王全全, 成國(guó)慶, 宛 汀, 宋祖昆

(1. 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院, 南京 210003; 2. 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)江西有限公司南昌分公司, 南昌 330000)

吸波器[1]通常由金屬層和介質(zhì)層組成,可以將入射電磁波轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式能量, 有效降低電磁波的反射和透射．吸波器的應(yīng)用研究在治理電磁污染、目標(biāo)電磁隱身和生物醫(yī)療成像等方面具有重要意義．

人工復(fù)合超材料具有特殊的電磁響應(yīng),可有效吸收電磁波, 是吸波器的常用設(shè)計(jì)材料[2]．He等[3]通過(guò)嵌套超材料金屬環(huán)設(shè)計(jì)出在0.1～1 THz內(nèi)具有5個(gè)吸收峰的吸波器,可通過(guò)增加金屬環(huán)數(shù)量實(shí)現(xiàn)多頻帶吸收; 郝夢(mèng)真等[4]設(shè)計(jì)了一種在5.2～6.8 THz范圍內(nèi)吸收率達(dá)97%以上的吸波器, 該吸波器將3層結(jié)構(gòu)相同但尺寸不同的周期單元堆疊, 有效擴(kuò)展了吸收帶寬; Jain等[5]使用機(jī)器學(xué)習(xí)輔助設(shè)計(jì)了一種基于超材料諧振器的吸波器,該吸波器在1.89～8.13 THz內(nèi)具有7個(gè)吸收峰, 吸收率達(dá)80%以上, 且在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景．盡管以上基于金屬超材料吸波器在吸波性能上表現(xiàn)良好, 但此類吸波器結(jié)構(gòu)固定、工作頻率固定, 無(wú)法滿足不同頻率下的使用需求．

石墨烯的電子遷移率極高且具有電導(dǎo)率可調(diào)節(jié)的特性[6], 還可支持表面等離子體激元(surface plasmon polariton, SPP)傳播[7-8], 是一種極具應(yīng)用潛力的二維超材料[9-11]．通過(guò)控制石墨烯化學(xué)勢(shì)或費(fèi)米能級(jí)可調(diào)節(jié)其電導(dǎo)率, 因此石墨烯可用于設(shè)計(jì)帶寬可調(diào)的多需求吸波器．例如, Zhang等[12]設(shè)計(jì)了一種在4.29和6.85 THz處具有雙頻吸收特性的吸波器, 該吸波器由周期性排列的十字形和圓盤(pán)形石墨烯陣列以及SiO2介質(zhì)層和金屬接地層組成; Sorathiya等[13]設(shè)計(jì)了一種用于紅外頻段的基于石墨烯的可調(diào)諧吸波器, 雙頻吸收率達(dá)99%以上, 但工作帶寬較小; Yao等[14]設(shè)計(jì)了一種由條狀石墨烯、SiO2介質(zhì)層和金屬層組成的帶寬可調(diào)的吸波器, 其吸收率在4.0～4.5 THz范圍內(nèi)可達(dá)90%以上, 但為了實(shí)現(xiàn)寬帶吸收, 石墨烯化學(xué)勢(shì)須調(diào)整至1 eV, 且其金屬層材料為Au, 制造成本較高．

本文擬采用石墨烯材料設(shè)計(jì)一種吸波性能高, 且工作模式可切換的吸波器．通過(guò)調(diào)節(jié)石墨烯的化學(xué)勢(shì),實(shí)現(xiàn)吸波器寬帶或雙頻吸收模式的切換, 并進(jìn)一步分析介質(zhì)層和入射角對(duì)吸波性能的影響．

1 吸波器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 吸波器結(jié)構(gòu)圖

2 仿真與結(jié)果分析

2.1 吸收率

圖2為本文設(shè)計(jì)的吸波器的反射率、吸收率和透射率仿真結(jié)果, 仿真過(guò)程中石墨烯的化學(xué)勢(shì)為0.5 eV．由圖2可知, 石墨烯吸波器的透射率在0.5～2.5 THz頻率區(qū)間內(nèi)基本為0, 這是由于金屬層的厚度遠(yuǎn)大于入射電磁波的集膚深度, 電磁波無(wú)法從吸波器中透射．在低頻處電磁波沒(méi)有發(fā)生諧振現(xiàn)象, 反射率接近1, 隨后電磁波頻率增加到結(jié)構(gòu)的諧振頻率, 電磁波能量被吸收, 反射率降低, 在1.05 THz附近出現(xiàn)最小值, 隨著頻率繼續(xù)增強(qiáng), 反射率再次升高．吸收率的變化趨勢(shì)則與反射率相反, 吸收率在1.05 THz和1.25 THz附近分別高達(dá)98.68%和95.76%, 在0.98～1.51 THz頻率區(qū)間內(nèi)吸收率均達(dá)90%以上．文獻(xiàn)[3～5]中設(shè)計(jì)的吸波器有多個(gè)吸收峰, 但具有吸收率達(dá)90%以上的吸收帶寬較窄．

圖2 吸波器仿真結(jié)果

1.05 THz頻率下吸波器單元結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布如圖3所示．位于頂層的石墨烯介電常數(shù)實(shí)部為負(fù)值, 而位于石墨烯下層的SiC介電常數(shù)實(shí)部為正值, 當(dāng)電磁波入射時(shí), 會(huì)在兩種材料邊界處激發(fā)SPP．入射電磁波與石墨烯SPP諧振, 能量從光子轉(zhuǎn)移到SPP中, 使石墨烯SPP的能量增加, 電場(chǎng)強(qiáng)度隨之增強(qiáng)．由圖3可知, 電場(chǎng)主要集中在石墨烯附近, SiC層和銅金屬層的電場(chǎng)強(qiáng)度低, 吸波器主要依靠石墨烯SPP諧振吸收入射電磁波．

圖3 頻率為1.05 THz時(shí)吸波器單元結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布

2.2 石墨烯對(duì)吸波性能的影響

吸波器采用石墨烯單環(huán)和雙環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)吸收率對(duì)比如圖4所示．由圖4可知: 當(dāng)僅使用內(nèi)環(huán)時(shí), 吸波器在1.3 THz的吸收率達(dá)到峰值72.87%; 僅使用外環(huán)時(shí)在1.05 THz的吸收率達(dá)92.26%, 90%以上吸收率帶寬僅為0.06 THz; 而采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí), 吸波器在1.05 THz處吸收率高達(dá)98.68%, 且在0.98～1.51 THz頻率區(qū)間內(nèi)達(dá)90%以上的吸收率．故使用石墨烯雙環(huán)結(jié)構(gòu)可以有效提高吸波器性能．

在石墨烯兩端外加偏置磁場(chǎng)或電場(chǎng)可以調(diào)整其化學(xué)勢(shì)及電導(dǎo)率, 從而影響吸波性能．本文吸波器在不同化學(xué)勢(shì)μc條件下的吸收率仿真計(jì)算結(jié)果如圖5所示．由圖5可知, 化學(xué)勢(shì)μc從0.3 eV增至0.7 eV, 吸收峰逐漸向高頻處移動(dòng), 吸收率對(duì)化學(xué)勢(shì)變化敏感．μc=0.3 eV時(shí), 吸波器在1.05 THz時(shí)吸收率達(dá)到最大值90%, 在其他μc條件下, 最高吸收率均超過(guò)98%．尤其是在0.7 eV時(shí), 吸波器處于雙頻吸收模式, 在1.35 THz的吸收率為98.65%, 1.75 THz的吸收率高達(dá)99.60%, 電磁波幾乎沒(méi)有發(fā)生反射和透射, 近乎完美吸收．此外, 吸波器的工作帶寬也與μc相關(guān)．圖5顯示, μc取0.3 eV時(shí), 吸收率均不超過(guò)90%; 當(dāng)μc取0.4, 0.5, 0.6, 0.7 eV時(shí), 吸收率達(dá)90%以上的吸收帶寬分別為0.20, 0.53, 0.27, 0.23 THz, 在石墨烯化學(xué)勢(shì)為0.5 eV時(shí)吸收率達(dá)90%的頻率范圍最寬, 此時(shí)吸波器呈現(xiàn)寬帶吸收特性．

圖5 不同化學(xué)勢(shì)下的吸收率

2.3 介質(zhì)層對(duì)吸波性能的影響

介質(zhì)材料分別采用SiC、SiO2或Al2O3(折射率分別為2.64, 2.00, 1.76)時(shí), 吸波器的吸波性能對(duì)比如圖6所示．由圖6可知, 使用不同介質(zhì)材料的吸波器吸收率為80%以上的帶寬無(wú)明顯差別, 均約0.6 THz, 但吸收率為90%以上的吸收帶寬區(qū)別較大, 介質(zhì)材料分別為Al2O3, SiO2, SiC時(shí), 90%以上吸收率的帶寬分別為0.24, 0.27, 0.53 THz．此外, 諧振頻率也發(fā)生了明顯改變, 隨著3種介質(zhì)材料折射率的增大,吸波器諧振頻率逐漸變?。C上,本文選擇SiC作為吸波器介質(zhì)材料．

圖6 不同介質(zhì)材料時(shí)的吸波器吸收率

圖7 不同SiC介質(zhì)層厚度的吸波器吸收率

2.4 入射角對(duì)吸波性能的影響

實(shí)際應(yīng)用中, 電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下吸波器吸收率的變化情況．由圖9可以看出, 吸收率曲線在入射角0°～30°范圍內(nèi)變化較小, 在0.98～1.51 THz頻率區(qū)間內(nèi)有90%以上的吸收率; 當(dāng)入射角增大到45°時(shí), 吸收率只在1.2～1.3 THz頻率區(qū)間有所降低, 仍可達(dá)80%以上, 且在0.98～1.51 THz的其他頻率區(qū)間吸收率升高,吸收率在1.15 THz達(dá)98.62%, 在1.45 THz高達(dá)99.42%; 但當(dāng)入射角增大到60°時(shí),吸波器工作性能顯著下降, 此時(shí)90%以上吸收帶寬為0.18 THz, 在1.3 THz時(shí)吸收率低至67.41%, 這是由于斜入射電磁波無(wú)法較好的引起吸波器諧振, 故吸波性能下降．綜上, 本文所設(shè)計(jì)的吸波器在0°～45°的入射角范圍內(nèi)具有寬帶吸收特性, 實(shí)用性較好, 有望應(yīng)用于電磁防護(hù)、飛行器隱身和光電探測(cè)等眾多領(lǐng)域．

圖9 不同入射角θ下的吸波器吸收率