一种基于石墨烯和二氧化钒的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器

1.本发明属于电磁超材料技术领域；具体涉及一种基于石墨烯和二氧化钒的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，该转换器可以通过改变石墨烯的费米能级和二氧化钒的电导率来实现多模式可调谐。


背景技术：

2.太赫兹(terahertz，thz)波是指在0.1～10thz频率范围内，波长在0.03～3mm之间介于微波与红外光之间的电磁波。以其许多优异的特性在电磁波谱中占有重要地位，引起了人们的极大兴趣。极化是电磁波非常重要的特性之一，在实际生活中具有广泛的应用价值。最传统的偏振控制方法依赖于天然材料结构的各向异性特性，如晶格控制、双折射控制和二向色晶体控制。然而，用传统材料制作的极化变换器通常体积大、不易集成、工作带宽窄、效率低、损耗高和极化控制效果不明显等缺点。因此，很难将其应用到实际系统中。但是一种称为超材料(metamaterial)的合成电磁介质已经克服了传统材料的问题。它是由亚波长金属或介电块的周期性阵列组成，由于具有控制电磁波的能力而成为控制极化的潜在材料。通过对超材料结构的合理设计，使超材料的等效电磁参数在各个方向上都是不同的，电磁波的极化状态是灵活可控的。近年来，超材料与太赫兹电磁波的结合控制极化引起了人们的极大兴趣，并在实践中得到了广泛的应用。
3.因此，为了实现可调谐性，引入了功能材料如二氧化钒(vo2)、石墨烯等活性材料。石墨烯作为一种优良的活性二维材料，由六边形晶格中的碳原子周期性阵列组成，可以通过化学掺杂或施加外部偏置电压来改变其表面电导率，从而具有优异的动态可调特性。二氧化钒作为另一种活性材料，可以在约340k时从绝缘状态变为金属状态，在340k以下，vo2作为绝缘体具有单斜结构。相反，一旦温度高于340k，vo2的原子重排将转变为具有四方晶格的金属相，其电导率随温度的升高可从10s/m变化到105s/m以上。且状态可逆，是一种典型的相变材料。这些材料与超材料相结合，可以在单个的超材料装置中实现不同的功能的切换和多维度的性能调谐。这为设计可调谐的太赫兹多功能极化转化器提供了新的思路。虽然已经有关于多功能可调谐极化转换器的工作被报道，但它们只能工作在透射或反射模式下，不能相互切换，缺乏一定的灵活性和集成度，且不具备多维度性能调谐或调谐效果不佳。因此，迫切需要开发一种能够在透射和反射模式之间动态切换，而且极化转换性能可以在多种模式下实现动态调谐的极化转换器件。


技术实现要素：

4.为了解决上述的不足之处，本发明提供一种基于石墨烯和二氧化钒的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器。当石墨烯处于金属态时，器件的功能为理想的宽带反射极化转换器，通过温度调节二氧化钒的电导率，可以实现反射极化转换的强度调制；当石墨烯处于绝缘态时，器件的功能为理想的透射极化转换器。通过温度调节二氧化钒的电导率，可以
实现透射极化转换的带宽调制；当二氧化钒处于绝缘态时，器件的功能为理想的宽带透射极化转换器，通过操纵石墨烯的费米能级，可以实现透射极化转换的强度调制；当二氧化钒处于金属态时，器件的功能为带宽可变的透射极化转化器，通过操纵石墨烯的费米能级，可以实现从宽带极化转换器到窄极化转换器的切换；当石墨烯和二氧化钒分别处于合适的状态时，器件的功能为中心频率可调的透射极化转换器，同步调节石墨烯的费米能级和二氧化钒的电导率，可以实现在带宽不变的情况下透射极化的中心频率调制。
5.本发明采用的技术方案是，设计了一种基于石墨烯和二氧化钒的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器。该结构由四层组成，从底层至顶层依次为附着在底部金属光栅上的石墨烯层,介质层，二氧化硅层和金属圆环层组成。石墨烯层、介质层与二氧化硅层横截面的形状一致；金属圆环层为设置了2个开口的金属圆环，金属圆环的材料为金，开口相对于y轴45度方向对称设置，开口均由二氧化钒填充，金属圆环层的中心轴与石墨烯层的中心轴重合。
6.进一步地，单元结构的尺寸为60μm
×
60μm。
7.进一步地，附着在底部金属光栅上的石墨烯层选择电导率为4.5
×
107s/m的金材料，石墨烯层的厚度为0.1μm-0.3μm。
8.进一步地，开口处填充的二氧化钒的介电常数由drude模型描述为：
[0009][0010]
上式中，ω是入射角频率，ε
∞
＝12是高频介电常数，γ＝5.75
×
10
13
rad/s是碰撞频率，ω
p
(σ)是等离子体频率，σ是二氧化钒的电导率，与其等离子体频率之间的关系为：
[0011][0012]
其中，σ0＝3
×
105s/m，ω
p
(σ0)＝1.4
×
10
15
rad/s；
[0013]
当二氧化钒处于金属态时，电导率为σ＝3
×
105s/m；
[0014]
当二氧化钒处于绝缘状态时，电导率为σ＝20s/m。
[0015]
进一步地，介质层由聚酰亚胺组成，其相对介电常数为:ε
pi
＝3，介质层的厚度为20μm-22μm。
[0016]
进一步地，石墨烯层的厚度为0.1μm-0.3μm，石墨烯的表面电导率描述为：
[0017][0018]
其中，ω、t、τ和ef分别是弧度角频率、温度、弛豫时间和费米能级。
[0019]
进一步地，二氧化硅层的介电常数为ε＝3.9，厚度为0.1μm-0.3μm。
[0020]
进一步地，所述圆环的外半径为23μm-25μm，内半径为21μm-23μm。
[0021]
进一步地，所述开口长度为3μm-5μm，开口(4-1)深度与圆环厚度一致，圆环厚度为0.1μm-0.3μm。
[0022]
一种基于石墨烯和二氧化钒的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器。当石墨烯处于金属态时，器件的功能为理想的宽带反射极化转换器，通过温度调节二氧化钒的电导率，可以实现反射极化转换的强度调制；当石墨烯处于绝缘态时或绝缘态时，器件的功能为理想的透射极化转换器。通过温度调节二氧化钒的电导率，可以实现透射极化转换的带宽调制；当二氧化钒处于绝缘态时，器件的功能为理想的宽带透射极化转换器，通过操纵石墨
烯的费米能级，可以实现透射极化转换的强度调制；当二氧化钒处于金属态时，器件的功能为带宽可变的透射极化转化器，通过操纵石墨烯的费米能级，可以实现从宽带极化转换器到窄极化转换器的切换；当石墨烯和二氧化钒分别处于合适的状态时，器件的功能为中心频率可调的透射极化转换器，同步调节石墨烯的费米能级和二氧化钒的电导率，可以实现在带宽不变的情况下透射极化的中心频率调制。
[0023]
本发明提供的一种基于石墨烯和二氧化钒的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，具有如下有益效果：
[0024]
二氧化钒的电导率可以通过光、温度、电压多种方式实现20～300000s/m之间的改变，而石墨烯的电导率通过施加偏置电压或在化学掺杂的作用下灵活地改变。首先，在石墨烯处于绝缘状态的情况下，获得了相对带宽为107％的宽带透射极化转换器。通过控制vo2的电导率，透射极化可以实现70％的强度调制深度。当石墨烯处于金属态时，获得了相对带宽为92％的宽带反射极化转换器。通过同样的调节方法，透射极化可以实现80％的带宽调制深度。然后，当vo2处于绝缘状态时，我们得到了另一个宽带透射极化转换器。当石墨烯处于金属态时，获得了相对带宽为92％的宽带反射极化转换器。通过同样的调节方法，透射极化可以实现80％的带宽调制深度。然后，当vo2处于绝缘状态时，我们得到了另一个相对带宽为84％的宽带透射极化转换器。通过控制石墨烯的费米能级，透射极化可以实现11％的强度调制深度。当vo2处于金属态时，随着石墨烯费米能级的增加，该器件可以实现从宽带极化转换器到窄极化转换器的切换。最后，通过同时操纵石墨烯和二氧化钒的电导率，可以在带宽不变的情况下获得透射极化的中心频率调制。
[0025]
本发明利用二氧化钒的相变特性和石墨烯的导电特性，通过温度调控和电压调控，实现了具有多模式可调谐的太赫兹超材料极化转换器。器件的调谐方式、相对带宽和偏振转换性能均具有显著的优势，在高密度集成器件领域中具有潜在的应用前景。
附图说明
[0026]
图1是实施例1中基于石墨烯和二氧化钒的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器的结构示意图；
[0027]
图2是图1的俯视图；
[0028]
图3为实施例1中当石墨烯为金属态时，器件作为反射极化转化器的反射曲线和反射极化转换率曲线；
[0029]
图4是实施例1中反射极化转换率随二氧化钒电导率的变化曲线；
[0030]
图5为实施例1中当石墨烯为绝缘态时，器件作为透射极化转化器的透射曲线和透射极化转换率曲线；
[0031]
图6是实施例1中透射极化转换率随二氧化钒电导率的变化曲线；
[0032]
图7是实施例1中当二氧化钒分别为金属态和绝缘态时，透射极化转换率随石墨烯费米能级的变化曲线；
[0033]
图8是实施例1中透射极化转换率中心频率随石墨的费米能级和二氧化钒电导率的变化曲线；
[0034]
图中1——附着在底部金属光栅上的石墨烯层，2——介质层，3——二氧化硅层，4——金属圆环层，4-1——开口。
具体实施方式
[0035]
通过结合实施例中的附图，对本发明的目的、设计方案以及优势进行认真详细的阐述。需要说明的是，此处仅通过描述具体实施例来解释本发明，并不代表对本发明保护范围的任何限定。
[0036]
实施例1
[0037]
本实施例提供的一种基于石墨烯和二氧化钒的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器。该结构由四层组成，从底层至顶层依次为附着在底部金属光栅上的石墨烯层1，介质层2，二氧化硅层3和金属圆环层4组成。金属圆环层4为设置了2个开口的金属圆环，金属圆环材料为金，相对于y轴旋转45
°
对称设置的开口4-1内由二氧化钒填充。如图1所示。
[0038]
石墨烯层1、介质层2与二氧化硅层3横截面的形状一致；金属圆环层4的中心轴与石墨烯层1的中心轴重合。
[0039]
其中，单元结构的尺寸为60μm
×
60μm，附着在底部金属光栅上的石墨烯层1选择电导率为4.5
×
107s/m的金；
[0040]
介质层2由聚酰亚胺组成，其相对介电常数为:ε
pi
＝3。介质层的厚度为21μm。
[0041]
二氧化硅层3的介电常数为ε＝3.9，厚度为0.2μm。
[0042]
金属圆环层4的外半径为24μm，内半径为22μm，开口4-1长度为4μm，如图2所示。
[0043]
在本实施例的参数下，该太赫兹超材料器件表现出最优的性能。二氧化钒的电导率可以通过光、温度、电压多种方式实现20～300000s/m之间的改变，而石墨烯的电导率通过施加偏置电压或在化学掺杂的作用下灵活地改变。首先，当石墨烯处于金属态时，获得了相对带宽为92％的宽带反射极化转换器，通过控制vo2的电导率，可以实现80％的反射极化带宽调制深度；当石墨烯处于绝缘态时，获得了相对带宽为107％的宽带透射极化转换器，通过控制vo2的电导率，可以实现70％的透射极化强度调制深度。其次，当vo2处于金属态时，获得了一个透射极化转换器，通过控制石墨烯费米能级，该器件可以实现从宽带极化转换器到窄极化转换器的自动切换；当vo2处于绝缘状态时，可以得到另一个相对带宽为84％的宽带透射极化转换器，通过控制石墨烯的费米能级，透射极化可以实现11％的强度调制深度。最后，通过同步设置石墨烯费米能级和二氧化钒电导率，可以在带宽不变的情况下实现透射极化中心频率的调制。
[0044]
本实施例作为反射极化转化器时的反射曲线和反射极化转换率(pcrr)曲线如图3所示。如左图所示，在整个频率范围内，反射系数r
yy
的幅值接近于零，rxy大于0.8。同样，从右图中可以看出，反射极化转换率几乎达到了1。
[0045]
本实施例作为反射极化转化器时，反射极化转换率随二氧化钒电导率的变化曲线如图4所示。当时，在1.30-3.53thz的频率范围内，pcrr大于0.9，相对带宽为92％。随着vo2电导率的增加，pcrr的强度降低。当时，极化转换几乎消失，变成一条趋于平坦的曲线。从整体上看，宽带反射极化转换器的pcrr强度从1变化到接近0.2。因此，在工作频率范围内通过改变温度实现了80％的强度调制深度。
[0046]
本实施例作为透射极化转化器时的反射曲线和透射极化转换率(pcrt)曲线如图5所示。左图为y极化波透射系数的曲线，可以看到透射共极化系数t
yy
的值接近于零。同样，pcrt几乎达到1，如右图所示。因此，当所设计的极化转换器处于传输模式时，入射波的电磁
能几乎全部转换为交叉极化的透射波能量，实现了线极化到线极化的转换。
[0047]
本实施例作为透射极化转化器时，透射极化转换率随二氧化钒电导率的变化曲线如图6所示。时，大于0.9的pcrt在1.07-3.53thz的频率范围内，相对带宽为107％。随着vo2电导率的增加，pcrt的带宽减小。当时，在1.45-2.20thz的频率范围内，pcrr大于0.9，相对带宽为41％。整体而言，宽带传输极化转换器的pcrt带宽从2.46thz变化到0.75thz。因此，在工作频率范围内通过改变温度实现了70％的带宽调制深度。
[0048]
本实施例当vo2为金属态时或绝缘态时，透射极化转换率随石墨烯费米能级的变化曲线如图7所示。当vo2为金属态时，是一种透射极化转换器。如左图，当ef＝0ev时，大于0.9的pcrt在1.41-2.21thz的频率范围内，相对带宽为44％。随着石墨烯费米能级的增加，pcrt的带宽减小。当ef＝1ev时，器件完全切换为窄带极化变换器。大于0.6的pcrt在1.74-1.84thz的频率范围内，相对带宽为6％。因此，通过在工作频率范围内调节石墨烯的费米能级，可以实现88％的带宽调制深度。特别是，在宽带向窄带转换的过程中，pcrt的中心频率保持不变。当vo2为绝缘态时，是一种宽带透射极化转换器。如右图，当ef＝0.2ev时，大于0.9的pcrt强度在1.39-3.39thz的频率范围内，相对带宽为84％。随着石墨烯费米能级的增加，pcrt的振幅逐渐减小。当ef＝1ev时，pcrt的强度降至0.8。因此，通过改变石墨烯的费米能级，可以实现11％的强度调制深度。
[0049]
本实施在合理设置vo2电导率及石墨烯费米能级时，是一个中心频率可调的透射极化转换器，中心频率随石墨的费米能级和二氧化钒电导率的变化曲线如图8所示。当ef＝0ev，时，大于0.9的pcrt强度在1.07-3.10thz的频率范围内，中心频率为2.09thz。中心频率随ef的增大和的减小而发生显著的蓝移。当ef＝0.1ev，时，超过0.9的pcrt强度在1.31-3.30thz的频率范围内，中心频率为2.29thz。当ef＝0.2ev，时，大于0.9的pcrt强度在1.36-3.36thz的频率范围内，中心频率为2.36thz。在中心频率调制过程中，pcrt的带宽保持不变。
[0050]
综上所述，本实施方式利用二氧化钒的相变特性和石墨烯的导电特性设计了具有可切换可调谐极化转换功能的多层结构。当石墨烯处于金属态时，器件的功能为理想的宽带反射极化转换器，通过温度调节二氧化钒的电导率，可以实现反射极化转换的强度调制；当石墨烯处于绝缘态时或绝缘态时，器件的功能为理想的透射极化转换器。通过温度调节二氧化钒的电导率，可以实现透射极化转换的带宽调制；当二氧化钒处于绝缘态时，器件的功能为理想的宽带透射极化转换器，通过操纵石墨烯的费米能级，可以实现透射极化转换的强度调制；当二氧化钒处于金属态时，器件的功能为带宽可变的透射极化转化器，通过操纵石墨烯的费米能级，可以实现从宽带极化转换器到窄极化转换器的切换；当石墨烯和二氧化钒分别处于合适的状态时，器件的功能为中心频率可调的透射极化转换器，同步调节石墨烯的费米能级和二氧化钒的电导率，可以实现在带宽不变的情况下透射极化的中心频率调制。
[0051]
本发明在调谐方式、相对带宽和偏振转换性能等方面具有一定的优势。
[0052]
本发明技术方案不仅仅局限于所列举的实施形式，凡是合理范围内的设计、改进
或替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于石墨烯和二氧化钒的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，其特征在于，由四层组成，从底层至顶层依次为附着在底部金属光栅上的石墨烯层(1)、介质层(2)、二氧化硅层(3)和金属圆环层(4)构成；石墨烯层(1)、介质层(2)与二氧化硅层(3)横截面的形状一致；所述金属圆环层(4)为设置有2个开口(4-1)的圆环，材料为金，开口(4-1)对称设置，开口(4-1)均由二氧化钒填充，金属圆环层(4)的中心轴与石墨烯层(1)的中心轴重合。2.根据权利要求1所述的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，其特征在于，开口(4-1)相对于y轴45度方向设置，开口(4-1)长度为0.1μm-0.3μm，开口(4-1)深度与圆环厚度一致，圆环厚度为0.1μm-0.3μm。3.根据权利要求1所述的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，其特征在于，开口(4-1)处填充的二氧化钒的介电常数由drude模型描述为：上式中，ω是入射角频率，ε
∞
＝12是高频介电常数，γ＝5.75
×
10
13
rad/s是碰撞频率，ω
p
(σ)是等离子体频率，σ是二氧化钒的电导率，与其等离子体频率之间的关系为：其中，σ0＝3
×
105s/m，ω
p
(σ0)＝1.4
×
10
15
rad/s；当二氧化钒处于金属态时，电导率为σ＝3
×
105s/m；当二氧化钒处于绝缘状态时，电导率为σ＝20s/m。4.根据权利要求1所述的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，其特征在于，单元结构的尺寸为60μm
×
60μm。5.根据权利要求1所述的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，其特征在于，金属光栅的材料选择电导率为4.5
×
107s/m的金。6.根据权利要求1所述的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，其特征在于，石墨烯层(1)的厚度为0.1μm-0.3μm，石墨烯的表面电导率描述为：其中，ω、t、τ和e
f
分别是弧度角频率、温度、弛豫时间和费米能级。7.根据权利要求1所述的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，其特征在于，介质层(2)材料为聚酰亚胺，其相对介电常数为:ε
pi
＝3，介质层(2)的厚度为20μm-22μm。8.根据权利要求1所述的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，其特征在于，所述二氧化硅层(3)的介电常数为ε＝3.9，厚度为0.1μm-0.3μm。9.根据权利要求1所述的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，其特征在于，圆环的外半径为23μm-25μm，内半径为21μm-23μm，厚度为0.1μm-0.3μm。10.根据权利要求1所述的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，其特征在于，该极化转换器可以通过改变石墨烯的费米能级和二氧化钒的电导率来实现多模式可调谐：当石墨烯处于金属态时，器件的功能为理想的宽带反射极化转换器，通过温度调节二氧化钒的电导率，可以实现反射极化转换的强度调制；当石墨烯处于绝缘状态时，器件的功能为理想的透射极化转换器。通过温度调节二氧
化钒的电导率，可以实现透射极化转换的带宽调制；当二氧化钒处于绝缘态时，器件的功能为理想的宽带透射极化转换器，通过操纵石墨烯的费米能级，可以实现透射极化转换的强度调制；当二氧化钒处于金属态时，器件的功能为带宽可变的透射极化转化器，通过操纵石墨烯的费米能级，可以实现从宽带极化转换器到窄极化转换器的切换；当石墨烯和二氧化钒分别处于合适的状态时，器件的功能为中心频率可调的透射极化转换器，同步调节石墨烯的费米能级和二氧化钒的电导率，可以实现在带宽不变的情况下透射极化的中心频率调制。

技术总结
本发明公开了一种基于石墨烯和二氧化钒的多模式可调谐太赫兹超材料极化转换器，属于电磁超材料技术领域。器件单元结构由四层组成，从底层至顶层依次为附着在底部金属光栅上的石墨烯层,介质层，二氧化硅层和金属圆环层组成，金属圆环层为设置了2个开口的金属圆环，开口相对于y轴45度方向对称设置，开口均由二氧化钒填充。本发明利用二氧化钒的相变特性和石墨烯的导电特性，通过温度调控和电压调控，实现了具有多模式可调谐的太赫兹超材料极化转换器。器件的调谐方式、相对带宽和偏振转换性能均具有显著的优势，在高密度集成器件领域中具有潜在的应用前景。中具有潜在的应用前景。中具有潜在的应用前景。


技术研发人员：张颖 董天俐 李悠 唐雨培
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/19