一種基于多層石墨烯環層的可調控三維光學隱身斗篷的制作方法

本發明涉及一種基于多層石墨烯環層的可調控三維光學隱身斗篷的實現方法和裝置，可應用于光波傳播方向的控制。

背景技術：

2006年，文獻1：“j.b.pendryetal,science,2006(312):1780”首次提出利用異向介質能夠操控光波的傳播方向，實現光學隱身衣概念，引起了人們的廣泛關注，成為光學領域的研究熱點。同年，文獻2：“d.schurigetal,science,2006(314):977”在微波段首次實驗驗證了橫電波二維超材料隱身斗篷。2007年，文獻3：“caietal,naturephotonics,2007(1):224”提出了橫磁波二維超材料隱身斗篷。2010年，文獻4：“maetal,naturecommunications,2010(1):124”提出了基于介質板的二維孔陣列實現了電磁波的隱身效果。但是，目前光學隱身結構的設計，大多基于二維平面結構模型仿真和實驗測試，三維光學隱身斗篷則鮮有報道。

另外，目前的光學隱身斗篷還不具備可調諧的功能(即光學隱身的開/關功能)，換句話說光學隱身斗篷的結構一旦確定以后其隱身性能將會一直存在是不能改變的，其主要原因是缺乏介電常數和磁導率系數可以被主動實時調控的天然材料，這直接制約著光學隱身技術的進一步發展。因此需要設計一種簡單實用的方法對光學隱身斗篷的光學隱身功能進行調諧，他將對光學隱身斗篷的實際應用具有非常重要的意義，大大推進其實用化進程。

石墨烯材料是目前研究得最多、最為成熟的二維材料。在外界光、熱、電、磁或者應力的作用下，石墨烯材料的費米能級大小和位置可以被主動調諧，而伴隨著石墨烯材料的費米能級大小和位置的改變，其介電常數和磁導率也會發生可逆性改變。

本發明提供一種基于多層石墨烯材料的可調控光學隱身斗篷。該三維可調控光學隱身斗篷通過石墨烯組成的表面覆蓋殼層實現。其中，表面覆蓋殼層為多個石墨烯環層自下而上疊加構成，通過控制不同環層中石墨烯的費米能級分布，可以使每層對應不同的介電常數和磁導率系數，獲得光學隱身所需的三維介電常數和磁導率系數分布，進而使光繞過斗篷區域后，光場恢復原來的分布，實現光學隱身功能。同時，通過循環控制每個石墨烯環層中的費米能級大小和位置，實現光學隱身斗篷的實時開/關性能，從而克服了二維光學隱身斗篷不能開關的缺點。本發明基于石墨烯環層的費米能級被循環主動調諧的原理，可以有效節省能量，延長偽裝時間；在實現上，采用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了光學隱身斗篷的復雜度和成本，實際應用潛力大。使用本發明技術，可以使光學隱身斗篷在大多數時間內處于關閉狀態(即不隱身)，使對方探測到一些無效光學信息，而在需要的時候開啟隱身功能讓對方探測不到其光學信號，有效隱藏各種重要信息，麻痹敵方，使我方行動具有突然性。該技術在實現光幻想、迷惑紅外光學檢測器、和在軍事和民用等光學隱身設備中具有巨大應用價值。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：克服現有光學隱身斗篷大多基于二維平面結構、和光學隱身斗篷的隱身功能不具備可調諧性(即不能開/關光隱身功能)的缺點，利用石墨烯這一常見材料，提供一種實現可調控(可開/關)三維光學隱身斗篷的新技術，使得系統具備結構簡單、速度快、便于操作、能耗小、實時性強和實現成本低等優點。

本發明的技術方案：

一種基于多層石墨烯環層的可調控三維光學隱身斗篷，包括襯底層、間隔層、石墨烯環層組成的表面覆蓋環層、內部支撐殼、控制單元和供能單元；表面覆蓋環層為多個石墨烯環層自下而上疊加構成，每個石墨烯環層之間均有間隔層隔離；內部支撐殼處于多層石墨烯環層內側，用于承載多層石墨烯環層，被隱藏的目標放置于內部支撐殼的腔內；內部支撐殼與石墨烯環層接觸，同時內部支撐殼對應于每個石墨烯環層處都鉆有小孔，小孔孔徑為1μm～1cm、深度為1μm～10cm；小孔內安裝導線，導線一端連接在石墨烯環層上，另一端依次經過控制單元和供能單元接地，通過操控控制單元，可以調控供能單元對每層石墨烯環層的激勵時間，進而控制不同石墨烯環層中石墨烯的費米能級分布，可以使每層石墨烯環層對應不同的介電常數和磁導率系數，實現光學隱身所需的三維介電常數和磁導率系數分布，進而使光繞過斗篷區域后，光場恢復原來的分布，實現光學隱身功能。

所述的石墨烯環層的形狀是半球體、圓錐體、余弦體、正弦體、圓柱體、半橢圓體、正方體、矩形體或六邊體，每一個石墨烯環層可獨立控制和工作；所述的石墨烯環層是由m層碳原子層構成，其中1≤m≤1000，其寬度為1μm～10cm、厚度為20nm～10cm。

所述的間隔層是硅酸鈣、多元醇/多異氰酸酯、硬質聚氨酯泡沫塑料、聚苯乙烯泡沫塑料、泡沫玻璃、in2o3、sno2或ito，其寬度為1nm～10cm、厚度為1nm～10cm。

所述的內部支撐殼是聚亞胺、塑料、bk7光學玻璃，sio2、si3n4或al2o3；所述的襯底層是聚亞胺、塑料、bk7光學玻璃，sio2、si3n4或al2o3。

所述的控制單元是電控、光控、聲控或磁控開關；所述的供能單元是電能、熱能、光能或核能。

所述的多層石墨烯環層結構通過材料生長工藝實現，包括電子束蒸發、金屬有機化合物化學氣相沉淀、氣相外延生長和分子束外延方法。

本發明的有益效果：本發明基于石墨烯環層中費米能級可調控原理，可以有效節省能量，延長偽裝時間；在實現上，采用電、光控開關等廣泛使用的器件，顯著降低了光學隱身斗篷的復雜度和成本，實際應用潛力大。該技術在實現光幻想、迷惑紅外光學檢測器、和在軍事和民用等光學隱身設備中具有巨大應用價值。

本發明提供一種基于多層石墨烯環層的可調控三維光學隱身斗篷，可以通過外加電、熱、光或磁場對改變石墨烯這一常見材料的介電常數和磁導率系數分布，提供一種實現可調控(可開/關)三維光學隱身斗篷的新技術，使得系統具備結構簡單、速度快、便于操作、能耗小、實時性強和實現成本低等優點。

附圖說明

圖1(a)為本發明提供的一種基于n層(n≥1)石墨烯環層的可調控三維光學隱身斗篷切面圖。

圖1(b)為本發明提供的一種基于n層(n≥1)石墨烯環層的可調控三維光學隱身斗篷俯視圖。

圖2(a)為內部支撐殼示意圖。

圖2(b)為n層石墨烯環層(n≥1)示意圖。

圖2(c)為可調控三維光學隱身斗篷示意圖。

圖3(a)為本發明提供的一種基于n層(n≥1)石墨烯環層的可調控三維光學隱身斗篷在隱身功能開設狀態下(即不同石墨烯環層處于不同費米能級分布)的光場分布情況。

圖3(b)為本發明提供的一種基于n層(n≥1)石墨烯環層的可調控三維光學隱身斗篷在隱身功能關閉狀態下(即不同石墨烯環層處于不同費米能級分布)的光場分布情況。

圖中：1襯底層；2n層石墨烯環層(n≥1)；

3石墨烯環層組成的表面覆蓋環層；4間隔層；5內部支撐殼；6小孔；

7導線；8控制單元；9供能單元；10地線。

具體實施方式

為使得本發明的技術方案的內容更加清晰，以下結合技術方案和附圖詳細敘述本發明的具體實施方式。其中的材料生長技術包括：電子束蒸發，金屬有機化合物化學氣相沉淀，氣相外延生長，和分子束外延技術等常用技術。其中的掩模工藝包括電子束曝光和聚焦離子束曝光等常用技術。其中的刻蝕工藝包括濕法刻蝕和干法刻蝕，如酸法刻蝕、電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和反應離子束刻蝕等常用工藝。

實施例1

首先，利用材料生長工藝在襯底1上形成內部支撐殼5，如附圖2(a)所示；

然后，通過材料生長工藝和掩模工藝，將設計好的石墨烯環層在襯底1和內部支撐殼5的外表面由下至上逐層疊加,實現n層石墨烯表面環層結構2，如附圖2(b)所示。其中，石墨烯表面環層和內部支撐殼的設計可以采用有限時域差分法、有限元法等算法。

內部支撐殼對應于每個石墨烯環層處，都鉆有小孔6。小孔內安裝導線7，導線一端連接在石墨烯環層處，另一端經過控制單元8和供能單元9接地線10，通過操控控制單元8，可以調控供能單元9對每層石墨烯環層的激勵時間，進而控制不同石墨烯環層中費米能級的分布，可以使每層石墨烯環層對應不同的介電常數和磁導率系數，實現隱身所需的三維介電常數和磁導率系數分布，進而使光繞過斗篷區域后，光場恢復原來的分布，實現光學隱身功能。最終實現一種基于多層石墨烯環層的可調控三維光學隱身斗篷，如附圖2(c)所示。

如圖3所示，當一種基于n層石墨烯環層的可調控三維光學隱身斗篷中的石墨烯的費米能級分布發生變化，其介電常數和磁導率系數分布也會發生改變，進而實現光傳播方向的調控，實現光學隱身功能的“開”即屏蔽外來的光使得內部支撐殼5內所隱藏物體不被外界所探測，即光通過該光學隱身斗篷后不改變其光場分布(如圖3(a)所示)和“關”即光通過該隱身斗篷后其光場分布發生改變，導致內部支撐殼5內所放物體可以被外界所探測(如圖3(b)所示)。

以上所述是本發明應用的技術原理和具體實例，依據本發明的構想所做的等效變換，只要其所運用的方案仍未超出說明書和附圖所涵蓋的精神時，均應在本發明的范圍內，特此說明。