Team demonstrerer en ultrabredbånds afstembar terahertz-absorber af grafen og hierarkiske plasmoniske metamaterialer

Perfekt absorption opstår fra den stærke interaktion mellem valenselektroner og lys i et ledende materiale. Optisk metamateriale er en effektiv tilgang til at udnytte den overlegne fotonfangstevne. Således kunne de perfekte absorbere opnås ved resonante plasmoniske og metamateriale strukturer i nanoskala.

En metamaterial perfekt absorber (MPA) består typisk af periodiske subbølgelængde metal (f.eks. plasmonisk superabsorber) eller dielektriske resonansenheder. Sammenlignet med statiske passive fysiske systemer kan indstillelige metamaterialer dynamisk manipulere elektromagnetiske bølger, hvilket forbedrer multidimensionel kontrol af den optiske respons. Der er to typiske strategier til at opnå justerbare egenskaber i metamaterialer:mekanisk rekonstruktion og ændring af metamaterialernes gitterstrukturer.

I modsætning til disse klassiske metoder tilbyder kombinationen af ​​funktionelle materialer og metamaterialestruktur en måde at ændre materialers optiske egenskaber gennem eksterne stimuli og har en hurtigere responsrate. Som et typisk afstembart funktionelt materiale har grafen fremragende mekaniske, elektriske og optiske egenskaber. Inkorporering af grafen i metamaterialestrukturer kan forbedre lys-stof-interaktioner markant.

På denne måde har professor Weiping Wus gruppe demonstreret en ny afstembar ultrabredbånds-terahertz-absorber, der udnytter de unikke egenskaber af grafen og hierarkisk strukturerede plasmoniske metamaterialer. Holdets forskningspapir er offentliggjort i tidsskriftet Advanced Devices &Instrumentation .

Metamaterialestrukturen omfatter alternerende T-formede guldbarrer/firkanter, et dielektrisk lag sammen med et grafenlag på et guldlag. Den gennemsnitlige absorption af MPA opnåede 90 % over et ultrabredt frekvensområde, der spænder fra 20,8 THz til 39,7 THz. Oprindelsen af ​​bredbåndskaraktererne analyseres gennem elektriske feltdiagrammer, og moduleringen af ​​absorptionsvinduet med grafen undersøges. Endvidere studeres forskellige parametres indflydelse på resultaterne, og forskningen diskuterer den potentielle anvendelse af denne struktur inden for optoelektronik.

Endelig er nogle nyligt rapporterede bredbåndsabsorbere i THz-langt-infrarøde bånd sammenlignet og analyseret med resultaterne af dette arbejde. Den foreslåede metamateriale bredbåndsabsorber har en højere gennemsnitlig absorption og et bredere frekvensområde. Den foreslåede struktur har kun ét lag mønstret guld, hvilket har store fordele i forhold til anden litteratur med hensyn til fremstilling.

Som konklusion foreslås og studeres en ny ultrabredbånds afstembar terahertz-absorber af grafen og hierarkisk strukturerede plasmoniske metamaterialer, og en næsten perfekt ultrabredbåndsabsorption fra 20,8 THz til 39,7 THz er numerisk undersøgt. Den foreslåede absorber implementeres ved at arrangere to guldstrukturer af forskellige størrelser skiftevis i hver enhedscelle. Båndbredden, der overstiger 90 % absorption af bredbåndsabsorberne, er omkring 18,9 THz.

Ved at justere Fermi-energiniveauet for grafen kan positionen af ​​ultrabredbåndet indstilles. Desuden analyseres virkningerne af geometriske parametre på absorberens absorptionsspektre kvantitativt. Disse resultater antyder, at den metamaterialeabsorber, der er foreslået i dette arbejde, kan føre til yderligere forbedringer inden for tunbar filtrering, detektorer, kontrolleret termisk stråling og andre fotoniske enheder.

Flere oplysninger: Xiaoman Li et al, Ultra-Broadband Tunable Terahertz Absorber of Graphene and Hierarchical Plasmonic Metamaterials, Avancerede enheder og instrumentering (2023). DOI:10.34133/adi.0014

Leveret af Advanced Devices &Instrumentation