3.2899THz处实现了99%和85.4%的双频吸收效果，并且通过同时改变2个石墨烯圆盘化学势和单独改变每一个石墨烯圆盘化学势，实现了共振频率同时可调以及各个石墨烯圆盘单独可调的效果，并且在单独可调时也能达到90%以上的吸收。为实现灵活地调控共振频率，有效地提高了这些器件在太赫兹波段诸如多频带滤波、吸收等应用提供了指导意义。基于石墨烯的双频可调太赫兹吸波器王金龙1 陈卉21.甘肃新盛国资节能低碳服务有限公司 甘肃 兰州 7300002.兰州大学信息科学与工程学院 甘肃 兰州 730000摘要：通过对2个石墨烯圆盘同时设置不同的化学势以及保持一个圆盘化学势不变，将另一个圆盘设置不同的化学势，分别实现了双频吸收器结构共振频率的同时调节和每一个频率的单独调节。同时该结构为极化不敏感吸收器，并且在60范围内都能保持较好的吸收效果。该结构为设计可调频带吸收器提供了新的思路，在多幅调制器、成像和传感等领域具有广阔的应用前景。关键词：太赫兹吸收 石墨烯 电可调 双频段单独可调D u a l f r e q u e n c y a d j u s t a b l e t e r a h e r t z a b s o r b e r b a s e d o n g r a p h e n eWa n g J i n l o n g1 ，C h e n H u i21.Gansu Xinsheng Guozi Energy Saving and Low-carbon Service Co.，LTD，Lanzhou 7300002.School of Information Science and Engineering，Lanzhou University，Lanzhou 730000Abstract：In this paper，by setting different chemical potentials for two graphene disks at the same time and keeping the chemical potential unchanged for one disk and setting different chemical potential for the other disk，the simultaneous adjustment of the resonant frequency of the dual-frequency absorber structure and the separate adjustment of each frequency are realized respectively.At the same time，the structure is polarization-insensitive absorber，and can maintain good absorption effect in the range of 60.This structure provides a new idea for the design of adjustable frequency band absorber，and has broad application prospects in the fields of multi-amplitude modulator，imaging and sensing.Keywords：Terahertz absorption；Graphene；Electrically adjustable；Dual frequency band；Individually adjustable技术研究 58 2023年第9期2 双频可调太赫兹吸波器设计与仿真为实现石墨烯太赫兹吸收器的双频吸收，设计了2个半径不同石墨烯圆盘为周期阵列的结构，如图1所示。3种材料厚度为：银膜厚度（dAg）=0.5m，二氧化硅厚度（dSiO2）=3m，石墨烯厚度（dg）=1nm。为了之后讨论方便，将较大半径石墨烯圆盘定义为A圆盘，相反地，较小半径石墨烯圆盘定义为B圆盘，参数设置为A圆盘半径为6m，B圆盘半径为5m并且2个圆盘的圆心均与l/2处的中心重合。仿真使用CST软件。根据Kubo公式8可知，随着石墨烯化学势的增加，石墨烯介电常数增加，其表面等离激元浓度增加导致频率发生蓝移。同时，吸收器结构的磁共振强度增强能够吸收更多的入射波导致吸收率增加。基于此原理，接下来讨论石墨烯圆盘化学势单独变化下吸收光谱的变化情况，即保证在其中一个石墨烯圆盘化学势不变的情况下，调整另一个石墨烯圆盘的化学势。首先保持较小半径石墨烯B圆盘化学势为0.6eV，调整较大半径石墨烯B圆盘化学势为0.4eV进行仿真，得出仿真吸收曲线如图2（a）所示，并与石墨烯A、B圆盘化学势均为0.6eV和0.4eV作比较。从图2（a）中可以清楚的看到，当石墨烯A圆盘化学势设置为0.4eV，B圆盘设置为0.6eV时，低频处共振频率与石墨烯A、B圆盘化学势同为0.4eV的低频重合，但高频处频率由2.7999THz移向3.3291THz，即高频处频率发生蓝移；高频处共振频率与石墨烯A、B圆盘化学势同为0.6eV的高频重合，但低频处频率由2.7999THz移向2.4128THz，即低频处频率发生红移。由前文2个石墨烯圆盘吸收器的吸波性能介绍可知，低频处的共振频率由图1 两个不同半径石墨烯圆盘吸收器的（a）单元结构图（b）俯视图（c）侧视图图2（a）较大半径石墨烯A圆盘Ef=0.4eV与较小半径石墨烯B圆盘Ef=0.6eV与2个石墨烯圆盘Ef=0.4eV和Ef=0.6eV对比的吸收曲线；（b）较大半径石墨烯A圆盘Ef=0.6eV与较小半径石墨烯B圆盘Ef=0.8eV与2个石墨烯圆盘Ef=0.6eV和Ef=0.8eV对比的吸收曲线 59 技术研究2023年第9期较大半径石墨烯A圆盘作用产生，而较小半径石墨烯B圆盘决定高频处的共振频率，所以当A圆盘Ef=0.4eV，B圆盘Ef=0.6eV会出现图4（a）的现象，由此可以实现2个石墨烯圆盘吸收器双频共振的单独可调，即改变低频处共振频率只需调谐较大半径石墨烯圆盘的化学势，改变高频处共振频率只需调谐较小半径石墨烯圆盘的化学势。其次，保持较大半径石墨烯A圆盘化学势为0.6eV，调整较小半径石墨烯B圆盘化学势为0.8eV进行仿真，得出仿真吸收曲线如图2（b）所示，并与A、B圆盘石墨烯化学势均为0.6eV和0.8eV作比较。由图2（b）中得到，当石墨烯A圆盘Ef=0.6eV，石墨烯B圆盘Ef=0.6eV与石墨烯A、B圆盘均为0.6eV作对比时，由于石墨烯B圆盘化学势升高，高频处共振频率由3.2899THz移向3.6917THz，即发生蓝移；与石墨烯A、B圆盘均为0.8eV作对比时，由于石墨烯A圆盘化学势降低，低频处共振频率由3.0939THz移向2.8097Hz，即发生红移，所以进一步解释了2个石墨烯圆盘吸收器共振频率能够实现单独可调的现象，即2个共振频率在调谐的过程中是非耦合的。2个吸收峰的位置不但可以同时被调节，还可以单独被调节，因此，这代表着能够通过改变石墨烯的费米能级而不需要重新设计结构来调谐共振频率。3 结束语本文设计了一种电可调材料石墨烯太赫兹吸收器，该吸收器由2个半径接近的石墨烯圆盘单元结构组成，分别在共振频率2.7999THz和3.2899THz处实现了99%和85.4%的双频吸收效果，并且通过同时改变2个石墨烯圆盘化学势和单独改变每一个石墨烯圆盘化学势，实现了共振频率同时可调和单独可调的效果，并且在单独可调时也能达到90%以上的吸收。该结构为设计可调频带吸收器提供了新的思路，在多幅调制器、成像和传感等领域具有广阔的应用前景。参考文献1X.C.Zhang，A.Shkurinov，Y.Zhang，ExtremeterahertzscienceJ.NatPhoton，2017，11（1）：16-18.2Y.Zhang，T.Li，B.Zeng，H.Zhang，H.Lv，X.Huang，etal.，AgraphenebasedtunableterahertzsensorwithdoubleFanoresonancesJ.Nanoscale，2015，7（29）：12682-12688.3J.M.Jornet，I.F.Akyildiz，Graphene-basedplasmonicnano-antennaforterahertzbandcommunicationinnanonetworksJ.IEEETrans-Commun，2013，31（12）：685-694.4LandyNI，SajuyigbeS，MockJJ，etal.PerfectMetamaterialAbsorberJ.PhysicalReviewLetters，2008，100（20）：207402.5WangBX，ZhaiX，WangGZ，etal.DesignofaFour-BandandPolarization-InsensitiveTerahertzMetamaterialAbsorberJ.IEEEPhotonicsJournal，2015，7（1）：1-8.6M.Gu，B.Xiao，S.Xiao，TunableTHzperfectabsorberwithtwoabsorptionpeaksbasedongraphenemicroribbonsJ.MicroNanoLett，2018，13（5）631-635.7S.Arezoomandan，H.O.C.Quispe，N.Ramey，C.A.Nieves，B.S.Rodriguez，Graphene-basedreconfigurableterahertzplasmonicsandmetamaterialsJ.Carbon，2017，12：177-184.8YeL，ZengF，ZhangY，etal.Frequency-ReconfigurableWide-AngleTerahertzAbsorbersUsingSingle-andDouble-LayerDecussateGrapheneRibbonArraysJ.Nanomaterials，2018，8（10）：834.9V，P，Gusynin，etal.Magneto-opticalconductivityingrapheneJ.JournalofPhysicsCondensedMatter，2007，26：1-25.