新型碳基可調諧超表面吸收器為先進的太赫茲技術鋪平了道路

由于其高度對稱的結構，結合優(yōu)化的幾何參數(shù)和材料選擇，所提出的可調諧碳基太赫茲吸收器可能會導致太赫茲技術的實質性進步和新的應用。來源:聶、何、曹，doi: 10.1117/1.APN.3.1.016007。在太赫茲(THz)范圍內工作為各種應用提供了獨特的機會，包括生物醫(yī)學成像，電信和先進的傳感系統(tǒng)。然而，由于電磁波在0.1至10太赫茲范圍內的獨特特性，開發(fā)高性能組件以展示太赫茲技術的真正潛力已被證明是困難的。甚至像過濾器和吸收器這樣的基本元素的設計仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。幸運的是，超材料的興起可能會帶來解決這些問題的創(chuàng)新方法。由于制造和加工技術的進步，現(xiàn)在可以在太赫茲范圍內創(chuàng)建具有獨特電磁特性的二維(2D)圖案微結構，從而對這些頻率的信號提供前所未有的控制。

雖然已經(jīng)提出了各種二維超材料(或“超表面”)吸收劑，但它們中的大多數(shù)仍然存在嚴重的局限性。一個常見的問題是，一旦超表面吸收器的結構模式被確定并制造出來，它的電磁性能就變得固定了。這種可調性的缺乏限制了這種設備的可能應用。另一方面，雖然存在可調諧金屬基超表面吸收器，但不鼓勵使用薄金屬層。這是由于幾個缺點，如制造必要結構的困難和金屬固有特性引起的暗淡性能。在這種背景下，來自中國的一個研究小組現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出一種新的碳基可調諧超表面吸收體，其超寬，可調諧帶寬在太赫茲范圍內。他們的研究由上?？萍即髮W的曹文翰博士指導，發(fā)表在《Advanced Photonics Nexus》上。

所提出的吸收器以石墨烯和石墨微結構作為諧振器和石墨層作為背反射表面為中心。Cao解釋說:“這種太赫茲超表面吸收器中的重復亞基或‘單元胞’被戰(zhàn)略性地設計為優(yōu)化吸收效率，主要基于四個因素:幾何形狀、材料特性、極化靈敏度和調諧機制?！痹趲缀紊希掌靼ㄈ齻€薄層。頂層是一個有圖案的導電層，包含由石墨烯導線連接的同心石墨環(huán)排列，而第二層是一個簡單的介電層，有助于消散不必要的電磁波。最后，第三層是吸收層，它可以防止太赫茲波直接穿過設備，從而最大限度地提高吸收效率。通過數(shù)值分析和仿真對吸波器的材料選擇和幾何設計進行了優(yōu)化，使其在太赫茲范圍內具有顯著的吸波效果。值得注意的是，所提出的吸收器的一個關鍵特性是其可調性，這源于可調的費米能級。這個參數(shù)在材料和半導體技術中是必不可少的，因為它決定了電子在不同能級上的分布。通過對石墨烯層施加電壓，可以修改其費米能級，從而使人們能夠輕松地微調吸收帶寬。

Cao補充說:“在1 eV的費米能級下，所提出的吸收器可以達到8.99太赫茲的驚人帶寬，在7.24至16.23太赫茲的頻率范圍內提供超過90%的吸收，在8.35太赫茲和14.70太赫茲處有兩個不同的共振峰?！痹撛O計的另一個顯著優(yōu)點是對入射輻射的偏振角不敏感。由于在吸收器的單元電池中使用了同心圓環(huán)，自然產(chǎn)生了這種有利的特性。圓形，作為一個完美的對稱形狀，使吸收器在高達50°的入射角下保持高吸收率?？偟膩碚f，所提出的設計的許多優(yōu)點，加上其優(yōu)雅的簡單性，代表了太赫茲技術的真正突破。

“所提出的吸收器提供了超薄和簡單的無金屬結構，在低厚度下具有寬且可調諧的吸收帶寬，這大大提高了其適用性。這些優(yōu)勢超過了其他報道的吸收劑，”曹說。

很快，太赫茲器件將成為日常技術的一部分，尤其是在醫(yī)學和通信等領域，以及材料科學和生物學等更多以研究為導向的領域。