[发明专利]基于拓扑和石墨烯的可调谐吸波人工电磁超材料

说明书

技术领域

本发明涉及基于拓扑和石墨烯材料的可调谐吸波人工电磁超材料，在许多领域具有广阔的应用前景。

背景技术

人工电磁超材料是一种人造介质，在自然界并不存在，它利用亚波长的微结构当作类似材料组成单元的原子分子，因其所具有的独特的电磁特性，例如，负折射率效应、负磁导率效应、强圆二向色性、电磁隐身、逆多普勒效应、逆契仑可夫辐射、放大倏逝波、吸波人工电磁超材料等而受到广泛的关注。其中吸波人工电磁超材料的研究近年来已取得了很大成果，但还有许多关键性技术问题厄待解决，如怎样拓宽和智能控制吸波人工电磁超材料的工作频带等。为了解决这些问题，人们做了很多尝试，由此形成了电磁学领域的一个新的热点：可调谐吸波人工电磁超材料。

2008年，N．I．Landy从负折射率媒质宏观等效电磁参数出发，探讨了人工电磁超材料对入射电磁波达到完美吸收时的电磁参数条件；并试验验证了基于SRR-Wires周期谐振单元人工电磁超材料具有非常好的吸波效果。同年，Hu Tao等人采用相同方法对N．I．Landy的吸波人工电磁超材料结构作了改进，把工作频率提高到了太赫兹频段。美国阿肯色州州立大学V.V.Varadan也对类似SRR-Wires结构负折射率吸波材料做了详细的实验研究。2008年，H.T.Chen提出可以通过光参杂调谐吸波人工电磁超材料的吸收光谱。同年，D.R.Smith提出可以通过控制温度的变化实现可调谐吸波人工电磁超材料。2012年，A.Minovich 等人将液晶集成与吸波人工电磁超材料中，通过外加电场调节液晶的双折射率进而实现吸收光谱的频率可调谐性。

上面几种结构在制作方法、应用及推广上仍存在不足，如设计过程复杂且加工工艺要求高，同时液晶材料又具有流动性与腐蚀性，会给吸波人工电磁超材料的实际应用带来很大的难度。

因此，本发明提供一种基于拓扑材料和石墨烯材料的可调谐吸波人工电磁超材料。通过在多层人工电磁超材料中引入拓扑材料或者石墨烯材料，使其产生的吸收谱工作频带具有可调谐性，从而解决了吸波人工电磁超材料工作频段过窄和不可调谐的问题。本发明利用拓扑材料或者石墨烯材料的介电系数及表面电阻率随外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度改变而变化的特性，实现可调谐吸波人工电磁超材料。

发明内容

本发明针对上述可调谐吸波人工电磁超材料的问题，提供了一种基于拓扑或者石墨烯材料的可调谐吸波人工电磁超材料，该器件具有结构简单、操作容易、工作频率调谐范围大等特点。

本发明解决问题采用的技术方案如下：

基于拓扑材料和石墨烯材料的吸波人工电磁超材料是一个多层结构器件。其表面所具有的亚波长周期性谐振单元阵列，会使其产生较高的吸收光谱。通过改变拓扑材料和石墨烯材料的介电常数及表面电阻率，使吸收谱对应的工作频带发生偏移，从而实现可调谐吸波人工电磁超材料。

一种具有可调谐吸收光谱的吸波人工电磁超材料，该吸波人工电磁超材料是多层结构，第一种结构是通过在衬底材料上生长金属层、拓扑材料或者石墨烯材料层、金属层和氧化层，然后在顶部金属层和氧化层上制作周期性谐振单元阵列而成； 

第二种结构是通过在衬底材料上生长金属层、介质层、金属层，然后在顶部金属层上制作周期性谐振单元阵列，最后在周期性谐振单元阵列表面镀拓扑材料层或者石墨烯材料层而成。

所述的周期性谐振单元阵列是圆形、矩形、椭圆形、三角形、弧形、十字形、六边形、不对称开环、螺旋结构或共轭卍字形； 

所述的介质层可以是Al₂O₃层、Si₃N₄层、MgF₂层或SiO₂层等。

所述的拓扑材料层可以是Bi_xSb_1-x层、HgTe 层、Bi₂Te₃ 层、Bi₂Se₃ 层或Sb₂Te₃ 层等。

所述的石墨烯层是单层碳原子层，由石墨烯层和M层碳原子层构成，其中1<M<100。

所述的氧化层可以是In₂O₃层、SnO₂ 层或ITO层等。