[发明专利]一种基于石墨烯超表面微结构高效率可调吸波器

说明书

本发明公开了一种基于石墨烯超表面微结构高效率可调吸波器。其特征是：本发明设计的吸波器单元从下至上依次包括一层全金属1、二氧化硅介质层2、硅介质层3和石墨烯层4。通过对结构的设计，仿真得出电磁波响应的波段，从而实现对入射电磁波进行调制；通过扫描参数得出最优化吸波器结构，由传输线理论，通过介质层进行阻抗变换，确定最优参数结构的吸波器。根据吸波率、阻抗匹配、衰减特性所阐述的物理机制，得出此吸波器的吸收率接近100％。说明自由空间与该结构在谐振频率点实现完美阻抗匹配，磁谐振和电谐振实现了同步。本发明通过石墨烯超表面结构实现吸波效果，且具有强吸收，可调谐等优势。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于石墨烯超表面微结构高效率可调吸波器，属于微纳光电子学领域。

(二)背景技术

随着计算机的发展，电磁辐射充斥人们周围，促使研究学者加深新型吸波材料的研究。超构表面(Metasurface)是一种由单元结构组成的超薄二维平面阵列,超构表面属于二维的超构材料，是超构材料重要的研究方向。与超构材料相比，超构表面具有很多的优点，比如结构简单、体积小、易于集成制造等。电磁波的幅度、相位、偏振状态能够通过超表面结构灵活的控制，基于超构表面的这些优势，促使超构表面成为近些年来的热门研究。石墨烯是由单层碳原子构成的材料，具有其独特的电磁特性。在红外频段和太赫兹频段，电磁波在石墨烯中传输比在金属中传输的损耗更小。通过外加偏置电压、电磁场以及化学掺杂等方式可以改变石墨烯材料的化学势，相当于改变了石墨烯的电导率，最终实现对器件的工作频率动态调节，如集成光电子器件通过对超表面单元结构的精心设计。基于电磁超表面的吸波器一经提出，由于其相比于传统吸波器，利用超表面的局域强电磁耦合谐振，主要依靠电损耗和磁损耗实现完美吸波，造就其结构简单、吸收效率高、质量轻薄等显著优势。

通过对石墨烯超表面结构的精心设计，我们可以制作出宽带可调的石墨烯超表面吸波器，并非由传统吸波器为了使得入射到结构表面的电磁波能够无反射，全部以透射波的形式向前传播进入到结构内部，并且能够以任何形式的能量将其吸收的特点。宽带可调的石墨烯超表面吸波器在更多的实际生产生活中提供了更高的利用价值。比如射频识别技术、隐身技术、电磁防护、电磁兼容与屏蔽等。

(三)发明内容

本发明的目的在于提出一种结构简单，基于石墨烯超表面微结构高效率可调吸波器。

本发明的目的是这样实现的：

在频率为6～9THz和12.5～18.5THz的电磁波工作带宽内，研究石墨烯超表面和介质层不同形状尺寸的孔径结构的电磁特性，通过对结构单元的设计，找出多个可以响应不同频率波段的结构，从而实现对不同频率的入射电磁波进行调制。

通过扫描参数得出最优化吸波器结构，根据传输线理论，通过介质层进行阻抗变换来实现阻抗匹配。

确定最优参数结构的吸波器，根据从吸波率、阻抗匹配、衰减特性所阐述的吸波器物理机制，得出此吸波器的吸收率接近100％。说明了自由空间与该结构在谐振频率点实现完美阻抗匹配，磁谐振和电谐振实现了同步。

对于入射的电磁波，有一部分会直接被反射到自由空间形成反射波，剩余的部分以透射波形式入射至结构内部，一部分以欧姆损耗转换成热能或其它形式的能，一部分以透射波形式继续向前传播。因此，电磁波吸收率表达式为：

A(ω)＝1-R(ω)-T(ω)＝1-|S₁₁|²-|S₂₁|² (1)

其中，R(ω)、T(ω)分别为反射率和透射率，S₁₁、S₂₁分别为吸波器的反射系数和透射系数。S₂₁也可以认为是材料对电磁波的损耗系数。减少透射率相对容易，此结构采用一定厚度的金属板来消除电磁波的透射。即T(ω)＝0。即吸收率的公式简化为：