基于石墨烯与二氧化钒超材料的动态可调双功能器件

摘要

本发明公开了一种基于石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件，属于中红外技术领域的吸波及反射器件，利用了石墨烯表面等离子体特性与二氧化钒的相变特性。该器件为三维周期性结构，其结构组成为：金构成的金属基底(1)，二氧化钒层(2)，和十字星石墨烯层(3)。本发明主要通过有限元方法计算模拟出石墨烯对电磁波的吸收频谱，对吸波器件结构进行优化，得到理想的宽带吸波效果，同时利用二氧化钒的相变特性，可以动态改变器件的功能。本发明结构简单，易于加工，仅通过在二氧化钒材料在叠加一层十字型石墨烯，便可实现吸收效率在90％以上，带宽为2.9THz的吸波器件，此外，还可以在全频段范围内得到具有99％以上反射率的反射器件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件，属于超材料在中红外波段的应用领域。

背景技术

由于具有很多自然材料所不具备的特殊性质，如负折射率、复介电常数、逆多普勒效应等，超材料逐渐进入研究人员的视野。超材料作为一种特殊的亚型材料，可以作为理想的吸波材料，在较窄的频带或较宽的频带范围内获得接近完美的吸收特性。

吸波材料是一种可以将入射到材料表面的电磁波转换为热能或其他形式能量的一类材料，可减少电磁波的透射和反射，从而实现对电磁波的吸收。目前典型的吸波器件结构为三明治型：其顶层为周期性超材料图案，中间是一层非金属介质材料，底层是不透明的金属平面。通过调节单元结构的尺寸来调节吸收峰的位置和吸收效率，所以在实验中一旦固定下来就很难实现可调性。

石墨烯由于具有很多优异的光学和电子特性，自被发现可以在自然界稳定存在以来，即成为纳米材料领域的研究热点。石墨烯作为新型二维材料，是已知强度最高的材料之一，同时具有很好的韧性，在光频段，对光只有2.3％的吸收率，透过率达到97.7％。即对可见光来说，石墨烯基本是透明的，当入射光强达到特定的阈值时，其吸收会有一个饱和状态。由于其独特的光学和电子特性，如高载流子迁移率、零间隙带隙结构和通过施加偏置电压或化学掺杂来改变电导率的可调谐性,石墨烯成为制作吸波器的主要材料之一。

除了石墨烯之外，相变材料二氧化钒也逐渐进入研究人员的视野，人们发现二氧化钒的光学性质随温度的变化而变化。因此，二氧化钒材料逐渐被应用于实现光学器件和射频电子器件。二氧化钒的相变是发生在介质和金属之间，当温度处于室温状态时，二氧化钒处于介质状态；当温度超过340K时，二氧化钒体现金属的性质。

相比于传统的金属吸波器，本发明提出的基于石墨烯和二氧化钒的吸波器具有结构简单，易于加工，并且石墨烯的性质还可以通过外加电压来调节，同时二氧化钒的性质也可通过改变温度来调节。此外，当温度超过340K时，此时本发明提出的器件可作为反射器工作，使入射的电磁波完全反射。

发明内容

本发明设计了一种基于石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件，提供一种结构简单，易于调节的双功能器件。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：

基于石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件，该器件为二维周期性三层结构，自上而下分别为：一层十字交叉石墨烯，一层二氧化钒，以及最底层的金属反射层。

本技术方案中的石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件以石墨烯材料为基础，可以通过氧化石墨还原法来制作，器件的加工还包括光刻及刻蚀技术。本发明使用石墨烯材料作为吸收介质。

本发明所述的有益效果是：

1、可实现对太赫兹波的高效吸收，单频带的吸收效率接近100％。

2、通过调节石墨烯的化学势，可动态调节吸收带宽，并且吸收效率在90％以上。

3、通过调节外界温度，可动态改变二氧化钒的性质，进而调节吸收带宽，并且吸收效率在 90％以上。

4、该器件的吸收峰位置不仅可以通过几何参数去调节还可以通过外加电压和改变外界温度的方法去调节。

5、双功能器件采用二维周期性结构，结构简单紧凑，便于大规模集成。

附图说明

图1是本发明结构单元示意图。

图2是l＝5.0um，w＝2um，μ从0.1eV到0.3eV范围内变化的吸波图。

图3是l＝5.0um，w＝2um，σ从100S/m到10000S/m范围内变化的吸波图。

图4是l＝5.0um，w＝2um，σ＝200000S/m时的反射图谱。

以上图片中含有：

1：金属材料金；2：二氧化钒；3石墨烯

具体实施方式

图1为基于石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件。其组成以周期为p＝6.0um，厚度为t＝0.2um的金作为反射底层；在金上面叠加一层厚度为d＝0.5um的二氧化钒层，其电导率可以随着温度的变化而动态改变，在室温下体现介质的性质，温度超过 340K时体现金属的性质；在二氧化钒上面叠加了一层十字型石墨烯，其厚度为 g＝0.001nm。其中，金的厚度远大于金在中红外波段的集肤深度，所以材料金基底可视为完美电导体(PEC)。

该基于石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件的工作原理可通过如下内容来解释。当在室温下时，二氧化钒体现介质的性质，此时，本发明可用作吸波器。如结构示意图 1所示，由于采用的十字型石墨烯结构，当电磁波入射到石墨烯表面时，满足谐振条件，其谐振条件可由公式2ksppL+2δ＝2pπ来表示，其中kspp为石墨烯表面等离子体波矢，L为谐振腔长度，δ为谐振腔两端的相位变化，p为整数。除此之外，该梯形石墨烯阵列的谐振频率可通过公式ω＝1.0/(LC)

当改变外界温度时，二氧化钒的电导率也随之改变。随着温度逐渐升高，二氧化钒的电导率逐渐增大，当温度超过340K时，二氧化钒彻底体现金属的性质。在图3中我们可以看到，随着二氧化钒电导率的增大，该吸波器的吸收峰的位置和吸收带宽都随着改变，当σ＝100S/m时，90％以上的吸收带宽为54.6THz-58.6THz，最大吸收率超过99.7％；当σ＝10000S/m时，在50THz附近的吸收率降低，反而90％以上的吸收峰处在在90THz附近， 90％以上的吸收带宽为90.1THz-91.1THz，最大吸收率超过97.8％。从图3中可以看出，随着二氧化钒电导率的增大，低频带吸收峰逐渐减小，高频带吸收峰逐渐增大。

随着温度进一步升高，二氧化钒体现金属的性质，此时，该基于石墨烯和二氧化钒超材料的动态可调双功能器件可用作反射器。如图4所示，在整个频带范围内，本发明均具有 99％以上的反射率。