基于锑化铟的双频可调窄带太赫兹吸波器.pdf

技术研究 66 2023年第9期1 概述吸收器是一种亚波长尺寸构成单元结构，可以将入射电磁波进行高效吸收的结构，利用不同的损耗机理将电磁波能量转化为热能或其他形式的能量并逐渐消散，最终实现吸波的目的1。吸收器可以被普遍应用在传感，雷达，成像等多个领域，有效地增强了太赫兹功能器件的灵敏度。许多研究表明，在“三明治”结构的超材料吸收器中，表面等离激元的激发能够使入射的电磁波产生很强的电磁响应，因此这种金属微结构在超材料结构研究领域一直被广泛应用2-4。但是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，近些年来动态可调材料吸波器备受关注3-6。因为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，所以为了既满足吸收器结构尺寸不变又满足共振频率可调的要求，因而对诸如石墨烯、锑化铟、液晶等可调材料构成的吸收器的研究就显得至关重要。半导体材料锑化铟是一种温度敏感的介质，可以将其设计为嵌入式半导体、衬底以及不同形状的阵列，形成多种温度可调的吸收器7-9。上述吸波器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，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的吸收器。本文设计了一种基于开口谐振环的锑化铟温度可调太赫兹吸收器，该单元结构由金属镍开口谐振环、锑化铟中间介质及金衬底三层构成，使该吸收器在入射方向平行于z轴和四个锑化铟圆柱温度均为T=270K的情况下，在共振频率3.1576THz和3.3877THz处得到两个吸收峰值，分别对应96%和99.9%的吸收率，并且改变锑化铟圆柱的温度会基于锑化铟的双频可调窄带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：本文通过三维全波电磁仿真软件模拟计算得到该吸收结构的吸波性能：在入射方向平行于z轴和四个锑化铟圆柱温度均为T=270K的情况下，在共振频率3.1576THz和3.3877THz处得到两个吸收峰值，分别对应96%和99.9%的吸收率，并且改变锑化铟圆柱的温度会使这两个吸收峰值既可以实现同时调节也可以实现单独可调，即分别同时调整和对应对角线改变锑化铟圆柱的温度，并且结构参数的变化也会使得共振频率发生变化。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 锑化铟 温度可调 双频段单独可调D u a l-f r e q u e n c y t u n a b l e n a r r o w-b a n d t e r a h e r t z a b s o r b e r b a s e d o n i n d i u m a n t i mo n i d 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，the absorption performance of the absorption structure is obtained through the simulation calculation of three-dimensional full-wave electromagnetic simulation software：When the incidence direction is parallel to the z axis and the temperature of the four indium antimonide cylinders is T=270K，two absorption peaks are obtained at the resonant frequencies of 3.1576THz and 3.3877THz，corresponding to 96%and 99.9%absorption efficiency respectively.Moreover，by changing the temperature of the indium antimonide cylinder，the two absorption peaks can be adjusted at the same time or independently，that is，the temperature of the indium antimonide cylinder can be adjusted at the same time and the corresponding diagonal respectively，and the change of structural parameters will also cause the change of resonance frequency.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；Indium antimonide；Temperature adjustable；Individual adjustable dual frequency band 67 技术研究2023年第9期使这两个吸收峰值既可以实现同时调节也可以实现单独可调，即分别同时调整和对应对角线改变锑化铟圆柱的温度，并且结构参数的变化也会使得共振频率发生变化。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。2 基于开口谐振环的锑化铟材料吸收器设计与仿真为了使动态可调简便化，本文设计四个半径大小不同的锑化铟圆柱和半径差不同的谐振环的复合结构形成两个吸收频点，设定两个较大半径锑化铟圆柱与谐振环的结构为A组合结构，两个较小半径锑化铟圆柱与谐振环的结构为B组合结构，其单元结构、俯视图和侧视图分别如图1（a）（b）（c）所示，该吸收器的设计依然可以看成金属-介质-金属三层结构的形式，底层的连续金膜是为了阻隔透射，二氧化硅介质层支撑着四个半径不同的锑化铟圆柱，可以共同看成中间介质，顶层为四个半径差不同的镍谐振环，谐振环的中心位置与锑化铟圆柱和单元结构的四分之一处的中心重合并且此吸收器在x方向和y方向上呈周期性排布，周期为p=100m，顶层镍谐振环的厚度为h1，各个谐振环半径差均为r=2m，内外半径取值分别为r1、r11、r2、r22、r3、r33、r4、r44，开口的宽度为D=2m，锑化铟圆柱的厚度为h2，各个锑化铟圆柱半径分别为r1、r2、r3、r4，二氧化硅介质层的厚度为h3，基底金的厚度为h4，该单元结构的尺寸参数见图1。图1 四个不同半径锑化铟圆柱吸收器的（a）单元结构图（b）俯视图（c）侧视图当锑化铟温度升高时，载流子浓度升高导致锑化铟介电常数变化，进而改变了整个结构的介电常数，使频率会发生蓝移。基于此原理，本文介绍了改变锑化铟圆柱的温度来实现结构的动态可调，并且不同的谐振频点对应着不同的组合结构，该结构的吸收特性可以通过单独调节锑化铟温度来完成。首先将A组合结构温度设置为270K，B组合结构温度设置为350K，通过三维仿真软件得出吸收曲线如图2所示。与所有锑化铟圆柱温度为270K时吸收曲线比较分析可得，低频处与高频处的吸收率均增加，即低频处由96%增加到96.7%，高频处更加接近100%，高频处共振频率发生蓝移，低频处共振频率几乎保持不变。这是因为高频处的共振是由B组合结构发生电磁谐振作用，当温度值从270K增加到350K时，吸收器结构光学阻抗发生变化，使共振频率增加，吸收增强；低频处的共振吸收是由B组合结构发生主电磁谐振作用，A组合结构发生次电磁谐振作用，当保持A组合结构中锑化铟温度为270K，B组合结构中锑化铟温度为350K时，主电磁谐振作用增强，吸收增强，共振频率小幅度蓝移，几乎保持不变。与所有锑化铟圆柱温度为350K时吸收曲线比较分析可得，低频处共振频率发生红移，高频处共振频率几乎保持不变。这是因为高频处的共振是由B组合结构发生电磁谐振作用，而B组合结构锑化铟温度保持350K不变，共振频率几乎不变；低频处的共振吸收是由B组合结构发生主电磁谐振作用，A组合结构发生次电磁谐振作用，当A组合结构中锑化铟温度值从350K降低到270K时，B组合结构中锑化铟温度不变时，主电磁谐振作用降低，共振频率发生红移。两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温度而不需要重新设计结构来调谐共振频率。可调谐锑化铟吸收器的同时可调和单独可调均发生在入射电磁波为TE模式下并垂直入射。半导体材图2 两个较大锑化铟圆柱（A组合）T=270K与两个较小锑化铟圆柱（B组合）T=350K与所有锑化铟圆柱T=270K和T=350K对比的吸收曲线技术研究 68 2023年第9期料锑化铟既可在自然界中直接获取简化了制作工艺，并且对温度极其敏感，所以锑化铟太赫兹吸收器结构中存在重要的作用。3 总结本文设计了一种温度可调的基于开口谐振环的锑化铟材料吸收器，该吸收器由顶层金属谐振环，中间可调半导体介质层和底层金属连续薄膜构成，在吸收结构中利用四个不同的谐振环和锑化铟圆柱复合结构吸收入射的电磁波。在入射方向平行于z轴和四个锑化铟圆柱温度均为T=270K的情况下，在共振频率3.1576THz和3.3877THz处得到两个吸收峰值，分别对应96%和99.9%的吸收率，并且改变锑化铟圆柱的温度会使这两个吸收峰值既可以实现同时调节也可以实现单独可调，即分别同时调整和对应对角线改变锑化铟圆柱的温度，并且结构参数的变化也会使得共振频率发生变化。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1 王生浩，文峰，郝万军，等.电磁污染及电磁辐射防护材料 J.环境科学与技术，2006，29（12）.2LandyNI，SajuyigbeS，MockJJ，etal.PerfectMetamaterialAbsorberJ.PhysicalReviewLetters，2008，100（20）：207402.3TaoH，BinghamCM，StrikwerdaAC，etal.Highlyflexiblewideangleofincidenceterahertzmetamaterialabsorber：Design，fabrication，andcharacterizationJ.AmericanPhysicalSociety，2008，78（24）：241103.4LandyNI，BinghamCM，TylerT，etal.Design，theory，andmeasurementofapolarization-insensitiveabsorberforterahertzimagingJ.PhysicalReviewBCondensedMatter&MaterialsPhysics，2009，79（12）：125104.5YeL，ZengF，ZhangY，etal.Frequency-ReconfigurableWide-AngleTerahertzAbsorbersUsingSingle-andDouble-LayerDecussateGrapheneRibbonArraysJ.Nanomaterials，2018，8（10）：834.6YaoG，LingF，YueJ，etal.Dual-bandtunableperfectmetamaterialabsorberintheTHzrangeJ.OpticsExpress，2016，24（2）：1518.7ZhuJ，HanJ，ZhenT，etal.ThermalbroadbandtunableTerahertzmetamaterialsJ.OpticsCommunications，2011，284（12）：3129-3133.8 白育堃，魏仁霄，马秀荣，等.基于锑化铟的可调超材料太赫兹带阻滤波器（英文）J.红外与毫米波学报，2017，36（3）：261-265；275.9 胡建荣，李九生，程伟.基于温敏介质的温控太赫兹波带阻滤波器研究 J.电子元件与材料，2014，33（5）：57-60.井。通井过程中，在挂卡遇阻的井段反复划眼处理，确保井眼通畅，到底后大排量循环钻井液，清洗井眼。3 结束语（1）阜宁组地层破碎，稳定性较差，水基钻井液体系很难满足长水平段的页岩油施工要求。油基钻井液体系是页岩油水平井首选的钻井液体系。（2）螺杆选择首先考虑造斜率的要求，再考虑安全因素。铜页1区块造斜段，优选有扶螺杆满足造斜需要；水平段优选无扶螺杆，减小卡钻风险，机械钻速大幅提升。（3）采用防卡钻头，反向破碎岩石能力强，配合“寸提”“限扭矩”“重稠浆扫井”等防卡技术措施，对易掉块井眼的防卡效果明显。（4）鉴于导眼井的实钻情况，铜页1区块阜宁组的硬脆性泥岩易剥落，突发性硬卡概率较高。铜页1HF井采用井筒风险预警矩阵预测体系，通过对实钻参数的分析，评价井下的实际状况，防止事故的发生，表明井筒风险评价对于井下故障的预防有明显的效果。参考文献1 殷水平.南海东部古河道卡钻分析及防卡技术 J.石化技术，2022，29（2）：171-173.2 邱崇粤.浅谈莺歌海盆地海上大位移水平井钻井技术优化策略 J.中国石油和化工标准与质量，2022，42（19）：177-179.3 付强.四川盆地页岩气超长水平段水平井钻井实践与认识 J.钻采工艺，2022，45（4）：9-18.4 高德利.非常规油气井工程技术若干研究进展 J.天然气工业.2021，41（8）：53-162.（上接第4 4 页）