在太赫茲 （THz） 范圍內(nèi)工作為各種應(yīng)用提供了獨特的機會，包括生物醫(yī)學(xué)成像、電信和高級傳感系統(tǒng)。然而，由于電磁波在0.1至10 THz范圍內(nèi)的獨特特性，事實證明，開發(fā)展示太赫茲技術(shù)真正潛力的高性能組件是很困難的。即使是過濾器和吸收器等基本和基本元件的設(shè)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(shù)的進步，現(xiàn)在可以在太赫茲范圍內(nèi)創(chuàng)建具有獨特電磁特性的二維 （2D） 圖案化微結(jié)構(gòu)，從而對這些頻率的信號提供前所未有的控制。

圖片:innovative-design-mark.jpg

盡管已經(jīng)提出了各種二維超材料（或“超表面”）吸收體，但其中大多數(shù)仍然存在嚴(yán)重的局限性。一個常見的問題是，一旦確定并制造了超表面吸收體的結(jié)構(gòu)模式，其電磁性能就會變得固定。這種缺乏可調(diào)性限制了此類設(shè)備的可能應(yīng)用。

另一方面，雖然存在可調(diào)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，例如難以制造必要的結(jié)構(gòu)和由于金屬的固有特性而導(dǎo)致的性能乏善可陳。

在此背景下，來自中國的一個研究團隊現(xiàn)已開發(fā)出一種新的碳基可調(diào)諧超表面吸收器，該吸收器具有太赫茲范圍內(nèi)的超寬可調(diào)帶寬。他們的研究由上�？萍即髮W(xué)的Wenhan Cao博士指導(dǎo)，發(fā)表在Advanced Photonics Nexus上。

所提出的吸收體的核心是使用石墨烯和石墨微結(jié)構(gòu)作為諧振器，并使用石墨層作為背反射表面。Cao解釋道：““這種太赫茲超表面吸收器中的重復(fù)亞基或'晶胞'被戰(zhàn)略性地設(shè)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、偏振靈敏度和調(diào)諧機制”。

在幾何形狀方面，吸收器由三個薄層組成。頂層是一個圖案化的導(dǎo)電層，包含由石墨烯線相互連接的同心石墨環(huán)的排列，而第二層是簡單的電介質(zhì)，有助于消散不需要的電磁波。最后，第三層是吸收層，可防止太赫茲波直接通過器件傳輸，從而最大限度地提高吸收效率。

通過數(shù)值分析和模擬優(yōu)化的吸收體的材料選擇和幾何設(shè)計，都有助于其在太赫茲范圍內(nèi)的出色吸收。值得注意的是，所提出的吸收體的一個關(guān)鍵特征是其可調(diào)性，它來自可調(diào)的費米能級。該參數(shù)在材料和半導(dǎo)體技術(shù)中至關(guān)重要，因為它決定了不同能級的電子分布。

通過對石墨烯層施加電壓，可以修改其費米能級，從而能夠輕松地微調(diào)吸收帶寬。

Cao補充道：“在1 eV的費米能級下，所提出的吸收體可以實現(xiàn)令人印象深刻的8.99 THz寬帶寬，在7.24至16.23 THz的頻率范圍內(nèi)提供超過90%的吸收，在8.35 THz和14.70 THz處有兩個不同的諧振峰”。

所提出的設(shè)計的另一個顯著優(yōu)點是其對入射輻射的偏振角非常不敏感。這種有利的特性自然產(chǎn)生于在吸收器的晶胞中使用同心環(huán)。圓形是一個完美對稱的形狀，使吸收體能夠在高達50°的入射角下保持高吸收率。

總體而言，所提出的設(shè)計具有許多優(yōu)點，加上其優(yōu)雅的簡單性，代表了太赫茲技術(shù)的真正突破。

Cao說：“所提出的吸波材料提供了一種超薄、簡單的無金屬結(jié)構(gòu)，在低厚度下具有寬且可調(diào)的吸收帶寬，這大大增強了其適用性。這些優(yōu)勢超越了其他報道的吸收劑”。

很快，太赫茲器件可能會成為日常技術(shù)的一部分，特別是在醫(yī)學(xué)和通信等領(lǐng)域，以及材料科學(xué)和生物學(xué)等以研究為導(dǎo)向的領(lǐng)域。

相關(guān)鏈接：https://phys.org/news/2024-01-carbon-based-tunable-metasurface-absorber.html