[发明专利]一种砷化镓/石墨烯复合超材料太赫兹宽带吸收器

说明书

一种砷化镓/石墨烯复合动态可调宽带太赫兹超材料吸收器，属于超材料及电磁功能材料领域。该吸收器分为上下两个部分，上部分由砷化镓(GaAs)/石墨烯超材料层，介电层与半导体GaAs层三部分组成；下部分包括十字石墨烯层，介电层和底层金属反射层三部分。金属反射层为一层连续的金属薄膜，厚度大于工作太赫兹波的趋肤深度；介质层为二氧化硅材料。顶层图形由石墨烯十字与四个大小相同的GaAs方框锁构成；第四层为与顶层尺寸不同的石墨烯十字阵列。本发明通过对石墨烯与GaAs层的尺寸优化与电压调控，实现对垂直入射电磁波的完全吸收。本发明结构简单且具有宽频带高吸收频率可调的特性，可用于太赫兹波段电磁波的收集和探测装置。

技术领域：

本发明属于超材料及电磁功能材料技术领域，涉及一种太赫兹吸收器，具体涉及一种砷化镓/石墨烯复合动态可调宽带太赫兹超材料吸收器。

背景技术：

太赫地限制了太赫兹及太赫兹期间的发展，这主要是由于自然界中缺乏能产生有效太赫兹响应的物质。超材料是一类通过尺寸小于波长的人工材料，这种材料的性质主要由其形状和尺寸决定，而与它的材料种类无关。通过设计不同的结构和尺寸的超材料，可以达到操控电磁波、进而对太赫兹波产生响应的作用。最简单的超材料吸收器结构一般由三层构成。它包括表面超材料层、中间介电层，以及底层的金属反射层。吸收单元尺寸一般在几微米到几百微米之间。超材料吸收器已广泛应用于电磁波吸收、滤波、成像等方面，而利用超材料构造的各种太赫兹功能器件也越来越多地见诸于报道，例如超材料传感器、极化转换器与吸收器等。2008年，Landy等首先提出了基于超材料的完美吸收器概念，他们利用开口环等构成的电磁谐振器可对特定频率电磁波实现完美吸收，从而引发了超材料吸收器的研究热潮。现今，对于超材料吸收器的研究主要集中在对于具有结构简单、易制造、宽宽、性能可调节等特点的新一代超材料吸收器的设计研发。

为实现以上要求，超材料吸收器引入了液晶、石墨烯，以及VO₂等半导体材料来改善它的性能。其中，石墨烯因其可通过电掺杂改变光学特性最为引人注目，在动态吸收等方面具有独特的优势。半导体材料的电导率可通过温度、光照射等方式而发生改变，因此，半导体材料的引入有利于吸收器实现性能的动态调控。

发明内容：

针对现有太赫兹超材料吸收器的不足，本发明提出了一种砷化镓/石墨烯复合动态可调宽带太赫兹超材料吸收器，其具有宽频带、高吸收(近乎100％吸收)、动态可调等优异特性。

该型超材料吸收器结构可看做由上、下两个吸收器叠加而成，上吸收器由砷化镓(GaAs)/石墨烯超材料层，中间介电层，下层为GaAs半导体层构成；下吸收器则由十字石墨烯层，中间介电层和底部金属反射层构成。所述金属反射层为一层连续的金属薄膜,其材料可为金、银、铝或铜，厚度为0.1～0.2μm，应满足大于太赫兹波在该金属中的趋肤深度。所述介电层位于石墨烯砷化镓(GaAs)/石墨烯复合超材料层与金属或半导体反射层之间，其材料为二氧化硅(SiO₂)，相对介电常数在3～4之间，厚度为10～16μm。

石墨烯层，其化学势为0.1～0.9eV，厚度为0.7～1.8nm。最顶层石墨烯层的“十字”径长56～68μm，径宽为7～15μm，下层石墨烯层的“十字”径长为70～75μm，径宽为18～24μm。顶层石墨烯层的“十字”中分布四个尺寸相同的方框状GaAs层，方框外框长为21～26μm，内框长为15～20μm。砷化镓的电导率对泵浦功率的依赖关系的实验参数拟合公式为：σ_GaAs＝0.32047I³-15.89563I²+778.914I+91.16367[Zhao,X.,et al.Sensors and Actuators APhysical 231(2015):74-80]。其中I为泵浦光功率，单位为Mw，本研究采用波长为800nm的泵浦光激发GaAs，没有光照时GaAs的电导率为100S/m,随着光功率的增加，电导率可到达10⁵量级。该吸收器在施加泵浦光后，可使GaAs材料的电导率控制在4000～200000S/m之间变化。超材料吸收器阵列单元为正方形，其单元边长65～85μm。