基于石墨烯和二氧化钒的太赫兹可调谐超材料吸收器

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太赫兹超材料吸收器作为一种重要的太赫兹功能器件,被广泛应用于生物医学传感、电磁隐身、军用雷达等多个领域。传统的超材料吸收器结构具有可调谐性差、功能单一、性能指标不足等缺点,已经难以满足复杂多变的电磁环境的要求,因此主动可调谐超材料吸收器逐渐成为了太赫兹功能器件领域的研究热点。为实现超材料吸收器吸收特性的可调谐,通常从调节谐振单元或基底材料的电磁特性和调节超材料结构单元的几何参数两个方面出发。石墨烯(Graphene)和二氧化钒(VO2)因具有独特的性质而被人们广泛关注,人们发现石墨烯可以通过外加偏置电压或化学掺杂等方式改变费米能级,进而影响表面电导率。二氧化钒是一种热控相变材料,它的电导率在相变过程中会发生巨大突变,当低于临界温(68℃)时二氧化钒表现为绝缘体,而高于临界温度时表现出金属特性。为实现对入射电磁波的主动调控,本文围绕石墨烯和二氧化钒两种材料结合不同的周期性图案设计了两种宽频吸收器和一种双频窄带可调谐吸收器,其主要研究内容如下:(1)提出了一种由斜“8”字型二氧化钒开口环阵列组成的宽带可调谐吸收器。模拟结果表明,当二氧化钒处于金属相时,该结构在0.44~0.81 THz的宽频吸收带内,吸收幅值均超过了90%,具有宽频吸收特性且吸收带宽达到了0.37THz。由于二氧化钒材料从绝缘状态到金属状态的相变特性,通过控制其电导率在100~200000 S/m之间变化时,该宽频结构可在反射器和吸收器两种工作状态之间实现自由切换。此外,通过监测顶层谐振器的表面电场分布对宽频吸收的吸收机理进行了分析。(2)提出了一种由方形石墨烯片与椭圆十字型凹槽结合组成的双频窄带可调谐超材料吸收器。研究了结构几何参数、材料特性以及入射太赫兹波的偏振角度和斜入射角度对吸收性能的影响。同时,结合电场和磁场分布,分析了双频吸收的物理机理。实验结果表明,当石墨烯费米能级为0.7 e V时,该超材料吸收器在1.74 THz和6.5 THz频率处的吸收幅值分别达到了99.1%和99%。通过调节石墨烯的费米能级,可实现两个谐振频率处的工作频率的动态调控。(3)为了同时实现工作频率与吸收幅值的独立调谐,结合石墨烯和二氧化钒两种材料特点设计了一款超材料吸收器。该吸收器由工字型二氧化钒谐振层、连续石墨烯层、Topas介质和金属反射层组成。研究结果表明,当二氧化钒材料电导率为200000 S/m且石墨烯的费米能级为0.1 e V时,在2.8 THz的宽频吸收带内获得了90%以上的吸收率。调节石墨烯的费米能级在0.1~0.3 e V之间变化时,该吸收器的工作频率发生了明显的蓝移。通过控制二氧化钒的电导率使其在100~200000 S/m之间变化时,所提出的宽频结构在反射器和吸收器两种工作状态之间实现自由切换。此外,还分别监测了该超材料吸收器在1.87 THz、3.04THz、4.16 THz三个完美吸收峰处的表面电流分布,讨论了其工作机理。基于所设计的超材料结构通过石墨烯和二氧化钒两个独立可调“开关”实现了对吸收器工作频率和吸收振幅的双重控制,为设计多功能太赫兹器件提供了新的研究思路。
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