Tuning terahertz transmission

Evnen til at manipulere lys på en subbølgelængdeskala kan føre til en revolution i fotoniske enheder såsom antenner, solpaneler, og endda tilsløringsanordninger. Nanoteknologiske fremskridt har gjort dette muligt gennem udviklingen af ​​metasurfaces, materialer dækket af funktioner, der er mindre end lysets bølgelængde.

Nu, et hold ledet af A*STAR-forskere har produceret en meget lovende metaoverflade, der kan styres præcist ved hjælp af et konventionelt elektrisk kredsløb, så det reflekterer og transmitterer forskellige mængder stråling. Den kan endda nå tilstanden 'perfekt antirefleksion', hvor den slet ikke reflekterer stråling. Specifikt, overfladen arbejder med bredbånds terahertz-stråling, som findes i den fjerne ende af det infrarøde spektrum og har mange potentielle anvendelser, især inden for sikkerheds- eller medicinske områder.

"Terahertz-stråling kan trænge igennem en lang række ikke-ledende materialer, men er blokeret af flydende vand eller metaller, " forklarer Lu Ding, der ledede arbejdet med Jinghua Teng ved A*STAR Institute of Materials Research and Engineering (IMRE). "Det betyder, at terahertz-bjælker kan bruges til materialekarakterisering, lag inspektion, og producere billeder i høj opløsning af det indre af faste genstande. Det er ikke-ioniserende stråling, og sikrere end røntgenstråler."

Tidligere metaoverflader er designet til at manipulere refleksionen af ​​terahertz-stråling. Imidlertid, deres anvendelse er begrænset, som Ding forklarer:"Konventionelle terahertz antirefleksoverflader er passive og anvender ofte en ultratynd metalbelægning, der en gang fabrikeret, bliver fast, og du kan ikke aktivt justere dens ydeevne."

"En elektrisk indstillelig metasurface ville producere mere alsidige enheder og give mere fleksibilitet i systemdesign, " tilføjer Teng. "Det er det gennembrud, samfundet leder efter."

Ding og Teng, sammen med kolleger ved A*STAR Institute of Microelectronics (IME), Nanyang Teknologiske Universitet, National University of Singapore og Jilin University i Kina, fremstillede deres nye metasurface på en siliciumwafer, ved hjælp af en proces, der er fuldstændig kompatibel med de komplementære metal-oxid-halvleder-teknologier (CMOS), der understøtter det meste elektronik.

Den eksponerede metaflade indeholder striber af halvledende silicium, dopet med andre elementer. Disse striber er skiftevis n-type, hvor de bevægelige ladningsbærere er elektroner, og p-type, hvori bærerne er positivt ladede 'huller' i elektronstrukturen. Når den spænding, der leveres til p-n-forbindelserne, ændres, reflektionen og transmissionen af ​​strålingen ændres også.

Holdet indså, at refleksionskoefficienten steg som reaktion på en temperaturstigning forårsaget af den påførte spænding. I mellemtiden transmissionen viste et mere komplekst svar afhængigt af spændingspolariteten, hvilket påvirkede den type ladningsbærer, der blev dominerende. Ved at bruge terahertz tidsdomænespektroskopi, holdet viste, at visse spændingsforhold fik ekkopulsen fra metasoverfladen til at forsvinde, repræsenterer fuldstændig antirefleksion.

Ud over at give denne hidtil usete kontrol over refleksion og transmission, metasfladen har den fordel, at den er næsten helt flad på atomniveau. Dette gør den ideel til at opbygge glatte lag i mere komplekse enheder.

"En anden stor fordel er for vores forskning, der ser på, hvordan 2-D-materialer interagerer med 2-D-metamaterialer eller metaoverflader, et emne i vores projekt i A*STAR's 2-D Semiconductors Pharos Program, " siger Teng. "Den atomisk glatte overflade gør overførslen og dannelsen af ​​2-D-Si heterostrukturer meget nemmere end de mønstrede overflader af søjler eller skiver i nanostørrelse, der ses på konventionelle metaoverflader."

"Vi kunne yderligere udnytte denne type metasurface ved uafhængigt at forspænde p-n-krydset eller designe modulære funktioner, hvilket betyder, at vi ville have præ-programmerbare metamaterialer, " siger Ding. Teng tilføjer, at den samme platform kunne bruges til at studere lovende 2-D materialer som molybdændisulfid, som udviser imponerende elektroniske og optiske egenskaber til brug i nye fleksible kredsløb.