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一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器

基本信息

  • 申请号 CN201811377075.6 
  • 公开号 CN109687162A 
  • 申请日 2018/11/19 
  • 公开日 2019/04/26 
  • 申请人 电子科技大学  
  • 优先权日期  
  • 发明人 吕坚 孟威威 闵道刚 廖邦繁 阙隆成 蒋亚东  
  • 主分类号 H01Q17/00 
  • 申请人地址 610000 四川省成都市高新区(西区)西源大道2006号 
  • 分类号 H01Q17/00;G02B5/00 
  • 专利代理机构 成都行之专利代理事务所(普通合伙) 51220 
  • 当前专利状态 发明专利申请公布 
  • 代理人 李朝虎 
  • 有效性 审查中-实审 
  • 法律状态 审查中-实审
  •  

摘要

本发明公开了一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,包括金属吸收层、介质层、反射层组成的晶格单元,所述反射层为狄拉克材料。
反射层接收外部激励,来调节反射层的费米能级,来调节吸收层和反射层之间的等效电容,从而实现吸收器的频率可调节的特性。
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权利要求书


1.一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,包括金属吸收层(1)、介质层(2)、反射层(3),组成的晶格单元,其特征在于,所述反射层(3)为狄拉克材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,其特征在于,所述金属吸收层(1)为双环结构的金属层。
3.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,其特征在于,所述金属吸收层(1)为双环结构的金属层,该双环结构的金属层包括一个正方形外环和一个正方形内环,正方形外环和正方形内环同心设置,且正方形外环和正方形内环的对应边平行设置,正方形内环的四个角向正方形外环四个边垂直延伸有四个谐振臂,且四个谐振臂的端部与端部正对正方形外环对应边之间存在大于0的缝隙,且正方形内环与正方形内环对应边之间仅有1个谐振臂。
4.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,其特征在于,所述金属吸收层为金属Au材料,厚度为0.2μm。
5.根据权利要求3所述的一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,其特征在于,所述金属吸收层的厚度为0.2μm,正方形外环的边宽为:D4,正方形内环的边宽为D3,谐振臂的长为D1、谐振臂的宽为D3,正方形外环的口径的一半为D2,正方形内环的口径的一半为D,D=6μm、D1=7.4μm、D2=26.5μm、D3=4μm、D4=3.5μm。
6.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,其特征在于,晶格单元整体呈长70um、宽70um、高30um的方体结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,其特征在于,介质层(2)为聚酰亚胺材料,呈长70um、宽70um、高为8μm的方体结构。
8.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,其特征在于,所述反射层(3)呈长70um、宽70um、高为20μm的方体结构。
9.根据权利要求1所述的一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,其特征在于,反射层(3)接收外部激励,以实现反射层(3)的费米能级为可调状态。
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说明书

技术领域
本发明涉及超材料吸收器领域,具体涉及一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器。
背景技术
传统的超材料吸收器的结构是由三层结构组成,上层为吸收层、中间为介质层、下层为金属反射层,吸收器的频率特性可以用传输线模型进行等效,采用RLC对频率特性进行分析。
随着研发的方向不同,在对超材料吸收器的研究中,常见的有定频和可调频,也有单频和多频设计,一般对于可调频的设计的研究是对吸收层的谐振单元进行设计,常见的有石墨烯材料设计的谐振单元,在石墨烯材料设计的谐振单元里,需要设置电极,通过外部加入电压,来改变调谐两石墨烯圆盘的费米能,从而控制两石墨烯圆盘的谐振特性以及石墨烯圆盘之间的近场耦合特性。
相当于是改变谐振单元的中电容的大小,从而实现频率的调节。
但由于石墨烯非常薄,在增加电极时,需要非常复杂的处理方法才能实现。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,该结构能在结构较厚的反射层来实现对频率的调节。
本发明的具体技术方案为:包括上下层叠的金属吸收层、介质层、反射层组成的晶格单元,所述反射层为狄拉克材料。
狄拉克材料(Dirac Semimetal,DS)。
反射层可以外加电压激励改变材料的费米能级,从而实现吸收器频率可调的特性。
在本发明中,将传统的金属反射层改为狄拉克材料,狄拉克材料又称为狄拉克半金属,狄拉克半金属是一种全新的奇特拓扑量子材料。
这种材料的电子形成了三维的狄拉克锥结构,这种材料的电子结构具有非平庸的拓扑性质,它也有和拓扑绝缘体类似的表面态。
在本发明中,通过在反射层外部增加电压激励改变狄拉克材料的费米能级,从而对吸收器的频率进行调节。
在本发明的THz吸收器的传输模型中,吸收层和反射层之间形成等效电容,吸收层金属环之间形成等效电容,当施加在反射层电压改变时,DS材料的费米能级将随之改变导致吸收层和反射层之间的等效电容发生变化,所以当改变反射层的电压时就可以调节THz吸收器的吸收频率。
本发明将DS材料作为反射层来调节其费米能级来实现吸收器频率可调的特性,相对于石墨烯施加电压的缺点,采用DS材料只需要改变吸收器的公共反射层的偏置电压就可以完成所有吸收单元的频率调节。
因此,采用DS材料作为反射层,有着较高可行性,另外石墨烯由于厚度的原因无法作为吸收器的反射层。
另外,透射率一般随着电导率的增大而减小,当本发明对狄拉克材料的反射层加电压时,狄拉克材料表现出良好的电导率增大,因此,可以在加电压情况下,实现对太赫兹波段透射率近乎为0的控制,以实现对太赫兹波的近乎100%吸收。
同时,由于本发明的是对狄拉克材料的费米能级的控制,可以实现在反射层的控制下,实现对吸收率的连续控制,可以做到任意吸收率。
而传统对反射层的吸收控制,只能做到二值状态,只能控制吸收或不吸收,无法控制吸收5,10%,这种中间值的控制,即只能做到近乎100%或0,这种开关状态,无法做到连续变化的控制。
总的来说,本发明利用对狄拉克材料的费米能级的控制,在本领域中充当反射层,做到可以对吸收率的多级控制,也能做到对频率的调节。
因此只需一个改变,即可实现2种功能。
且狄拉克材料是三维材料,厚度可以满足趋附深度的需要,适合充当反射层。
优选的,为了实现多频段的吸收,所述金属吸收层为双环结构的金属层。
优选的,所述金属吸收层为双环结构的金属层,该双环结构的金属层包括一个正方形外环和一个正方形内环,正方形外环和正方形内环同心设置,且正方形外环和正方形内环的对应边平行设置,正方形内环的四个角向正方形外环四个边垂直延伸有四个谐振臂,且四个谐振臂的端部与端部正对正方形外环对应边之间存在大于0的缝隙,且正方形内环与正方形内环对应边之间仅有1个谐振臂。
该结构可以实现具有三个吸收峰值,在这三个吸收峰的吸收率均能达到99.5%以上,由于传统的谐振单元一般是非中心对称的特点,本发明以上述结构,可以实现中心对称的特点,所以对TE/TM极化电磁波不敏感。
采用上述双矩形环,加四谐振臂的结构,还可以实现中心频率不会发生陡降的问题,整个吸收特性曲线成连续性,即单调上升后再单调下降,在整个吸收特性曲线中,每个频段中仅有一个波峰。
优选的,所述金属吸收层为金属Au材料,厚度为0.2μm。
所述金属吸收层的厚度为0.2μm,正方形外环的边宽为:D4,正方形内环的边宽为D3,谐振臂的长为D1、谐振臂的宽为D3,正方形外环的口径的一半为D2,正方形内环的口径的一半为D,D=6μm、D1=7.4μm、D2=26.5μm、D3=4μm、D4=3.5μm。
晶格单元整体呈长70um、宽70um、高30um的方体结构。
介质层为聚酰亚胺材料,呈长70um、宽70um、高为8μm的方体结构。
所述反射层呈长70um、宽70um、高为20μm的方体结构。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:本发明具有吸收率高,极化不敏感,实现对TE/TM极化电磁波实现无差别吸收。
结构简单易于加工等优点,并且可以通过外加电压的方式实现吸收频段可调特性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本申请的一部分,并不构成对本发明实施例的限定。
在附图中:图1为本发明的超材料吸收器单元结构的三维视图。
图2为本发明的超材料吸收器单元结构的俯视图。
图3为DS材料的电导率和介电常数特性曲线。
图4为本发明的超材料吸收器吸收特性曲线。
图5为本发明的超材料吸收器吸收特性随费米能级(Ef)的变化云图。
图6为模型的等效集总R,L,C参数示意图。
图7为吸收器的等效电路模型。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
实施例一一种基于狄拉克材料的可调三频段THz超材料吸收器,包括以下步骤:包括金属吸收层1、介质层2、反射层3组成的晶格单元,所述反射层3为狄拉克材料。
反射层3可以接收外部激励,以实现反射层3的费米能级为可变状态。
在本发明中,将传统的金属反射层改为狄拉克材料,狄拉克材料又称为狄拉克半金属,狄拉克半金属是一种全新的奇特拓扑量子材料。
这种材料的电子形成了三维的狄拉克锥结构,这种材料的电子结构具有非平庸的拓扑性质,它也有和拓扑绝缘体类似的表面态。
在本发明中,狄拉克材料的费米能级可以通过施加电压来调节,从而实现吸收频率的调节。
图6是吸收器的RLC振荡回路,其中大环和小环对应两个吸收频率,大环,小环和谐振臂构成第三个吸收频率,其等效集总RLC参数如图6所示。
当改变反射层的电压时,就可以改变反射层的费米能级,反射层费米能级的改变会影响吸收层和反射层之间的等效电容的大小,从而影响吸收器的吸收频率。
因此,采用DS材料作为反射层,有着较高可行性,另外石墨烯由于厚度的原因无法作为吸收器的反射层。
THz吸收器可以用传输线模型进行等效,本发明的三频段THz吸收器的等效电路如图7所示,Z0为真空阻抗,Z01,Z02,Z03,θ1,θ2,θ3分别为传输线的参数,其中的集总参数:R1、R2、R3、L1、L2、L3,Ci、Cij,i=j=1,2,3,Ci为吸收层和反射层之间的等效电容,Cij为吸收层金属环之间的等效电容,Z1(R1,L1,C1+C11+C12+C13),Z2(R2,L2,C2+C21+C22+C23),Z3(R3,L3,C3+C31+C32+C33)分别对应吸收器的三个吸收频率的集总参数。
Z1、Z1、Z3表示三个RLC振荡回路的阻抗,当施加在反射层电压改变时,DS材料的费米能级将随之改变导致吸收层和反射层之间的电容Ci发生变化,所以当改变反射层的电压时就可以调节THz吸收器的吸收频率。
本发明将DS材料作为反射层来调节其费米能级来实现吸收器频率可调的特性,相对于石墨烯施加电压的缺点,采用DS材料可以较好的解决,只需要改变吸收器的公共反射层的偏置电压就可以完成所有吸收单元的频率调节。
因此,采用DS材料作为反射层,有着较高可行性,另外石墨烯由于厚度的原因无法作为吸收器的反射层。
另外,透射率一般随着电导率的增大而减小,当本发明对狄拉克材料的反射层加电压时,狄拉克材料表现出良好的电导率增大,因此,可以在加电压情况下,实现对太赫兹波段透射率近乎为0的控制,以实现对太赫兹波的近乎100%吸收。
优选的,为了实现多频段的吸收,所述金属吸收层1为双环结构的金属层。
优选的,所述金属吸收层1为双环结构的金属层,该双环结构的金属层包括一个正方形外环和一个正方形内环,正方形外环和正方形内环同心设置,且正方形外环和正方形内环的对应边平行设置,正方形内环的四个角向正方形外环四个边垂直延伸有四个谐振臂,且四个谐振臂的端部与端部正对正方形外环对应边之间存在大于0的缝隙,且正方形内环与正方形内环对应边之间仅有1个谐振臂。
该结构可以实现具有三个吸收峰值,在这三个吸收峰的吸收率均能达到99.5%以上,由于传统的谐振单元一般是非中心对称的特点,本发明以上述结构,可以实现中心对称的特点,所以对TE/TM极化电磁波不敏感。
采用上述双矩形环,加四谐振臂的结构,还可以实现中心频率不会发生陡降的问题,整个吸收特性曲线成连续性,即单调上升后再单调下降,在整个吸收特性曲线中,每个频段中仅有一个波峰。
优选的,所述金属吸收层为金属Au材料,厚度为0.2μm。
所述金属吸收层的厚度为0.2μm,正方形外环的边宽为:D4,正方形内环的边宽为D3,谐振臂的长为D1、谐振臂的宽为D3,正方形外环的口径的一半为D2,正方形内环的口径的一半为D,D=6μm、D1=7.4μm、D2=26.5μm、D3=4μm、D4=3.5μm。
晶格单元整体呈长70um、宽70um的方体结构。
介质层2为聚酰亚胺材料,呈长70um、宽70um、高为8μm的方体结构。
所述反射层3呈长70um、宽70um、高为20μm的方体结构。
金属吸收层1采用电导率为4.56×107S/m的金属Au,吸收层厚度为0.2μm;聚酰亚胺介质层2的介电常数为3,损耗正切角为0.06,厚度为8μm;反射层3的介电常数和电导率采用图3所示的数据,反射层的电导率和介电常数的虚部和实部变化曲线,其中为约化普朗克常数,ω为角频率,Ef为DS材料的费米能级。
厚度为20μm;本发明设计的超材料吸收器单元的晶格参数为W=L=70μm,介质层2和反射层3的宽和长均为W和L;金属吸收层包括正方形外环和正方形内环,其结构参数如图2所示,D=6μm、D1=7.4μm、D2=26.5μm、D3=4μm、D4=3.5μm。
图4是本发明在THz波段的吸收特性曲线,在0.3THz—3.9THz范围内具有三个吸收峰值分别位于0.8THz,1.78THz,3.59THz处,在这三个吸收峰的吸收率均能达到99.5%以上,并且由于本发明具有中心对称的特点,所以对TE/TM极化电磁波不敏感。
图5是本发明提供的吸收特性曲线和随费米能级的变化的云图,从图中可以看出本发明的吸收峰值可以通过调节DS反射层的费米能级来实现调节,费米能级的调节可以通过改变DS反射层的外加电压实现。
从图5中可以看出,在DS材料的费米能级为55meV时,第三个吸收峰值频率为3.25THz,在费米能级为85meV时吸收峰值频率偏移到3.59THz,其中,可以实现三级的调节,同时,在本发明中,远不止这几级的调节,可以实现一定频段的任意调节。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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