一种多层石墨烯太赫兹超材料结构及其制备方法技术

一种多层石墨烯太赫兹超材料结构及其制备方法，属于材料制备领域，具体方案如下：一种多层石墨烯太赫兹超材料结构，包括石墨烯层、衬底层和金薄膜层，所述石墨烯层设置在衬底层的上表面，所述金薄膜层设置在衬底层的下表面；所述石墨烯层包括多层石墨烯，所述石墨烯层包括若干个石墨烯周期结构单元，每一个石墨烯周期结构单元中石墨烯的生长图案呈

【技术实现步骤摘要】
一种多层石墨烯太赫兹超材料结构及其制备方法


[0001]本专利技术属于材料制备领域，具体涉及一种多层石墨烯太赫兹超材料结构及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着新型二维材料的相继出现，如石墨烯、二氧化钒以及狄拉克半金属等被应用到太赫兹吸波器的设计中，这极大的丰富了太赫兹吸波器的种类和功能，这些应用中，最重要的就是利用二维材料使得太赫兹吸波体具有了可调的功能。但是，由于二维材料的单层或少层激励结构单元相对固定，其激励调谐范围有限，且二维材料的制备和传递过程复杂，容易产生褶皱和缺陷等，导致二维太赫兹材料的电磁吸收效率较低，严重制约了二维太赫兹器件的可控性、稳定性和宽频，并且不利于太赫兹智能调谐器件的开发和应用。
[0003]目前，关于二维主动调谐太赫兹器件的研究主要集中在二维超材料的结构设计、二维异质结的开发以及二维相变材料的性能研究等方面。其中，基于单层石墨烯的太赫兹器件的研究较多，研究者通过改变石墨烯费米级来调控材料的电导率，可以实现对太赫兹波在多个频率下的吸收。然而，单层石墨烯太赫兹吸收器在太赫兹波吸收方面存在着吸收效率低、动态调整范围窄等问题。为了解决这一瓶颈问题，研究者提出增加石墨烯厚度的方式来提高对太赫兹波吸收效率的思路。但是多层石墨烯太赫兹材料的制备技术还不成熟，因此，开发出多层石墨烯太赫兹材料的制备方法是解决目前器件调节范围窄的重要途径之一。
[0004]综上所述，现有石墨烯太赫兹超材料制备工艺中存在制备困难、电磁响应不敏感等方面问题，仍需要深入的科学研究。
专利技术内容
[0005]为了解决多层石墨烯太赫兹超材料制备及石墨烯图案化生长的问题，本专利技术提供了一种多层石墨烯太赫兹超材料结构及其制备方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
[0007]一种多层石墨烯太赫兹超材料结构，包括石墨烯层、衬底层和金薄膜层，所述石墨烯层设置在衬底层的上表面，所述金薄膜层设置在衬底层的下表面；所述石墨烯层包括多层石墨烯，所述石墨烯层包括若干个石墨烯周期结构单元，每一个石墨烯周期结构单元中石墨烯的生长图案呈
‘
G
’
字型图案。
[0008]进一步的，所述衬底层为SiO2衬底、蓝宝石衬底、本征硅衬底或聚酰亚胺衬底。
[0009]进一步的，所述
‘
G
’
字型图案由依次一体连接的第一水平结构、3/4圆形结构和第二水平结构构成，第一水平结构和第二水平结构相互平行。
[0010]进一步的，每个石墨烯周期结构单元的长度为50
‑
100μm，所述第一水平结构与第二水平结构的长度相等w＝10
‑
30μm；3/4圆形结构的内径R1＝5
‑
25μm，外径R2＝10
‑
30μm。
[0011]进一步的，3/4圆形结构的外径与内径之差为5
‑
25μm。
[0012]进一步的，所述石墨烯层的厚度为0.001
‑
0.01μm，所述衬底层的厚度为15
‑
150μm，所述金薄膜层的厚度为0.5
‑
1.5μm。
[0013]一种所述的多层石墨烯太赫兹超材料的制备方法，包括以下步骤：
[0014]步骤一、利用电磁仿真软件对石墨烯的生长图案进行设计和优化；
[0015]步骤二、将衬底放置在具有石墨烯生长图案的掩膜版上，在衬底上真空蒸镀图案化的铜薄膜；
[0016]步骤三、使用铜箔包裹铜薄膜的外周，且铜箔和铜薄膜之间留有间隙，采用化学气相沉积的方法在铜薄膜上生长图案化的多层石墨烯；
[0017]步骤四、将生长在铜薄膜上的多层石墨烯表面涂胶后烘干，利用刻蚀溶液刻蚀铜薄膜，使用衬底将涂胶的多层石墨烯捞起；
[0018]步骤五、在衬底远离多层石墨烯的一面蒸镀金薄膜得到涂胶的多层石墨烯/衬底/金薄膜；
[0019]步骤六、除去胶层得到多层石墨烯/衬底/金薄膜结构的多层石墨烯太赫兹超材料。
[0020]进一步的，步骤二、利用3D打印技术将工业塑料打印出具有石墨烯生长图案的掩膜版。
[0021]进一步的，步骤三中，铜箔和铜薄膜之间的间隙为0.5
‑
3.5mm。
[0022]进一步的，步骤四中，所述胶为聚甲基丙烯酸甲酯溶液；所述刻蚀溶液包括三氯化铁溶液、稀硫酸或过硫酸铵溶液中的一种或多种的组合。
[0023]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0024]本专利技术开发了一种多层石墨稀太赫兹超材料结构及制备工艺，利用电磁仿真技术将石墨烯进行图案化设计，获得了石墨烯/衬底/金薄膜“三明治结构”的太赫兹吸收材料。研究结果发现，本专利技术的多层石墨烯太赫兹材料利用石墨烯的
‘
G
’
型结构实现了电场、磁场在石墨烯表面的分布变化，实现了对太赫兹电磁波的响应。同时利用“三明治结构”可以实现太赫兹波在复合结构中的多次反射吸收。因此，从计算结果中可以发现在本专利技术的太赫兹超材料吸收频率范围为1.2THz
‑
3.2THz，吸收强度达到了80％以上，实现了宽频吸收的设计目标。因此，本专利技术的研究方法对后续太赫兹波段器件的开发及应用具有重要的开发利用价值。
附图说明
[0025]图1是对比例1步骤三中所得栅型图案的铜薄膜照片；
[0026]图2是对比例1所得多层石墨烯太赫兹超材料太赫兹吸收强度与频率的关系图；
[0027]图3是对比例1步骤四中所得图案化的多层石墨烯拉曼光谱图；
[0028]图4是实施例1步骤一中所设计的多层石墨烯太赫兹超材料结构示意图；其中，E
x
为电场极化方向，H
y
为磁场极化方向，K
z
为太赫兹波入射方向；
[0029]图5是实施例3步骤三中所得
‘
G
’
字型图案的铜薄膜照片；
[0030]图6是实施例1步骤九中所得多层石墨烯太赫兹超材料太赫兹吸收强度与频率的关系图；
[0031]图7是实施例1步骤九中所得多层石墨烯太赫兹超材料的电磁场分布图，(a)为y轴
极化电场分布；(b)为x轴极化电场分布。
具体实施方式
[0032]下面将结合附图和实施例，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0033]具体实施方式一
[0034]一种多层石墨烯太赫兹超材料结构，包括石墨烯层、衬底层和金薄膜层，所述石墨烯层设置在衬底层的上表面，所述金薄膜层设置在衬底层的下表面；所述石墨烯层包括多层石墨烯，所述石墨烯层包括若干个石墨烯周期结构单元，每一个石墨烯周期结构单元中石墨烯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多层石墨烯太赫兹超材料结构，其特征在于：包括石墨烯层、衬底层和金薄膜层，所述石墨烯层设置在衬底层的上表面，所述金薄膜层设置在衬底层的下表面；所述石墨烯层包括多层石墨烯，所述石墨烯层包括若干个石墨烯周期结构单元，每一个石墨烯周期结构单元中石墨烯的生长图案呈
‘
G
’
字型图案。2.根据权利要求1所述的一种多层石墨烯太赫兹超材料结构，其特征在于：所述衬底层为SiO2衬底、蓝宝石衬底、本征硅衬底或聚酰亚胺衬底。3.根据权利要求1所述的一种多层石墨烯太赫兹超材料结构，其特征在于：所述
‘
G
’
字型图案由依次一体连接的第一水平结构、3/4圆形结构和第二水平结构构成，第一水平结构和第二水平结构相互平行。4.根据权利要求3所述的一种多层石墨烯太赫兹超材料结构，其特征在于：每个石墨烯周期结构单元的长度p为50
‑
100μm，所述第一水平结构与第二水平结构的长度相等w＝10
‑
30μm；3/4圆形结构的内径R1＝5
‑
25μm，外径R2＝10
‑
30μm。5.根据权利要求4所述的一种多层石墨烯太赫兹超材料结构，其特征在于：3/4圆形结构的外径与内径之差为5
‑
25μm。6.根据权利要求1所述的一种多层石墨烯太赫兹超材料结构，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李驰，王振华，霍绥凤，付媛媛，高漠涵，李佳芮，刘思兰，孙东甲，张伟强，邵雪健，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：