宽带/双频可切换的石墨烯太赫兹吸波器设计

王全全, 成国庆, 宛 汀, 宋祖昆

(1. 南京邮电大学通信与信息工程学院, 南京 210003; 2. 中国移动通信集团江西有限公司南昌分公司, 南昌 330000)

吸波器[1]通常由金属层和介质层组成,可以将入射电磁波转化为热能或其他形式能量, 有效降低电磁波的反射和透射．吸波器的应用研究在治理电磁污染、目标电磁隐身和生物医疗成像等方面具有重要意义．

人工复合超材料具有特殊的电磁响应,可有效吸收电磁波, 是吸波器的常用设计材料[2]．He等[3]通过嵌套超材料金属环设计出在0.1～1 THz内具有5个吸收峰的吸波器,可通过增加金属环数量实现多频带吸收; 郝梦真等[4]设计了一种在5.2～6.8 THz范围内吸收率达97%以上的吸波器, 该吸波器将3层结构相同但尺寸不同的周期单元堆叠, 有效扩展了吸收带宽; Jain等[5]使用机器学习辅助设计了一种基于超材料谐振器的吸波器,该吸波器在1.89～8.13 THz内具有7个吸收峰, 吸收率达80%以上, 且在生物医学领域具有潜在的应用前景．尽管以上基于金属超材料吸波器在吸波性能上表现良好, 但此类吸波器结构固定、工作频率固定, 无法满足不同频率下的使用需求．

石墨烯的电子迁移率极高且具有电导率可调节的特性[6], 还可支持表面等离子体激元(surface plasmon polariton, SPP)传播[7-8], 是一种极具应用潜力的二维超材料[9-11]．通过控制石墨烯化学势或费米能级可调节其电导率, 因此石墨烯可用于设计带宽可调的多需求吸波器．例如, Zhang等[12]设计了一种在4.29和6.85 THz处具有双频吸收特性的吸波器, 该吸波器由周期性排列的十字形和圆盘形石墨烯阵列以及SiO2介质层和金属接地层组成; Sorathiya等[13]设计了一种用于红外频段的基于石墨烯的可调谐吸波器, 双频吸收率达99%以上, 但工作带宽较小; Yao等[14]设计了一种由条状石墨烯、SiO2介质层和金属层组成的带宽可调的吸波器, 其吸收率在4.0～4.5 THz范围内可达90%以上, 但为了实现宽带吸收, 石墨烯化学势须调整至1 eV, 且其金属层材料为Au, 制造成本较高．

本文拟采用石墨烯材料设计一种吸波性能高, 且工作模式可切换的吸波器．通过调节石墨烯的化学势,实现吸波器宽带或双频吸收模式的切换, 并进一步分析介质层和入射角对吸波性能的影响．

1 吸波器结构设计

图1 吸波器结构图

2 仿真与结果分析

2.1 吸收率

图2为本文设计的吸波器的反射率、吸收率和透射率仿真结果, 仿真过程中石墨烯的化学势为0.5 eV．由图2可知, 石墨烯吸波器的透射率在0.5～2.5 THz频率区间内基本为0, 这是由于金属层的厚度远大于入射电磁波的集肤深度, 电磁波无法从吸波器中透射．在低频处电磁波没有发生谐振现象, 反射率接近1, 随后电磁波频率增加到结构的谐振频率, 电磁波能量被吸收, 反射率降低, 在1.05 THz附近出现最小值, 随着频率继续增强, 反射率再次升高．吸收率的变化趋势则与反射率相反, 吸收率在1.05 THz和1.25 THz附近分别高达98.68%和95.76%, 在0.98～1.51 THz频率区间内吸收率均达90%以上．文献[3～5]中设计的吸波器有多个吸收峰, 但具有吸收率达90%以上的吸收带宽较窄．

图2 吸波器仿真结果

1.05 THz频率下吸波器单元结构中的电场分布如图3所示．位于顶层的石墨烯介电常数实部为负值, 而位于石墨烯下层的SiC介电常数实部为正值, 当电磁波入射时, 会在两种材料边界处激发SPP．入射电磁波与石墨烯SPP谐振, 能量从光子转移到SPP中, 使石墨烯SPP的能量增加, 电场强度随之增强．由图3可知, 电场主要集中在石墨烯附近, SiC层和铜金属层的电场强度低, 吸波器主要依靠石墨烯SPP谐振吸收入射电磁波．

图3 频率为1.05 THz时吸波器单元结构中的电场分布

2.2 石墨烯对吸波性能的影响

吸波器采用石墨烯单环和双环结构时吸收率对比如图4所示．由图4可知: 当仅使用内环时, 吸波器在1.3 THz的吸收率达到峰值72.87%; 仅使用外环时在1.05 THz的吸收率达92.26%, 90%以上吸收率带宽仅为0.06 THz; 而采用双环结构时, 吸波器在1.05 THz处吸收率高达98.68%, 且在0.98～1.51 THz频率区间内达90%以上的吸收率．故使用石墨烯双环结构可以有效提高吸波器性能．

在石墨烯两端外加偏置磁场或电场可以调整其化学势及电导率, 从而影响吸波性能．本文吸波器在不同化学势μc条件下的吸收率仿真计算结果如图5所示．由图5可知, 化学势μc从0.3 eV增至0.7 eV, 吸收峰逐渐向高频处移动, 吸收率对化学势变化敏感．μc=0.3 eV时, 吸波器在1.05 THz时吸收率达到最大值90%, 在其他μc条件下, 最高吸收率均超过98%．尤其是在0.7 eV时, 吸波器处于双频吸收模式, 在1.35 THz的吸收率为98.65%, 1.75 THz的吸收率高达99.60%, 电磁波几乎没有发生反射和透射, 近乎完美吸收．此外, 吸波器的工作带宽也与μc相关．图5显示, μc取0.3 eV时, 吸收率均不超过90%; 当μc取0.4, 0.5, 0.6, 0.7 eV时, 吸收率达90%以上的吸收带宽分别为0.20, 0.53, 0.27, 0.23 THz, 在石墨烯化学势为0.5 eV时吸收率达90%的频率范围最宽, 此时吸波器呈现宽带吸收特性．

图5 不同化学势下的吸收率

2.3 介质层对吸波性能的影响

介质材料分别采用SiC、SiO2或Al2O3(折射率分别为2.64, 2.00, 1.76)时, 吸波器的吸波性能对比如图6所示．由图6可知, 使用不同介质材料的吸波器吸收率为80%以上的带宽无明显差别, 均约0.6 THz, 但吸收率为90%以上的吸收带宽区别较大, 介质材料分别为Al2O3, SiO2, SiC时, 90%以上吸收率的带宽分别为0.24, 0.27, 0.53 THz．此外, 谐振频率也发生了明显改变, 随着3种介质材料折射率的增大,吸波器谐振频率逐渐变小．综上,本文选择SiC作为吸波器介质材料．

图6 不同介质材料时的吸波器吸收率

图7 不同SiC介质层厚度的吸波器吸收率

2.4 入射角对吸波性能的影响

实际应用中, 电磁波可能不由吸波器垂直方向入射, 因此有必要分析不同入射角θ下吸波器吸收率的变化情况．由图9可以看出, 吸收率曲线在入射角0°～30°范围内变化较小, 在0.98～1.51 THz频率区间内有90%以上的吸收率; 当入射角增大到45°时, 吸收率只在1.2～1.3 THz频率区间有所降低, 仍可达80%以上, 且在0.98～1.51 THz的其他频率区间吸收率升高,吸收率在1.15 THz达98.62%, 在1.45 THz高达99.42%; 但当入射角增大到60°时,吸波器工作性能显著下降, 此时90%以上吸收带宽为0.18 THz, 在1.3 THz时吸收率低至67.41%, 这是由于斜入射电磁波无法较好的引起吸波器谐振, 故吸波性能下降．综上, 本文所设计的吸波器在0°～45°的入射角范围内具有宽带吸收特性, 实用性较好, 有望应用于电磁防护、飞行器隐身和光电探测等众多领域．

图9 不同入射角θ下的吸波器吸收率