含石墨烯三明治結(jié)構(gòu)雜化超表面微波吸收性能調(diào)控研究

高 楊， 張鈺晶， 蔡偉奇， 付全紅， 張富利， 樊元成

(西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，西安，710129)

超材料是人工設(shè)計(jì)的亞波長結(jié)構(gòu)，具有奇異的電磁特性[1-5]。將三維超材料的基本原理推廣到二維平面，設(shè)計(jì)具有不同等效介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的平面人工結(jié)構(gòu)也可以引起反常的電磁波響應(yīng)，即超表面[6-11]的概念。這些效應(yīng)包括對波前的振幅[12]、相位[13-14]、極化[15-16]等產(chǎn)生的突變作用。這些結(jié)構(gòu)通常具有平面上周期排列的特征，一般關(guān)注其在一個(gè)周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)。其次，在一定超表面結(jié)構(gòu)上，還可以引入二極管[17-18]、相變材料[19-20]、石墨烯[21-22]、電子器件[23]等，通過有源的方式使超表面具有動態(tài)性能。其中，石墨烯自從被制備和研究以來便有著廣泛的應(yīng)用[24-25]，在光學(xué)[26]、太赫茲波[27]、微波[28-29]的調(diào)控方面發(fā)揮了巨大的作用。石墨烯在微波波段內(nèi)的電導(dǎo)率較易控制，即方阻，可應(yīng)用于吸波效果可調(diào)的吸波器件中，這一特性源于其二維原子結(jié)構(gòu)與零隙能帶結(jié)構(gòu)[30]，調(diào)節(jié)載流子濃度即可影響電導(dǎo)率，且晶體可以用德魯?shù)履Ｐ瓦M(jìn)行描述，即意味著阻抗色散效應(yīng)可忽略，視為一定值，這為含石墨烯的吸波器件提供了便捷的優(yōu)點(diǎn)。在當(dāng)前的研究中，與離子電解液或離子凝膠等介質(zhì)復(fù)合，利用外部驅(qū)動下的離子層影響石墨烯導(dǎo)電性是穩(wěn)定而有效的方式。此前的研究也提出了將直接電極分別置于石墨烯及硅襯底上的調(diào)節(jié)方式，但對偏置電壓的要求較大。

本文研究的吸波器基于一種石墨烯與離子電解液復(fù)合三明治結(jié)構(gòu)，石墨烯附著于薄膜基板上，與離子電解液直接接觸，方阻可以與加載的電壓值形成對照，進(jìn)而在外部控制下保持阻值一定。仿真結(jié)果顯示了該石墨烯結(jié)構(gòu)頻率、幅值可調(diào)的線性反射譜。進(jìn)一步，研究了石墨烯吸收譜與擾動的雜化行為，通過引入在截止頻率以下具有德魯?shù)绿匦缘臒o源金屬結(jié)構(gòu)形成雜化超表面，觀察到了可調(diào)頻的完美吸收譜和額外寬帶特性，并研究了雜化超表面微波吸收性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)聯(lián)。

1 石墨烯三明治結(jié)構(gòu)微波吸收

1.1 石墨烯三明治結(jié)構(gòu)微波吸收

圖1表示出了吸波器的層次構(gòu)成。上部為石墨烯-離子液體-石墨烯的三明治結(jié)構(gòu)，可看作一個(gè)電容器。其中2層以聚氯乙烯(PVC)薄膜為基底的石墨烯構(gòu)成極板，石墨烯位于內(nèi)側(cè)，之間填充離子液體(常用的離子液體為有機(jī)氟化物)研究已經(jīng)表明這種結(jié)構(gòu)外加偏置電壓會形成德拜電荷層，使石墨烯方阻具有數(shù)千歐姆的動態(tài)范圍。吸波器中層為抗腐蝕、穩(wěn)定性強(qiáng)的聚丙烯(PP)介質(zhì)，底層為金屬板。

圖1 含石墨烯三明治結(jié)構(gòu)吸波器層次示意圖

1.2 石墨烯三明治結(jié)構(gòu)特性

在微波波段，石墨烯主要表現(xiàn)出電損耗特征，同時(shí)，在此不考慮色散效應(yīng)，且電磁波的金屬趨膚深度很淺，金屬底板可以看作是理想導(dǎo)體，將完全反射入射的電磁波。經(jīng)過PP的相移后，入射波將與反射回波相干涉，增強(qiáng)局域電場并被石墨烯與PP吸收。所以結(jié)構(gòu)的總反射率為R=1-T-A。以下給出總反射率表達(dá)式：

(1)

要達(dá)到理想的吸波效果，需要以上參數(shù)配合，以達(dá)到結(jié)構(gòu)與空氣良好的阻抗匹配，對應(yīng)的電磁波頻率稱為諧振頻率f0。在結(jié)構(gòu)諧振頻率下α=0，kd=π/2，式(1)可簡化為：

(2)

將結(jié)構(gòu)中的其他參數(shù)設(shè)為：PVC厚度d1= 0.07 mm，介電常數(shù)ε1= 3；離子液體厚度d2= 0.1 mm，介電常數(shù)ε2= 2.5。通過仿真，得到了正入射下結(jié)構(gòu)其他參數(shù)不變時(shí)的反射頻譜隨PP厚度和石墨烯方阻的變化，如圖2所示。

圖2 石墨烯方阻不同時(shí)對應(yīng)吸波器的反射頻譜

一般，外部電壓形成的縱向電場引起德拜電荷層是一個(gè)動態(tài)過程，當(dāng)電荷濃度隨電壓增大而增大后，電荷的聚集會對電壓增量趨于平緩，且石墨烯載流子濃度增加趨于緩慢，所以低阻值的形成相對高阻值更加困難。可以看出，從初始的1 400 Ω/sq開始降低石墨烯方阻，結(jié)構(gòu)以單個(gè)諧振頻率f0為中心的反射幅值逐步降低，中心頻率不變，且阻值1 400 Ω/sq時(shí)，中心頻率31.0 GHz處反射已達(dá)到0.31，即大于90%吸波率。方阻為740 Ω/sq時(shí)可視為產(chǎn)生單頻完美吸波，此時(shí)幅值與頻率的關(guān)系為線性，其表達(dá)式為：

(3)

繼續(xù)降低方阻，由于其他參數(shù)不變時(shí)阻抗匹配條件只關(guān)于阻抗的單值解，所以阻抗匹配效果變差，吸波率降低。在此基礎(chǔ)上，將方阻固定為740 Ω/sq，當(dāng)PP厚度減小時(shí)，諧振頻率增加而諧振點(diǎn)吸波率不變，見圖3。

圖3 pp厚度不同時(shí)對應(yīng)吸波器的反射頻譜

所以不同PP厚度均可滿足對應(yīng)不同波長的匹配條件，提供完美吸收需要的相移。若單純依靠石墨烯三明治的吸波器實(shí)現(xiàn)不同頻率的完美吸收，需要根據(jù)需求重復(fù)加工匹配厚度的PP。諧振頻率越高，PP厚度越小，器件更薄，同時(shí)也對材料選擇與加工精度的要求更高。考慮到石墨烯三明治結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢與局限性，隨后引入了無源金屬結(jié)構(gòu)。

2 石墨烯雜化超表面

2.1 石墨烯三明治結(jié)構(gòu)引入無源金屬結(jié)構(gòu)

圖4(a)為銅金屬網(wǎng)格在一個(gè)單元內(nèi)的幾何形狀示意圖。該結(jié)構(gòu)屬于頻率選擇表面(frequency selective surface，F(xiàn)SS) 即FSS，網(wǎng)格形是常用的形式。FSS及應(yīng)用已經(jīng)有許多研究[31]，如作為反射面天線的負(fù)反射器、提高電磁波調(diào)制效率、用于雷達(dá)隱身等。同樣地，在微波波段銅的電磁波趨膚深度極小，電導(dǎo)率良好，因此無需考慮銅線厚度、電導(dǎo)率色散產(chǎn)生的影響，而主要關(guān)注幾何參數(shù)：組成網(wǎng)格的細(xì)線寬度L與網(wǎng)格周期a。圖4(b)為FSS單元與石墨烯三明治吸波器結(jié)合，兩者間距為h，平行無接觸，由外部方式固定。FSS可以為吸波器提供新的寬帶特性，改變諧振頻率。這種結(jié)合方式只需關(guān)注h值的影響，并相比其他組合方式更易加工和實(shí)驗(yàn)。

圖4 含石墨烯三明治結(jié)構(gòu)雜化超表面

2.2 石墨烯雜化超表面調(diào)控特性

控制變量仿真得出，我們看到對于每組結(jié)構(gòu)參數(shù)，都存在對應(yīng)于石墨烯高方阻和低方阻的2個(gè)諧振頻率,見圖5。

圖5 石墨烯方阻不同時(shí)對應(yīng)雜化超表面的反射頻譜

該結(jié)果顯示，固定d=1.3 mm，L=0.5 mm，a=6 mm，h=5 mm時(shí)，完美吸波頻率通過調(diào)節(jié)石墨烯方阻由23.2 GHz變?yōu)?6.4 GHz，相應(yīng)阻值為1 330 Ω/sq與470 Ω/sq。加入的金屬網(wǎng)格為石墨烯吸波器提供了寬帶特性，這源于雜化超表面石墨烯與金屬間法諾諧振的耦合結(jié)果。FSS也可以看作具有較低電子密度的金屬晶體，根據(jù)a值的不同具有不同的截止頻率，其反射頻譜見圖6。a=6 mm時(shí)，截止頻率為50 GHz，該頻率以下表現(xiàn)出德魯?shù)绿匦浴Ｏ啾葐为?dú)的石墨烯三明治，金屬結(jié)構(gòu)帶來的諧振頻率改變與寬帶特性與耦合作用下石墨烯表面的切向電場增強(qiáng)、石墨烯結(jié)構(gòu)整體阻值分布都有關(guān)系[32]。

圖6 金屬結(jié)構(gòu)的反射頻譜(a=6 mm)

從圖5所示的結(jié)果可以看出，石墨烯處于高阻值時(shí)即可在低頻處產(chǎn)生完美吸波，中心頻率隨方阻改變較小(1 400～1 200 Ω/sq對應(yīng)23.2～23.4 GHz),處于低阻值時(shí)產(chǎn)生高頻完美吸波，中心頻率隨方阻減小降低(600～400 Ω/sq阻值改變量引起3.6 GHz紅移)。方阻為600 Ω/sq時(shí)的寬帶特性最好，24.3～43.0 GHz頻帶內(nèi)保持10%以下反射率。石墨烯方阻為雜化超表面的吸收特性調(diào)控提供了便捷的途徑。

2.3 石墨烯雜化超表面結(jié)構(gòu)參數(shù)-特性研究

控制石墨烯在寬帶阻值，控制變量地改變結(jié)構(gòu)參數(shù),結(jié)果如圖7所示。可以看出，L越小，即銅線越窄，石墨烯處于寬帶阻值600 Ω/sq時(shí)的吸波中心頻率越低，另外L與f0關(guān)聯(lián)較小(在石墨烯的高、低阻值時(shí)均驗(yàn)證成立，圖未示出)，但L更小的FSS寬帶特性更佳，L=0.1 mm時(shí)90%吸波帶為21.7～42.5 GHz。對于L較大的銅線FSS，達(dá)到高頻處的完美吸波需要更大阻值調(diào)節(jié)范圍(L=0.6 mm時(shí)的高頻完美吸波對應(yīng)方阻為440 Ω/sq，圖未示出)，比L=0.5 mm對應(yīng)方阻低30 Ω，而當(dāng)選用更寬的銅線，L>1.0 mm時(shí)，F(xiàn)SS更多的表現(xiàn)出反射特點(diǎn)，F(xiàn)SS與石墨烯吸波器的耦合吸波作用變差，且無法產(chǎn)生高頻完美吸波。因此L值在允許范圍內(nèi)可以盡可能小，以提供更好的實(shí)際調(diào)控效果。其次，隨著a減小，f0升高。a=5 mm時(shí)，方阻為600 Ω/sq即可產(chǎn)生高頻完美吸波，相對于較大周期的FSS更易實(shí)現(xiàn)高低頻完美吸波的切換。最后，h值改變了耦合波束間的相位，h越小則f0越高，與d值的影響方向相同，且完美吸波總是存在(在石墨烯的高、低阻值時(shí)均驗(yàn)證成立，圖未示出)。由于石墨烯電容器與FSS非接觸，h由外部裝置影響，應(yīng)注意其對吸波波段產(chǎn)生的偏移。

圖7 結(jié)構(gòu)參數(shù)L、a、h控制變量地不同時(shí)，對應(yīng)雜化超表面的反射頻譜

3 結(jié)語

本文首先研究了含石墨烯三明治結(jié)構(gòu)的微波吸收性能，其隨著石墨烯方阻的變化可產(chǎn)生單頻率的完美吸波，固定石墨烯方阻而只改變PP介質(zhì)厚度則完美吸波頻率不同，該現(xiàn)象產(chǎn)生于干涉效應(yīng)與石墨烯電損耗特性。進(jìn)一步，引入金屬結(jié)構(gòu)與石墨烯構(gòu)造雜化超表面，調(diào)節(jié)石墨烯方阻產(chǎn)生了完美吸波頻率由低頻向高頻的變換以及額外的寬帶效應(yīng)，本研究闡明了雜化超表面微波寬帶吸收性能與主要結(jié)構(gòu)參數(shù)間的關(guān)系。