[發(fā)明專利]基于石墨烯與二氧化釩超材料的動(dòng)態(tài)可調(diào)雙功能器件

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110041881.1
• 申請(qǐng)日: 2021-01-13
• 公開（公告）號(hào): CN112822932A
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 肖丙剛;馬馳
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國計(jì)量大學(xué)
• 主分類號(hào): H05K9/00
• 分類號(hào): H05K9/00
• 代理公司: 暫無信息
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本發(fā)明公開了一種基于石墨烯和二氧化釩超材料的動(dòng)態(tài)可調(diào)雙功能器件，屬于中紅外技術(shù)領(lǐng)域的吸波及反射器件，利用了石墨烯表面等離子體特性與二氧化釩的相變特性。該器件為三維周期性結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)組成為：金構(gòu)成的金屬基底(1)，二氧化釩層(2)，和十字星石墨烯層(3)。本發(fā)明主要通過有限元方法計(jì)算模擬出石墨烯對(duì)電磁波的吸收頻譜，對(duì)吸波器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到理想的寬帶吸波效果，同時(shí)利用二氧化釩的相變特性，可以動(dòng)態(tài)改變器件的功能。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，僅通過在二氧化釩材料在疊加一層十字型石墨烯，便可實(shí)現(xiàn)吸收效率在90％以上，帶寬為2.9THz的吸波器件，此外，還可以在全頻段范圍內(nèi)得到具有99％以上反射率的反射器件。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于石墨烯和二氧化釩超材料的動(dòng)態(tài)可調(diào)雙功能器件，屬于超材料在中紅外波段的應(yīng)用領(lǐng)域。

背景技術(shù)

由于具有很多自然材料所不具備的特殊性質(zhì)，如負(fù)折射率、復(fù)介電常數(shù)、逆多普勒效應(yīng)等，超材料逐漸進(jìn)入研究人員的視野。超材料作為一種特殊的亞型材料，可以作為理想的吸波材料，在較窄的頻帶或較寬的頻帶范圍內(nèi)獲得接近完美的吸收特性。

吸波材料是一種可以將入射到材料表面的電磁波轉(zhuǎn)換為熱能或其他形式能量的一類材料，可減少電磁波的透射和反射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的吸收。目前典型的吸波器件結(jié)構(gòu)為三明治型：其頂層為周期性超材料圖案，中間是一層非金屬介質(zhì)材料，底層是不透明的金屬平面。通過調(diào)節(jié)單元結(jié)構(gòu)的尺寸來調(diào)節(jié)吸收峰的位置和吸收效率，所以在實(shí)驗(yàn)中一旦固定下來就很難實(shí)現(xiàn)可調(diào)性。

石墨烯由于具有很多優(yōu)異的光學(xué)和電子特性，自被發(fā)現(xiàn)可以在自然界穩(wěn)定存在以來，即成為納米材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。石墨烯作為新型二維材料，是已知強(qiáng)度最高的材料之一，同時(shí)具有很好的韌性，在光頻段，對(duì)光只有2.3％的吸收率，透過率達(dá)到97.7％。即對(duì)可見光來說，石墨烯基本是透明的，當(dāng)入射光強(qiáng)達(dá)到特定的閾值時(shí)，其吸收會(huì)有一個(gè)飽和狀態(tài)。由于其獨(dú)特的光學(xué)和電子特性，如高載流子遷移率、零間隙帶隙結(jié)構(gòu)和通過施加偏置電壓或化學(xué)摻雜來改變電導(dǎo)率的可調(diào)諧性,石墨烯成為制作吸波器的主要材料之一。

除了石墨烯之外，相變材料二氧化釩也逐漸進(jìn)入研究人員的視野，人們發(fā)現(xiàn)二氧化釩的光學(xué)性質(zhì)隨溫度的變化而變化。因此，二氧化釩材料逐漸被應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)光學(xué)器件和射頻電子器件。二氧化釩的相變是發(fā)生在介質(zhì)和金屬之間，當(dāng)溫度處于室溫狀態(tài)時(shí)，二氧化釩處于介質(zhì)狀態(tài)；當(dāng)溫度超過340K時(shí)，二氧化釩體現(xiàn)金屬的性質(zhì)。

相比于傳統(tǒng)的金屬吸波器，本發(fā)明提出的基于石墨烯和二氧化釩的吸波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，并且石墨烯的性質(zhì)還可以通過外加電壓來調(diào)節(jié)，同時(shí)二氧化釩的性質(zhì)也可通過改變溫度來調(diào)節(jié)。此外，當(dāng)溫度超過340K時(shí)，此時(shí)本發(fā)明提出的器件可作為反射器工作，使入射的電磁波完全反射。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯和二氧化釩超材料的動(dòng)態(tài)可調(diào)雙功能器件，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)節(jié)的雙功能器件。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案如下：

基于石墨烯和二氧化釩超材料的動(dòng)態(tài)可調(diào)雙功能器件，該器件為二維周期性三層結(jié)構(gòu)，自上而下分別為：一層十字交叉石墨烯，一層二氧化釩，以及最底層的金屬反射層。

本技術(shù)方案中的石墨烯和二氧化釩超材料的動(dòng)態(tài)可調(diào)雙功能器件以石墨烯材料為基礎(chǔ)，可以通過氧化石墨還原法來制作，器件的加工還包括光刻及刻蝕技術(shù)。本發(fā)明使用石墨烯材料作為吸收介質(zhì)。

本發(fā)明所述的有益效果是：

1、可實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲波的高效吸收，單頻帶的吸收效率接近100％。

2、通過調(diào)節(jié)石墨烯的化學(xué)勢(shì)，可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)吸收帶寬，并且吸收效率在90％以上。

3、通過調(diào)節(jié)外界溫度，可動(dòng)態(tài)改變二氧化釩的性質(zhì)，進(jìn)而調(diào)節(jié)吸收帶寬，并且吸收效率在 90％以上。