本發(fā)明涉及一種基于石墨烯超表面結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧吸收型傳感器結(jié)構(gòu),是一種中紅外波段的單頻/雙頻吸收裝置。
背景技術(shù):紅外波段(Infrared)是指波長(zhǎng)介于微波與可見(jiàn)光之間的電磁波,波長(zhǎng)在760納米(nm)至1毫米(mm)之間,比紅光長(zhǎng)的非可見(jiàn)光。紅外波具有穿透性強(qiáng)等特點(diǎn),在通訊、探測(cè)、醫(yī)療、軍事等方面有廣泛的用途。超表面是一種由超材料結(jié)構(gòu)單元構(gòu)造的超薄二維陣列平面,可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波相位、極化方式、傳播模式等特性的靈活有效調(diào)控。2011年通過(guò)超表面實(shí)現(xiàn)反常電磁波透射和反射,從而拓展傳統(tǒng)電磁波折射定律的工作在美國(guó)《科學(xué)》雜志發(fā)表后即引起了廣泛的關(guān)注,通過(guò)超表面可實(shí)現(xiàn)負(fù)折射、負(fù)反射、極化旋轉(zhuǎn)、匯聚成像、復(fù)雜波束、傳播波向表面波轉(zhuǎn)化等新穎物理效應(yīng)。超表面豐富獨(dú)特的物理特性及其對(duì)電磁波的靈活調(diào)控能力使其在隱身技術(shù)、天線技術(shù)、微波和太赫茲器件、光電子器件等諸多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。石墨烯(Graphene)作為一種具有蜂窩狀二維晶體結(jié)構(gòu)半金屬材料,其特殊的特性很快被人們所關(guān)注。研究結(jié)果顯示,單層石墨烯對(duì)可見(jiàn)光的吸收率為2.3%,石墨烯層數(shù)對(duì)吸收率有明顯的影響。石墨烯優(yōu)越的電特性使得其在透光導(dǎo)體、光伏器件、發(fā)光設(shè)備等方面有十分強(qiáng)大的潛在應(yīng)用。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:本發(fā)明的目的是提供一種基于石墨烯超表面結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧吸收型傳感器結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)具有電調(diào)諧性能,同時(shí)具備環(huán)境介電常數(shù)可調(diào)諧吸收的特性,可以用于材料檢測(cè)等傳感器。為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案:一種基于石墨烯超表面結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧吸收型傳感器結(jié)構(gòu),包括中空上下敞口的極性基體,所述極性基體的中空部由下至上依次填充有導(dǎo)體材料層和半導(dǎo)體材料層,所述半導(dǎo)體材料層填充至與基體口部外緣上表面齊平,由所述半導(dǎo)體材料層、極性基體口部外緣上表面形成的表面上間隔涂覆有條狀石墨烯材料層。進(jìn)一步,所述導(dǎo)體材料層的厚度為1um,所述半導(dǎo)體材料層厚度為2um,所述極性基體的厚度為3um,所述石墨烯材料層的厚度為1nm。所述極性基體的壁厚W2為0.5um。所述條狀石墨烯材料層的條數(shù)為3個(gè),每條石墨烯材料層的寬度d1為1um,相鄰條狀石墨烯材料層的間距d2為1um。所述極性基體材質(zhì)為硝酸鋇(Ba(NO3)2)或其他介電常數(shù)為5的材料。所述導(dǎo)體材料層為金或銀或銅或其它金屬材料。所述半導(dǎo)體材料層材質(zhì)為二氧化鈦。一種調(diào)諧如上所述石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)的方法,該方法為:對(duì)各條狀石墨烯材料層加載電壓,所加載的電壓分別為u1、u2、u3;當(dāng)選擇電壓為:u1=u2=u3=0.3eV時(shí),所述石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)分別為29THz,38THz、45THz和48.5THz;吸收率分別為40%,10%,100%,26%。當(dāng)選擇電壓為:u1=u3=0.8eV,u2=0.3eV時(shí),所述石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)分別為36THz和45THz;兩個(gè)吸收頻點(diǎn)的吸收率均為100%。本發(fā)明提供另一種調(diào)諧如上所述石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)的方法,該方法為:選擇不同的背景環(huán)境,當(dāng)選擇背景環(huán)境為空氣,即εBG=1時(shí),所述石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)分別為29THz、37THz、45THz和48.5THz。當(dāng)選擇背景環(huán)境為水,即εBG=1.312時(shí),所述石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)分別為28.9THz、37THz、43.6THz和50THz。當(dāng)選擇背景環(huán)境的介電常數(shù)εBG=1.44時(shí),所述石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)分別為28.7THz、37THz、43THz和48.7THz。一種如上所述石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)在環(huán)境檢測(cè)中的應(yīng)用。與已有技術(shù)相比,本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:1、本發(fā)明石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)具有電調(diào)諧特性,即在該結(jié)構(gòu)上加載電壓時(shí),吸收頻段會(huì)隨電壓變化而改變;既可單獨(dú)調(diào)諧,也可實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)。通過(guò)石墨烯表面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)控吸收頻點(diǎn)的位置及個(gè)數(shù)。2、本發(fā)明石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)具備環(huán)境介電常數(shù)可調(diào)諧吸收率的特性,可用作材料檢測(cè)等。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的吸收結(jié)構(gòu)單元正視圖及尺寸參數(shù);圖2是本發(fā)明的吸收結(jié)構(gòu)單元側(cè)視圖及尺寸參數(shù);圖3是本發(fā)明的吸收結(jié)構(gòu)在不同背景環(huán)境下對(duì)電磁波吸收的仿真結(jié)果;圖4是本發(fā)明吸收結(jié)構(gòu)在不同電壓下單對(duì)電磁波吸收的調(diào)諧特性;附圖標(biāo)記:1導(dǎo)體材料層、2半導(dǎo)體材料層、3極性基體、4條狀石墨烯材料層。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案做進(jìn)一步解釋說(shuō)明。如圖1、2所示,一種基于石墨烯超表面結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧吸收型傳感器結(jié)構(gòu),包括極性基體3,該極性基體三為正方體結(jié)構(gòu),其中心設(shè)有一正方體通孔,在正方體通孔中由下至上依次填充有導(dǎo)體材料層1和半導(dǎo)體材料層2,半導(dǎo)體材料層2填充至與基體上表面齊平,由半導(dǎo)體材料層、極性基體上表面形成的表面上間隔涂覆條狀石墨烯材料層4。本實(shí)施例中,導(dǎo)體材料層1的厚度為1um,半導(dǎo)體材料層厚度為2um,極性基體3的厚度為3um,石墨烯材料層4的厚度為1nm;極性基體(3)的壁厚W2為0.5um,整個(gè)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)寬分別為5um、5um。本實(shí)施例中,條狀石墨烯材料層4的條數(shù)為3個(gè),每條石墨烯材料層4的寬度d1為1um,相鄰條狀石墨烯材料層的間距d2為1um。本實(shí)施例中,極性基體3材質(zhì)為硝酸鋇(Ba(NO3)2)或其他介電常數(shù)為5的材料;導(dǎo)體材料層為金或銀或銅或其它金屬材料;半導(dǎo)體材料層材質(zhì)為二氧化鈦。以下以極性基體3為硝酸鋇(Ba(NO3)2)、導(dǎo)體材料層為金、半導(dǎo)體材料層為二氧化鈦制作的石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)為例,對(duì)該吸收結(jié)構(gòu)的吸收頻點(diǎn)及吸收率做進(jìn)一步說(shuō)明。實(shí)施例1如圖4所示,對(duì)石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)中的各條狀石墨烯材料層分加載電壓,所加載的電壓分別為u1、u2、u3;當(dāng)選擇電壓為:u1=u2=u3=0.3eV時(shí),石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)分別為29THz,38THz,45THz和48.5THz,吸收率分別為40%,10%,100%,26%;當(dāng)選擇電壓為:u1=u2=u3=0.8eV時(shí),石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)分別為37THz和39THz;吸收率為40%左右;當(dāng)選擇電壓為:u1=u3=0.3eV,u2=0.8eV時(shí),石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)分別為30THz、38THz和48THz,吸收率分別為37%,62%和45%左右。當(dāng)選擇電壓為:u1=u3=0.8eV,u2=0.3eV時(shí),石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)分別為36THz和45THz;吸收率均接近100%。因此,在本實(shí)施例中,可以通過(guò)改變石墨烯納米條的外加電壓,實(shí)現(xiàn)吸收結(jié)構(gòu)調(diào)諧吸收頻點(diǎn)的位置及個(gè)數(shù),實(shí)現(xiàn)單調(diào)諧和多調(diào)諧吸收。實(shí)施例2將石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)置于不同的背景環(huán)境中。如圖3所示,當(dāng)選擇背景環(huán)境為空氣,即εBG=1時(shí),工作頻段選擇20-50THz,石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)在低頻段出現(xiàn)兩個(gè)吸收頻點(diǎn),分別為29THz、37THz,吸收率40%,10%左右,高頻段出現(xiàn)一個(gè)吸收頻點(diǎn),頻率為45THz,吸收率近100%;當(dāng)選擇背景環(huán)境為水,即εBG=1.312時(shí),石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)左移,產(chǎn)生了橫移現(xiàn)象,具體情況為:低頻段的兩個(gè)吸收頻段28.9、37THz的吸收率為35%、25%左右,高頻段出現(xiàn)2個(gè)吸收頻點(diǎn),頻率分別為43.6THz和50THz,吸收率98.8%和99%。當(dāng)選擇背景環(huán)境選擇介電常數(shù)εBG=1.44的油時(shí),石墨烯超表面吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)分繼續(xù)向左移動(dòng),第一吸收頻點(diǎn)28.7THz,吸收率為35%,頻點(diǎn)變化較小。第二吸收頻點(diǎn)37THz處,吸收率為33%,吸收率較前面兩種環(huán)境略有增加。第三吸收頻點(diǎn)43THz,吸收率為97%,吸收頻點(diǎn)左移,吸收率略有減小。第四吸收頻點(diǎn)48.7THz,吸收率近99%。因此,在本實(shí)施例中,可以通過(guò)不通背景環(huán)境下吸收結(jié)構(gòu)吸收頻點(diǎn)的變化,可用于環(huán)境(包括液態(tài)環(huán)境,如水,油等)檢測(cè);也可通過(guò)改變吸收結(jié)構(gòu)的工作背景環(huán)境達(dá)到調(diào)諧吸收頻點(diǎn)的目的。