Translated Copy Of 1. A Transparent Microwave Absorber Based On Patterned Graphene Design, Measurement, And Enhancement.pdf

Artikel ini telah diterima untuk diterbitkan dalam edisi mendatang dari jurnal ini, tetapi belum sepenuhnya diedit. Konten dapat berubah sebelum publikasi akhir. Informasi kutipan: DOI 10.1109 / TNANO.2017.2688415, Transaksi IEEE pada Nanoteknologi ​TNANO-00649-2016

Penyerap Microwave Transparan Berdasarkan Graphene Berpola: Desain, Pengukuran, dan Peningkatan

​1

Da Yi, ​Anggota Siswa, IEEE​, dan Xing-Chang Wei, S ​ enior Anggota, IEEE, ​Yi-Li Xu 1

Abstrak​— Sebuah penyerap gelombang mikro transparan berbasis graphene yang diusulkan dalam makalah ini. Graphene ditransfer ke film Polyethylene Terephthalate (PET), dan berpola sebagai patch periodik level μm, sehingga permukaan graphene kapasitif dan resistif diperoleh pada gelombang mikro. Dengan menempatkan film graphene / PET ini di atas substrat kaca dan menggunakan film Tin Oxide (FTO) Fluorine-doped sebagai lapisan reflektif, penyerap transparan yang bekerja di Ku band direalisasikan. Transmisi optik dari film graphene / PET buatan mencapai sekitar 80% dalam keseluruhan rentang cahaya optik, sedangkan koefisien penyerapan mencapai 90% pada 12,6 GHz. Dengan menganalisis efek parasit dalam pengukuran pandu gelombang persegi panjang, kesepakatan yang baik diperoleh antara pengukuran, simulasi gelombang penuh 3D dan rangkaian yang setara. Dua konfigurasi dianalisis lebih lanjut untuk meningkatkan tingkat penyerapan dan bandwidth kerja alat penyerap. Penyerapan 100% dan perluasan bandwidth 3 GHz direalisasikan. Ketentuan Indeks —​Penyerap grafena, perangkat transparan, pengukuran Waveguide.

W

engan cepat meningkatnya integrasi pengembangan I.ENDAHULUAN​P dari komponen aktif dan elektronik nirkabel, polusi radiasi elektromagnetik menjadi masalah serius. Material dan struktur canggih untuk menyerap energi gelombang mikro telah menarik lebih banyak perhatian daripada sebelumnya. Studi sebelumnya terutama berfokus pada ketebalan [1], bandwidth [2] dan sensitivitas sudut datang [3] dari peredam. Salah satu masalah adalah bahwa sebagian besar peredam yang tersedia tidak transparan dan tidak dapat diterapkan ketika jendela pengamatan diperlukan. Dalam [4], sebuah pita lebar pita transparan diusulkan. Ini menggunakan jaringan kawat Al, film Polyethylene Terephthalate (PET), dan lapisan polydimethylsiloxane (PDMS) sebagai lapisan reflektif, substrat dan lapisan penyerap. Transmisi optik absorber ini kurang dari 80%, yang dipengaruhi oleh jaringan kawat Al. Dalam [5], penyerap transparan yang menggunakan film Indium Tin Oxide (ITO) diusulkan. Ini didasarkan pada prinsip Salisbury absorber Copyright (c) ​2017 ​IEEE. Penggunaan materi ini secara pribadi diizinkan. Karya ini didukung oleh National Science Foundation of China (61274110). Da Yi, Xing-Chang Wei dan Yi-Li Xu bersama dengan Sekolah Tinggi Ilmu Informasi dan Teknik Elektronik, Universitas Zhejiang, No.38 Zheda Road, HangZhou 310027, China. Email penulis yang sesuai: [email protected].

[6] dan memiliki batasan bahwa ketebalan media harus seperempat panjang gelombang kerja. Dalam [7], penyerap transparan pita sempit yang dibuat dari permukaan selektif frekuensi lossless berpola level-cm disajikan, untuk pengurangan pantulan multipath dalam sistem UHF-RFID (915-928 MHz). Graphene adalah bahan 2D novel yang memberikan solusi potensial untuk desain penyerap transparan. Bermanfaat dari sifat listrik dan mekanisnya yang luar biasa, upaya luar biasa telah dilakukan untuk menerapkan graphene ke dalam komponen elektromagnetik seperti antena [8] [9], permukaan selektif frekuensi [10], pemindah fase [11], dll. Namun, sebagian besar pekerjaan membayar perhatian pada aplikasinya pada pita THz, yang terutama karena graphene memiliki induktansi dinamis yang luar biasa

pada pita THz, dan induktansi lembarannya dapat diatur oleh medan listrik atau magnet eksternal [12]. Hal ini menghasilkan banyak aplikasi menarik seperti antena plasmonic THz, modulator THz, metamaterial yang dapat ditala, dan lain-lain. Dalam gelombang mikro, tahanan lembaran graphene masih dapat disetel oleh bias listrik atau magnetik, tetapi induktansi lembarannya terlalu kecil, yang tidak mendukung penyebaran gelombang plasmon permukaan dan membatasi penerapannya pada sebagian besar komponen gelombang mikro. Namun, dengan frekuensi-independen dan resistensi merdu, graphene bisa menjadi solusi yang sangat baik untuk film penyerap dalam pita lebar dan penyerap gelombang mikro merdu. Sampai sekarang, penyerap graphene secara teoritis telah dipelajari dalam beberapa karya, mengenai prinsip penyerapnya [13] [14], tunabilitas [15] dan bandwidth [16]. Namun, hanya sedikit karya eksperimental yang melaporkan graphene absorber. Dalam [17], sebuah pita lebar dicapai dengan menumpuk substrat kuarsa bantalan graphene, dan setiap substrat memiliki ketebalan seperempat panjang gelombang kerja. Dalam [18], penyerap graphene magnitable meraba direalisasikan. Magnitudo serapan yang dapat disetel terbatas karena resistansi permukaan graphene yang dilaporkan hanya dapat disetel pada kisaran 2 kΩ hingga 8 k match, yang tidak dapat secara sempurna sesuai dengan impedansi gelombang udara. Dalam [19] dan [20], absorber transparan optik dicapai dengan lapisan graphene, yang menggunakan prinsip absorber Salisbury. Untuk sebagian besar peredam gelombang mikro berbasis graphene yang tidak terpola yang tersedia, mereka mengikuti prinsip penyerap Salisbury, di mana ketebalan substrat harus seperempat dari panjang gelombang kerja. Dalam makalah ini, kami mengambil keuntungan dari transmisi optik graphene yang tinggi, dan mengusulkan penyerap transparan berdasarkan graphene berpola. Substrat dan lapisan reflektif adalah kaca dan Tin Oxide (FTO) Fluorine-doped 1536-125X (c) 2016 IEEE. Penggunaan pribadi diizinkan, tetapi publikasi ulang / redistribusi memerlukan izin IEEE. Lihat http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html untuk informasi lebih lanjut. Artikel ini telah diterima untuk diterbitkan dalam edisi mendatang dari jurnal ini, tetapi belum sepenuhnya diedit. Konten dapat berubah sebelum publikasi akhir. Informasi kutipan: DOI 10.1109 / TNANO.2017.2688415, Transaksi IEEE pada Nanoteknologi ​TNANO-00649-2016 ​2 film, masing-masing. Film graphene, yang ditransfer pada PET dan kemudian dipola sebagai patch periodik menggunakan etsa laser level μm, berfungsi sebagai lapisan penyerap. Berbeda dari peredam Salisbury graphene, mengaplikasikan film graphene berpola ini memungkinkan perancangan pita frekuensi serap yang diinginkan untuk substrat dengan ketebalan yang fleksibel. Sampel buatan diukur dengan menggunakan pandu gelombang persegi panjang. Efek parasit dari pengukuran Waveguide dianalisis secara rinci dengan rangkaian ekivalen yang dimodifikasi. Hasil dari rangkaian ekuivalen menunjukkan persetujuan yang baik dengan pengukuran dan simulasi gelombang penuh 3D. Akhirnya, peningkatan koefisien absorpsi dan bandwidth kerja dari penyerap asli dibahas lebih lanjut untuk mendapatkan kinerja yang lebih baik. II T​HE ​PR ​ OPOSED ​GR ​ APHENE ​AB ​ SORBER A. Prinsip Dasar dari Absorber yang Diusulkan Konfigurasi penyerap dasar yang diusulkan, bersama dengan Waveguide untuk pengukuran, ditunjukkan pada Gambar. 1. Penyerap yang diusulkan memiliki tiga lapisan termasuk lapisan FTO (lapisan pemantul) ), kaca (substrat) dan film graphene berpola (lapisan penyerap). Ukuran Waveguide persegi panjang dan penyerap yang diusulkan juga ditunjukkan pada Gambar. 1. Sirkuit setara untuk menempatkan penyerap dalam Waveguide diusulkan pada Gambar. 2, dari mana kita bisa mendapatkan wawasan tentang kinerja menyerapnya. Dalam rangkaian ekivalen, dua saluran transmisi (TL) digunakan untuk masing-masing mewakili bidang

kaca dan wilayah udara di atas FTO. ε​ ri​ ,​ ​k​zi ​dan ​Zc​ i ​adalah permitivitas relatif, konstanta propagasi ​ longitudinal dan impedansi gelombang dari TL kaca dan TL udara, masing-masing (​i= ​ 0 untuk udara, dan i​= 1 untuk gelas), t​ 1​ ​adalah ketebalan kaca, ​Rg​ ​merupakan perlawanan setara dengan patch graphene, ​

dan ​C​g merupakan kapasitansi setara dengan slot antara patch graphene, ​Z​di ​adalah impedansi masukan ​ ​ dari seluruh absorber. Setara didistribusikan resistensi ​R​g dihitung ​ sebagai [1]

R ​g ​= ​R s​ ​

D​

2

dari patch, dan ​g ​ resistansi lembar film graphene, ​D a ​ dalah periodisitas ​ ​(D -​ ​g) 2,​ ​(1) dimana ​Rs​ adalah

adalah lebar slot.

Kapasitansi terdistribusi yang setara dari lapisan graphene ​C​[1], ​g ​dapat di ​ mana ​dihitung dengan terlebih dahulu mendapatkan ​S ​parameterdari menggunakan metode inversi yang disebutkan dalam kita ​ film graphene berpola dalam pengukuran Waveguide dari simulasi gelombang penuh 3D, dan kemudian menentukan nilai ​Cg​ di setara ​RC ​sirkuitfilm graphene bermotif menggunakan fitting kurva. ​ ​ Di bawah ​TE10 ​ ​penerangan modedaripersegi panjang pandu gelombang, ​Zci​ ditulis ​ ​ sebagai

Z​

ci

ωμ ​

kz​ i 0​

=​

, (2)

di mana ​ω a ​ dalah frekuensi radian, ​μ​0 ​adalah permeabilitasbebas ruang, dan ​

k ​zi = ​ 2 ​ ​ λ

π ​gi

= k​ ​0 2​​ ε ri​ -​⎛ ​│ ⎝ 2​ ​π ​a ⎞ ​│ ⎠ ,​ (3) di mana ​λ​gi ​adalah panjang gelombang pandu gelombang dari substrat kaca (​​ i=​ 1) dan wilayah udara (​i= ​ 0), ​a a ​ dalah panjang sisi panjangmelintang dari pandu gelombang persegi panjang (di sini WR-62 dengan ​potongan​= 15,8 mm digunakan dalam pengukuran kami), ​k0​​ =​ω/​ ​c a ​ dalahgelombang

jumlahdi ruang bebas, dan ​c ​adalah kecepatan cahaya di bebas ruang. Karena ketebalan PET (0,125

mm) diabaikan dibandingkan dengan ketebalan kaca ​t1​ ​(2,2 mm), dan perlawanandari FTO (7,5 Ohm) ​

diabaikan dibandingkan dengan ​Z​c​0 (di atas 200 Ohm), lapisan PET diabaikan dan lapisan FTO diatur ​ untuk menjadi konduktor listrik sempurna (PEC) di sirkuit yang setara. Dari rangkaian ekivalen yang diusulkan, bagian nyata dan bagian imajiner dari impedansi input ​Z​dalam absorber ​diperoleh sebagai

Re ( ​

Z ​in

)​

= ​R g​

R (​ ​2

2​

) ​2 ​g Y ​ ​ ​Y ​- ​X ​, (4) +

Im ( Z in​ )=R ​ ​g 2​

Y ​- ​XY ​( ​Y -​ ​X ​) ​R g​

+(Y ​ ​- X ​

2​

) 2

, (5) di mana

X= ​ ​

Cω ​ ​1

g​

, (6) ​Y

​= ​Z ​ tan ​k ​ t ​ c ​1 ​

. (7) ​

z ​1 ​ 1 ​

X ​adalah reaktansi kapasitansi ​Cg, ​ sedangkan ​ ​Y a ​ dalah reaktansi dari ​ FTO diubah oleh TL kaca.

1536-125X (c) 2016 IEEE. Penggunaan pribadi diizinkan, tetapi publikasi ulang / redistribusi memerlukan izin IEEE. Lihat http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html untuk informasi lebih lanjut.

a​s

Gambar. 1. Konfigurasi absorber dan Waveguide untuk pengukuran.

a b​ b​s

D​

g

t​1

Artikel ini telah diterima untuk publikasi dalam edisi mendatang dari jurnal ini, tetapi belum diedit sepenuhnya. Konten dapat berubah sebelum

publikasi akhir. Informasi kutipan: DOI 10.1109 / TNANO.2017.2688415, Transaksi IEEE pada Nanoteknologi ​TNANO-00649-2016 ​3 Energi EM Untuk memasukkan sampel penyerap ke dalam pandu gelombang untuk pengukuran, celah kecil antara sampel dan dinding Waveguide dibiarkan. Untuk sampel kami, dimensinya adalah

Air

ε​r​0​, k​z​0​, ​Z​c​0 Kaca Substrat

FTO diukur menjadi 15,4 × 7,3 mm (​as​ ​×​bs​ ), ​ ​ sedangkan penampang Z ​ dalam

Waveguide adalah 15,8 × 7,9 mm (​a× ​ ​b)​ . Kesenjangan tersebut mengakibatkan beberapa parameter parasit, yang mempengaruhi keakuratan ​1/2​Rg​

C​g 1/2​ R​g ​

setara sirkuit. Misalnya, dalam lapisan FTO dan lapisan Energi Panas

Graphene Graphene

, kesenjangan akan memperkenalkan kapasitansi seri, dan celah udara juga mengurangi izin efektif dari substrat kaca. ​ε​r​1​

, k​z​1​, ​Z​c1​

Untuk menyempurnakan penyerap yang diusulkan, simulasi 3D gelombang penuh pertama kali diterapkan, di mana kesenjangan, ​Energi EM ketebalandari PET, dan tahanan lembaran FTO diperhitungkan untuk simulasi yang akurat. Dengan memvariasikan tahanan lembaran, lebar celah dan panjang sisi tambalan graphene, frekuensi penyerapan yang diinginkan 12,6 GHz tercapai ketika ​Gambar. 2. Sirkuit setara berdasarkan konfigurasi pada Gambar. 1.

tahanan lembaran film graphene adalah 46 Ohm , lebar slot 30 μm dan panjang sisi 720 μm.disimulasikan S yang ​Parameterditunjukkan. Prinsip dasar dari penyerap dasar yang diusulkan adalah pada Gambar 5. diuraikan sebagai berikut. Untuk lebih memahami dampak dari kesenjangan antara Ketika ​nλ​g1​ /2​
pada Gambar. 3. Dalam rangkaian setara dimodifikasi ini, parasit sehingga ​RLC l​ oopresonansiterbentuk. Sejak film graphene kapasitansi ​C​kesenjangan antara ​ graphene / FTO layer danadalah itu ​ sendiri resistif di microwave band, slot antara

dinding Waveguide ditambahkan.parameter yang tidak diketahui ​Ccelah ​ graphene yang ​dapat berupa patch ​ dirancang untuk memberikan kapasitansi yang berasal dari hasil simulasi gelombang penuh 3D dari kompensasi induktansi yang ditransformasikan dari FTO. penyerap. Dengan mengoptimalkan dimensi slot dan tambalan, film PET juga ditambahkan dalam rangkaian ekuivalen sesuai dengan frekuensi kerja dansubstrat kaca

segmendari saluran transmisi. Dipengaruhi oleh celah udara, ketebalan, kita bisa mendapatkan Re (​Z​in​) ≈ Z​c​0 ​dan Im (​Z​in​) ≈ 0, sehingga semua permitivitas relatif efektif dari PET dan kaca adalah energi yang dapat masuk ke Port 1 karena impedans dihitung dengan menggunakan pencocokan [21] antara wilayah udara dan penyerap. Pada saat yang sama sedikit energi melewati Port 2 karena resistansi yang rendah dari film FTO, yaitu, sebagian besar energi yang terjadi dicerminkan oleh

= + () film FTO dan diserap lagi oleh film graphene resistif. Ketika ​λ​g1​ /4​+​nλ​g​1/2​
impedansiFTO diubah oleh substrat kaca kapasitif. Film graphene dapat dietsa sebagai cincin lingkaran

periodik atau persilangan periodik untuk memberikan induktansi seri yang luar biasa untuk mengkompensasi kapasitansi yang diubah dari FTO. Khususnya, ketika ​t​1​=​λg​ ​1/4​+​nλg​ ​1/2​(n​= 0, 1, 2 ...), graphene filmdapat berfungsi sebagai lapisan menyerap ​ tanpa pola. Pada saat ini, ​Y ​adalah tak terhingga besar, ​X ​= 0, dan ​Z​di = ​ ​Rg ​ ​. Itu adalahditerbitkan Salisbury ​

Graphene absorber yang[17] [19] [20]. Oleh karena itu, graphene absorber yang kami usulkan adalah perpanjangan dari graphene absorber yang tersedia, di mana film graphene berpola untuk memberikan kapasitansi / induktansi yang cukup pada pita gelombang mikro yang tidak dapat disediakan oleh film graphene yang tidak diawasi. Oleh karena itu dapat digunakan dengan media dengan ketebalan yang fleksibel. B. Sirkuit Setara yang Dimodifikasi Substrat kaca yang ketebalannya 2,2 mm dan permitivitas relatif 7,2 dipilih untuk percobaan kami. Dalam contoh kami, kami memilih 12,6 GHz sebagai frekuensi kerja yang diinginkan. Pada frekuensi ini, ​λg​ 1​ ​= film graphene sebagai bercak periodik dengan 10,2 mm. Untuk 0​
ε ε​ ε ​ε ε ε​- ,​

(8) di mana ​εudara ​ relatif dari ​= 1 adalah kerelatifan relatif dari udara, ​ε​rikerelatifan adalah ​ ​

substrat kaca (​i ​= 1) atau film PET (​i ​= 2), ​xudara ​ ​ ​d/​ ​b​s adalah ​ = rasio antara celah udara ​d (​ 0,3 mm) dan ​ panjang sisi pendek dari sampel ​bs​ ​(7,3 mm). Substrat Kaca

FTO udara resi udara ri udara ​

x​

udara E ​ M

Energi

Udara

εr0 ​ ,​ kz​ 0​, ​Z​c0 1/2​Rg​ Cg​ ​1/2​R​g Panas

PET ε ​ r​ ​2​eff,​

​ k​z​2​eff,​ ​Z​c​2​eff Energi

εr1eff ​ ,​ k​z1eff,​ ​Zc​ 1eff dd

Graphene Layer ​t Z ​ dalam ​ ​C​gap C ​ ​gap

energi EM

bs​

​ Gambar 3. Sirkuit setara yang dimodifikasi. ​ gap ​ Cg​ apC

Nilai-nilai parameter dalam sirkuit ekivalen yang dimodifikasi tercantum dalam Tabel I. ​S yang Parameterdiperoleh dari sirkuit ekivalen yang dimodifikasi juga ditunjukkan pada Gambar. 5, yang 1536-125X (c) 2016 IEEE. Penggunaan pribadi diizinkan, tetapi publikasi ulang / redistribusi memerlukan izin IEEE. Lihat http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html untuk informasi lebih lanjut. Artikel ini telah diterima untuk diterbitkan dalam edisi mendatang dari jurnal ini, tetapi belum sepenuhnya diedit. Konten dapat berubah sebelum publikasi akhir. Informasi kutipan: DOI 10.1109 / TNANO.2017.2688415, Transaksi IEEE pada Nanoteknologi ​TNANO-00649-2016

​4

memiliki perjanjian yang baik dengan hasil simulasi gelombang penuh 3D. TABLE IT​HE ​V​ALUES OF ​T​HE ​P​ARAMETERS DI ​T​HE ​M​ODIFIED ​E​QUIVALENT ​C​IRCUIT ​ε​r1​ ​εr​ ​1​eff ε ​ r​ ​2 ​εr​ 2 ​ ​eff ​7.2

5.74 2 1.84 ​C​g ​(fF) ​Rg​

(Ohm) ​Ck​ esenjangan (​ fF) 60 ​ 50 2600 III. E​XPERIMENTAL ​monolayer Film graphene tumbuh di foil tembaga dengan metode deposisi uap kimia (CVD). Film graphene dilapisi dengan pita rilis panas terlebih dahulu. Kemudian foil tembaga dietsa oleh FeCl​3 ​etchant dan film rilis panas / film graphene dibiarkan. Film ini diencerkan oleh air deionisasi (DI), ​

dan kemudian ditransfer ke film PET. Kemudian, film rilis panas / graphene / PET ini dipanaskan pada suhu 100 ° C selama 1 menit untuk melepaskan pita rilis panas, dan biarkan graphene pada PET. Spektrum Raman dari film graphene monolayer pada PET ditunjukkan pada Gambar. 4 (a). Dari dua puncak karakteristik yang jelas (pita G pada 1585 cm​-1​, pita 2D pada 2695 cm​-1​), ditunjukkan bahwa graphene monolayer pada PET memiliki kualitas yang baik. Untuk mendapatkan resistensi lembaran yang diinginkan, proses transfer diulangi tiga kali untuk membuat film graphene multilayer, dan film graphene multilayer ini diasapi oleh asam nitrat pekat kemudian, sampai resistensi lembaran menurun menjadi sekitar 46 Ohm. Film graphene multilayer pada PET kemudian dietsa oleh laser inframerah dengan panjang gelombang 1070 nm. Laser inframerah memiliki resolusi 30 μm. Ini mengetsa film graphene secara berkala, meninggalkan tambalan periodik dengan panjang sisi 720 μm. Transmisi optik film graphene / PET diukur menggunakan Ultraviolet-Visible Spectrophotometer, dan sekitar 80% dalam kisaran cahaya optik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4 (b). Mikrogram patch graphene periodik terpola ditunjukkan pada Gambar. 4 (d). Sampel diukur dalam pandu gelombang persegi panjang (WR-62) yang frekuensi kerjanya dari 11,9 GHz hingga 18 GHz (Ku band). Sepotong busa lossless dimasukkan ke Waveguide untuk mendukung sampel, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4 (e). Sebelum pengukuran, pandu gelombang persegi panjang dihubungkan dengan penganalisa jaringan vektor dan dikalibrasi menggunakan metode TRL. Konfigurasi penuh pengukuran ditunjukkan pada Gambar. 4 (c). Parameter hamburan terukur ditunjukkan pada Gambar. 5. Koefisien absorpsi diperoleh dari parameter hamburan terukur, yang didefinisikan sebagai ​A​= 1- |​S11​ ​ |​2​- |​S2​ 1​|​2​, seperti yang ditunjukkan pada ​Gambar. 6. Penyerapan puncak terjadi pada 12,6 GHz dan 90% dari energi kejadian dapat diserap pada frekuensi ini. Dari Gambar. 5 dan Gambar. 6, data yang diukur menunjukkan perjanjian yang sangat baik dengan hasil simulasi gelombang penuh 3D dan sirkuit ekivalen yang dimodifikasi. Penyerap yang diusulkan juga dibandingkan dengan penyerap graphene Salisbury yang tersedia. Untuk tujuan ini, film graphene / PET yang tidak dipola, yang memiliki resistensi lembaran 46 Ohm, 100 Ohm, 500 Ohm, masing-masing, dibuat. Peredam yang menerapkan film yang tidak terpola ini diukur. Parameter hamburan dan koefisien penyerapan ditunjukkan pada Gambar. 7 dan Gambar. 8, masing-masing. Kita dapat menemukan bahwa ketika tahanan lembaran dari film yang tidak diputar adalah 46 Ohm dan 100 Ohm, ​S11 ​ ​cukup besar dan koefisien penyerapannya ​ lebih kecil. Ini dapat diilustrasikan oleh ketidakcocokan impedansi. Impedansi gelombang dari pandu gelombang persegi panjang ​Zc​ 0​ ​dihitung menurun dari ​310 Ohm menjadi 220 Ohm dalam rentang frekuensi dari 12 GHz hingga 18 GHz dengan menggunakan (2). Untuk film unpatterned, yang setara perlawanan ​Rg​ dihitung ​ dengan

R g​ ​= ​R ​s b​ × ​ a ​s

di ​mana​s ​(15,4 mm) dan ​bs​ (7,3 sisi pendek panjang ​ mm) adalah panjang sisi panjang dan ​ penampang sampel, masing-masing. Ketika resistensi lembar graphene / PET film adalah 46 Ohm dan s(​ 9)

100 Ohm, ​R​g adalah Dalam kasus ini, ​Rg​ jauh ​ ​ sekitar 23 Ohm dan 50 Ohm, masing-masing. ​ lebih kecil ​Zc​ 0​ ,​yang

dari

menyebabkanketidaksesuaian ​

antara

​R​g dan ​

​Z​c0​ ,​dan

hasil

dalam

penyerapan ​

rendah.Namun, ketika perlawanan lembar graphene / PET film meningkat menjadi 500 Ohm, ​Rg​ adalah ​ sangat dekat dengan Z ​ c​ 0​ .​Dalam hal ini, kita dapat menemukan bahwapuncak frekuensi 250 Ohm, yang ​ ​ penyerapanterjadi pada 14 GHz, dan energi di atas 90% diserap karena pencocokan impedansi yang lebih baik. 12000 8000 4000 0 1000 ​

1500 2000 2500 3000 ​Raman shift (cm​-1​) ​100 80 6040200​

400 500 600 700 ​Panjang gelombang (nm)

1536-125X (c) 2016 IEEE. Penggunaan pribadi diizinkan, tetapi publikasi ulang / redistribusi memerlukan izin IEEE. Lihat http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html untuk informasi lebih lanjut.

(d) (e) Gambar 4. (a) Spektrum Raman dari graphene monolayer pada PET, (b) transmitansi optik film penyerap pabrikan, (c) konfigurasi penuh pengukuran, (d) mikrogram dari patch graphene periodik, dan (e) sampel yang diuji dalam pandu gelombang.

(a) ​

(b)

VNA​

(c) Waveguide G 2D Artikel ini telah diterima untuk publikasi di edisi mendatang jurnal ini, tetapi belum diedit sepenuhnya. Konten dapat berubah sebelum publikasi

0

akhir. Informasi kutipan: DOI 10.1109 / TNANO.2017.2688415, Transaksi IEEE pada Nanoteknologi ​TNANO-00649-2016

-30 ​

-5​

-10​

1.0 0,8 S11 S21

12 13 14 15 16 17 18 ​Frekuensi (GHz)

Frekuensi (GHz) ​Gbr. 5. ​S ​parameterdari absorber yang diusulkan. 0.0 ​

12 13 14 15 16 17 18 0,6 -15

0,4 -20 Usulan bermotif sampel -25 dan Pengukuran dan 3D gelombang penuh Simulasi dan Modifikasi sirkuit Setara 0,2 absorber unpatterned, 46 Ohm unpatterned absorber, 100 Ohm

​5

0,0 12 ​unpatterned ​13 ​absorber, 500 Ohm ​14 15 16 17 18 ​Gbr. 8. Koefisien absorpsi terukur dari penyerap yang diusulkan berdasarkan pada ​1.0

film graphene berpoladan absorbers Salisbury berdasarkan pada film graphene yang tidak dipola.

0.8 IV. Sebuah​BSORPTION DAN ​B​ANDWIDTH ​E​NHANCEMENT 0,6 A. Peningkatan Penyerapan Pada bagian III, absorber dasar yang diusulkan berdasarkan padabermotif 0,4 filmgrapheneadalah eksperimental menunjukkan. 90% penyerapan tercapai untuk penyerap yang kami usulkan. Tingkat serapan ini ​Pengukuran ​0,2 3D Sirkuit Ekivalen Simulasi gelombang penuh dapat lebih ditingkatkan dengan meningkatkan konduktivitas lapisan reflektif untuk mencegah gelombang datang melalui absorber. Namun, lapisan FTO yang memiliki konduktivitas lebih tinggi biasanya memiliki transmitansi optik yang lebih rendah, yang merupakan konflik dengan peningkatan tingkat penyerapan. For ​Frequency (GHz) ​Gbr. 6. Koefisien absorpsi dari penyerap yang diusulkan. Perbandingan antara hasil sampel berpola dan sampel tidak berpola menunjukkan bahwa dengan mengetsa film graphene dapat memberikan kapasitansi / induktansi yang cukup pada gelombang mikro untuk mengkompensasi induktansi / kapasitansi yang diubah dari lapisan reflektif. Dengan cara ini, kita dapat mencapai frekuensi serapan yang diinginkan dengan merancang pola graphene untuk substrat dengan ketebalan yang fleksibel. 0 kinerja yang lebih baik dari penyerap gelombang mikro transparan optik, beberapa bahan lain yang memiliki konduktivitas tinggi menggabungkan transmisi optik yang tinggi diperlukan. Dalam desain kami, lapisan FTO yang memiliki ketahanan lembaran 15 Ohm dipilih, untuk pertimbangan menjaga transmisi optik yang tinggi (80% dalam desain kami). Selain itu, sampel dalam pengukuran menderitakapasitansiparasit ​Ccelah ​ resonansi dan ,​ yang menyebabkan ketidakcocokan pada frekuensi ​

memperburuk kinerja penyerapan. Idealnya, penyerapan 100% dapat dicapai dengan mengurangi penetrasi gelombang datang dan mengkompensasi kapasitansi parasit. Untuk tujuan validasi, kami -5​ menempatkan pelat logam korslet dengan 9 mm di bawah FTO sebagaisempurna ​ reflektor. Pelat logam

ini mengurangi penetrasi gelombang. Selain itu, jarak 9 mm antara pelat logam danasli -10​penyerapsedikit lebih pendek dari seperempat panjang gelombang pandu gelombang pada 12,6 GHz, yang dapat mengubah pelat logam korsleting menjadi impedansi induktif, sehingga dapat mengkompensasi kapasitansi parasit ​C​gap dari ​ penyerap asli.

Konfigurasi penyerap yang ditingkatkan ini ditunjukkan pada Gambar. 9. Hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar. 10, di mana penyerap yang didukung logam memiliki frekuensi penyerapan puncak yang -30 sama dengan yang dimiliki penyerap yang didukung FTO, sedangkan penyerapan puncak ​

12 13 14 ​Frekuensi ​mencapai 100%. Hasil simulasi gelombang penuh 3D juga diperlihatkan

15 16 ​(GHz) 17 18 ​pada Gambar 10 dan menunjukkan kesesuaian yang baik dengan pengukuran. Pada Gambar. 11, kami membuat perbandingan dalam hal impedansi input yang diukur (dihitung dari ​S ​parameter) antara

penyerap asli dan penyerap yang disempurnakan. ​S11

-15 S21 -20

Gambar. 7.diukur ​S yang P ​ arameterdari penyerap yang diusulkan berdasarkan pada film graphene berpola dan peredam Salisbury berdasarkan pada film graphene yang tidak dipola.

dan Absorber berpola yang diusulkan

-25 dan Absorber tidak berpola, 46 Ohm dan Absorber tidak berpola, 100 Ohm dan Absorber berpola, 500 Ohm 1536-125X (c) 2016 IEEE 2016. Penggunaan pribadi diizinkan, tetapi publikasi ulang / redistribusi memerlukan izin IEEE. Lihat http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html untuk informasi lebih lanjut. Artikel ini telah diterima untuk diterbitkan dalam edisi mendatang dari jurnal ini, tetapi belum sepenuhnya diedit. Konten dapat berubah sebelum publikasi akhir. Informasi Citation: DOI 10,1109 / TNANO.2017.2688415, Transaksi IEEE pada Nanoteknologi ​TNANO-00.649-2.016

6

bagian imajiner dari impedansi input Im​(Zdi) ​ ​dari dua peredam berpotongan di resonansi frekuensi 12,6 ​ GHz. Namun, bagian nyata dari impedansi input Re (​Z​in)​ dari absorber yang diserap jauh lebih dekat ​ dengan impedansi gelombang dari pandu gelombang persegi panjang 287 Ohm pada 12,6 GHz, yang menunjukkan pencocokan impedansi yang lebih baik.

Pelat Logam B. Peningkatan Bandwidth Penyerap yang diusulkan juga menunjukkan pita penyerap sempit seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Ini karena hanya satu resonansi yang digunakan untuk desain. Untuk penyerap periodisitas level-μm ini, induktansi sel unit terlalu kecil, dan sulit untuk menggabungkan resonansi berganda pada pita frekuensi yang tertarik, ​Port1

sebagai cara dalam [1] dan [16]. Ini diilustrasikan pada Gambar. 11, di mana bagian nyata dan imajiner dari impedansi input ​Rectangular

Waveguide

absorber aslikami disajikan. Dapat dilihat bahwa setelah resonansi pertama pada 12,6 GHz (di mana Re (​Zin ​ ​) mencapai puncak dan Im ​ (​Z​in)​ ≈ 0), impedansi input adalah kapasitif, dankedua resonansitidak ​

Waveguide persegi panjang.

ditemukan dalam frekuensi kerja yang ​berpola Graphene

PET ​Glass FTO Pada bagian ini, kami mengusulkan metode lain untuk memperluas bandwidth. Di atas penyerap asli, kami menempatkan film graphene berpola tambahan pada jarak 7,5 mm untuk membentuk penyerap pita lebar. Konfigurasi ditunjukkan pada Gambar. 12. Jarak 7,5 mm adalah sekitar seperempat panjang

gelombang pandu gelombang ​9

mm

untuk frekuensi antara 12,6 GHz dan 14GHz. Impedansi input dari penyerap asli adalah kapasitif dan resistif setelah frekuensi resonansi pertama 12,6 GHz. Impedansi input ini ditransformasikan menjadi induktif dan resistif setelah Gambar. 9. Konfigurasi absorber yang disempurnakan.

1,0 0,1

7,5 mm saluran transmisi udara. Impedansi input yang ditransformasikan ini paralel dengan impedans dari lapisan tambahan. Karena film graphene berpola tambahan adalah kapasitif, itu dapat mengkompensasi

induktansi dari penyerap asli dalam ​0,8

pita lebar. Oleh karena itu, penyerap pita lebar dapat dicapai.

Rectangular Waveguide Absorpsi peningkatanpenyerap pengukuran 0.0 ​ 12 P ​ ort1 ​0.6 0.4 Orignal absorber Lapisan Tambahan 0.2

Patterned Graphene ​PET​3D simulasi gelombang penuh

13 14 15 16 17 18 ​Frekuensi (GHz) ​Gbr. 10. Perbandingan koefisien absorpsi antara absorber yang diserap dengan peningkatan penyerapan dan penyerap asli.

Grafena Berpola ​Kaca

Port2

​

PET ​

FTO

Original Absorber Gbr. 12. Konfigurasi bandwidth meningkatkan absorber.

Setelah optimisasi dengan menggunakan simulasi gelombang penuh 3D, lapisan graphene patch periodik berpola tambahan dibuat, yang memiliki celah celah 150 μm, panjang sisi 600 μm, dan ketahanan lembaran 500 Ohm. Hasil pengukuran ditunjukkan pada Gambar. 13, dari mana kita dapat melihat peningkatan bandwidth kerja yang signifikan 2 × 1,5 = 3 GHz (di mana, kita mengambil penyerapan 80% sebagai referensi, dan mempertimbangkan setengah bandwidth -600 ​ 12 13 14 15 16 17 18 7 ​ ,5 mm Foam 1 ​ 200 R​ e (​Zin)​ Im (​Zin)​

900

Original absorber Absorber yang ​

disempurnakan

600 Impedansi gelombang dari waveguide persegi panjang ​300

0

-300​12,6 GHz, frekuensi resonansi di bawah frekuensi cutoff dari Waveguide). Hasil ini juga berkorelasi baik dengan simulasi gelombang penuh 3D. In ​Frequency

(GHz) ​Gbr. 11. Perbandingan impedansi input yang diukur antara absorber yang diserap dengan

yang diserap dan yang asli.

Gambar. 14, dibandingkan dengan penyerap asli,Im (​Zink​ urva) dari penyerap yang ditingkatkan bandwidth menunjukkan kemiringan yang lebih kecil di sekitar frekuensi resonansi. Sementara itu, Re (​Zin)​ 1536-125X (c) 2016 IEEE. Penggunaan pribadi diizinkan, tetapi publikasi ulang / redistribusi memerlukan izin IEEE. Lihat http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html untuk informasi lebih lanjut. Artikel ini telah diterima untuk diterbitkan dalam edisi mendatang dari jurnal ini, tetapi belum sepenuhnya diedit. Konten dapat berubah sebelum publikasi akhir. Informasi kutipan: DOI 10.1109 / TNANO.2017.2688415, Transaksi IEEE pada Nanoteknologi

TNANO-00649-2016diserap ​7

kurva bandwidth yangpenyerap jauh lebih datar dan lebih dekat dengan impedansi gelombang pandu gelombang persegi panjang. Karakteristik ini menunjukkan graphene berpola tambahan memiliki kompensasi pita lebar untuk penyerap asli, yang memperluas bandwidth kerjanya.

0,0 ​

12 13 14 15 16 17 18 ​R​EFERENSI

[1] F. Costa, A. Monorchio, dan G. Manara, “Analisis dan Desain Peredam Elektromagnetik Ultra Tipis yang Terdiri Secara Resistif Memuat Permukaan Impedansi Tinggi,” ​IEEE Trans. Antena Propagat, ​vol. 58, tidak. 5, hlm. 1551-1558, 2010. [2] Y. Juan, dan S.

Zhongxiang, “A Thin dan Broadband Absorber Menggunakan ​1.0 Double-Square Loop,” ​IEEE Antennas Wireless Propagat. Lett, IEEE, ​vol. 6, hlm. 388-391, 2007. [3] SA Tretyakov, dan SI

Maslovski, "Struktur penyerap tipis untuk semua ​0,8 sudut kejadianberdasarkan penggunaan permukaan impedansi tinggi," ​Microwave dan Optical Technology Letters, v​ ol. 38, tidak. 3, hal. 175-178, 2003. ​0,6

1,5 GHz

[4] T. Jang, H. Youn, YJ Shin, dan LJ Guo, "Transparan dan Fleksibel Penyerap Broadband Microwave Independen," ​ACS

Orignal absorber

Photonics, v​ ol. 1, tidak. 3, hal. 279-284, 2014/03/19, 2014. ​0.4

[5] K. Takizawa, dan O. Hashimoto, “Penyerap gelombang transparan menggunakan film tipis resistif pada frekuensi V-band,” ​IEEE Trans. Teori Teori Microwave, ​vol. 47, tidak. 7, hal. 1137-1141, 1999.

0,2 Bandwidth meningkatkan Pengukuran absorber

[6] RL Fante, dan MT McCormack, “Properti pantulan layar Salisbury,” ​IEEE Trans. Antena Propagat, v​ ol. 36, tidak. 10, hal.

1443-1454, 1988. ​Simulasi gelombang penuh 3D [7] Y. Okano, S. Ogino, dan K. Ishikawa, “Pengembangan Penyerap Microwave Ultrathin yang Transparan secara Optik untuk

Frekuensi (GHz)

Sistem Identifikasi RF Frekuensi Tinggi Ultrahigh,” ​IEEE Trans . Teori Teori Microwave, ​vol. 60, tidak. ​

8, hlm. 2456-2464, 2012. [8] JS Gomez-Diaz, dan J. Perruisseau-Carrier, "Microwave ke THz Gambar. 13. Perbandingan koefisien absorpsi antarabandwidth sifatgraphene dan properti aplikasi antena potensial, "dalam ​ISAP,​ 2012, peningkatan penyerap dan penyerap asli. hlm. 239-242. [9] D. Yi, XC Wei, YL Xu, N. Meng, dan EP Li, "graphene-silicon Antena patch antena dioda," dalam ​berbahanIMWS-AMP,​ 2015, hlm. 1-3. [10] Y.-L. Xu, X.-C. Wei, dan E.-P. Li, “Three-dimensional tunable frequency selective surface based on vertical graphene micro-ribbons,” ​Journal of Electromagnetic Waves and Applications, ​vol. 29, tidak. 16, pp. 2130-2138, Nov., 2015. [11] C. Pai-Yen, C. Argyropoulos, and A. Alu, “Terahertz Antenna Phase Shifters Using Integrally-Gated Graphene Transmission-Lines,” ​IEEE Trans. Antennas Propagat, ​vol. 61, tidak. 4, pp. 1528-1537, 2013. [12] GW Hanson, “Dyadic Green's functions and guided surface waves for a surface conductivity model of graphene,” ​Journal of Applied Physics, ​vol. 103, tidak. 6, pp. 064302, 2008. [13] R. Alaee, M. Farhat, C. Rockstuhl, and F. Lederer, “A perfect absorber made of a graphene micro-ribbon metamaterial,” ​Optics Express, ​vol. 20, tidak. 27, pp. 28017-28024, Dec., 2012. [14] A. Andryieuski, and AV Lavrinenko, “Graphene metamaterials based

-800 ​

12 13 14 15 16 17 18 1600

Re(​Zin​) Im(​Zin​)

1200

Original absorber ​

Bandwidth enhanced absorber

800 Wave impedance of the rectangular waveguide ​400

0

-400​12.9 GHz, resonant frequency of bandwidth enhanced absorber 12.6 GHz, original resonant frequency tunable terahertz absorber: effective surface conductivity approach,” ​Optics Express, v​ ol. 21, tidak. 7, pp. 9144-9155, 8, April, 2013.

Frequency (GHz) [15] A. Fallahi, and J. Perruisseau-Carrier, “Design of tunable biperiodic graphene metasurfaces,” ​Physical Review B, v​ ol. 86, tidak. 19, pp. 195408, Fig. 14. The comparison of the input impedance between the bandwidth enhanced absorber and the original absorber. 5, November, 2012. [16] M. Olszewska-Placha, B. Salski, D. Janczak, PR Bajurko, W. Gwarek, and M. Jakubowska, “A Broadband Absorber With a Resistive Pattern Made of Ink With Graphene Nano-Platelets,” ​IEEE Trans. Antennas ​V.

C​ONCLUSION this paper, a transparent absorber based on patterned graphene film is theoretically illustrated, practically fabricated and experimentally demonstrated. Fabricated sample has around 80% optical transmittance and 90% peak absorption. Propagat, ​vol. 63, tidak. 2, pp. 565-572, 2015. [17] B. Wu, HM Tuncer, M. Naeem, B. Yang, MT Cole, WI Milne, and ​In

Y. Hao, “Experimental demonstration of a transparent graphene millimetre wave absorber with 28% fractional bandwidth at 140 GHz,” ​Sci. Rep., ​vol. 4, Feb., 2014. [18] O. Balci, EO Polat, N. Kakenov, and C. Kocabas, “Graphene-enabled electrically

switchable radar-absorbing surfaces,” ​Nat Commun, v​ ol. 6, ​The

absorption performance agrees well with that of 3D simulation and the modified equivalent circuit. Furthermore, we makes a study of performance enhancement in terms of absorption level and working bandwidth of the original March, 2015. ​full-wave

[19] M. Grande, GV Bianco, MA Vincenti, D. de Ceglia, P. Capezzuto, V. Petruzzelli, M. Scalora, G. Bruno, and A. D'Orazio, “Optically transparent microwave screens based on engineered graphene layers,” ​Optics Express, v​ ol. 24, tidak. 20, pp.

22788-22795, 2016/10/03, 2016. ​absorber, which shows that the peak absorption can reach 100% and the working bandwidth can be broadened by 3 GHz. This work provides a reference for transparent absorber based on the patterned graphene and is helpful for overcoming the [20] D. Yi, X. Wei, and Y. Xu, "Experimental demonstration of transparent microwave absorber based on graphene." in ​IWS, 2016, p ​ p. 1-4. [21] I. Papapolymerou, RF Drayton, and LPB Katehi, “Micromachined patch antennas,” ​IEEE Trans. Antennas Propagat, v​ ol. 46, tidak. 2, pp. 275-283, 1998. ​application

difficulties of graphene films at microwave band.

1536-125X (c) 2016 IEEE. Penggunaan pribadi diizinkan, tetapi publikasi ulang / redistribusi memerlukan izin IEEE. See http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html for more information. This article has been accepted for publication in a future issue of this journal, but has not been fully edited. Content may change prior to final publication. Citation information: DOI 10.1109/TNANO.2017.2688415, IEEE Transactions on Nanotechnology ​TNANO-00649-2016

Da Yi ​(S'15) received the BS degree in electronic science and technology from Zhejiang University, Hangzhou, China, in 2014, where he is currently pursuing the Ph.D. degree in electronic science and technology. His current research interests include microwave absorber and impedance surface based on 2D materials. Mr. Yi was a recipient of the Best Student Paper award at the fourth IEEE MTT-S International Wireless Symposium in 2016. Xing-Chang Wei ​(M'01–SM'09) received the Ph.D. degree in electrical engineering from the Xi'an University of Electronic Science and Technology, China, in 2001. From 2001 to 2010, he was with the A*STAR Institute of High Performance Computing, Singapore, as a Research Fellow, Senior Research Engineer, and Research Scientist. In 2010, he joined Zhejiang University, Hangzhou, China, as a Full Professor. He has authored

​8

more than 50 papers published in prestigious international journals and conferences. His main research interests include 2D materials and electromagnetic periodic structures, Through Silicon Via analysis, and electromagnetic compatibility (EMC) modeling and simulation. He received the 2007 Singapore Institution of Engineers Prestigious Engineering Achievement Award for his contribution on the development of reverberation chambers. He was the Co-Chair of the Technical Program Committee of the 2010 IEEE Electrical Design of Advanced Packaging and Systems Symposium. ​Yi-Li and Xu ​received the BE degree in information ​ communication engineering from Zhejiang University, Hangzhou, China, in 2011. Currently, he is working towards the Ph.D. degree in electromagnetic fields and microwave techniques at Zhejiang University, Hangzhou, China. His current research interests include modeling, characterization and application of graphene.

1536-125X (c) 2016 IEEE. Penggunaan pribadi diizinkan, tetapi publikasi ulang / redistribusi memerlukan izin IEEE. See http://www.ieee.org/publications_standards/publications/rights/index.html for more information.