在太赫茲 （THz） 范圍內(nèi)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(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)性限制了此類設備的可能應用。

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的Wenhan Cao博士指導，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亞基或'晶胞'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、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)在材料和半導體技術中至關重要，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的一部分，特別是在醫(yī)學和通信等領域，以及材料科學和生物學等以研究為導向的領域。

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