Ny kulstofbaseret tunbar metasurface absorber baner vejen for avanceret terahertz-teknologi

At arbejde i terahertz-området (THz) giver unikke muligheder inden for forskellige applikationer, herunder biomedicinsk billeddannelse, telekommunikation og avancerede sensorsystemer. Men på grund af de unikke egenskaber ved elektromagnetiske bølger i 0,1 til 10 THz-området, har det vist sig vanskeligt at udvikle højtydende komponenter, der viser THz-teknologiens sande potentiale. Selv designet af grundlæggende og essentielle elementer som filtre og absorbere er fortsat en væsentlig udfordring.

Heldigvis kan stigningen i metamaterialer føre til innovative måder at løse disse problemer på. Takket være fremskridt inden for fremstillings- og behandlingsteknologier er det nu muligt at skabe todimensionelle (2D) mønstrede mikrostrukturer med unikke elektromagnetiske egenskaber i THz-området, hvilket giver hidtil uset kontrol over signaler ved disse frekvenser.

Selvom forskellige 2D-metamateriale (eller "metasurface") absorbere er blevet foreslået, lider de fleste af dem stadig af alvorlige begrænsninger. Et almindeligt problem er, at når først det strukturelle mønster af en metasurface absorber er bestemt og fremstillet, bliver dens elektromagnetiske ydeevne fast. Denne manglende indstilling begrænser de mulige anvendelser af sådanne enheder.

På den anden side, mens der findes afstembare metalbaserede metasurface-absorbere, frarådes brugen af ​​tynde metallag. Dette skyldes adskillige ulemper, såsom vanskeligheden ved at fremstille de nødvendige strukturer og mangelfuld ydeevne forårsaget af metallers iboende egenskaber.

På denne baggrund har et forskerhold fra Kina nu udviklet en ny kulstofbaseret tunbar metasurface absorber med en ultrabred, tunerbar båndbredde i THz-området. Deres undersøgelse, ledet af Dr. Wenhan Cao fra ShanghaiTech University, blev offentliggjort i Advanced Photonics Nexus .

Den foreslåede absorber er centreret omkring brugen af ​​grafen- og grafitmikrostrukturer som resonatorer og et grafitlag som en tilbagereflekterende overflade. "Den gentagende underenhed eller 'enhedscelle' i denne THz-metaoverfladeabsorber var strategisk designet til at optimere absorptionseffektiviteten hovedsageligt baseret på fire faktorer:geometri, materialeegenskaber, polarisationsfølsomhed og afstemningsmekanismer," forklarer Cao.

Geometrimæssigt består absorberen af ​​tre tynde lag. Det øverste lag er et mønstret ledende lag, der indeholder et arrangement af koncentriske grafitringe, der er forbundet med grafentråde, mens det andet er et simpelt dielektrikum, der hjælper med at sprede uønskede elektromagnetiske bølger. Endelig er det tredje lag et absorptionslag, der forhindrer THz-bølger i at transmittere lige gennem enheden og dermed maksimere absorptionseffektiviteten.

Både materialevalget og det geometriske design af absorberen, som blev optimeret gennem numerisk analyse og simuleringer, bidrager til dens bemærkelsesværdige absorption i THz-området. Navnlig er en nøgleegenskab ved den foreslåede absorber dens indstillingsevne, som opstår fra et justerbart Fermi-niveau. Denne parameter er essentiel i materialer og halvlederteknologi, da den bestemmer fordelingen af ​​elektroner på forskellige energiniveauer.

Ved at påføre en spænding på grafenlaget er det muligt at modificere dets Fermi-niveau, hvilket igen gør det muligt nemt at finjustere absorptionsbåndbredden.

"Ved et Fermi-niveau på 1 eV kan den foreslåede absorber opnå en imponerende bred båndbredde på 8,99 THz, der leverer over 90 % absorption inden for frekvensområdet 7,24 til 16,23 THz, med to distinkte resonansspidser ved 8,35 THz og 14,". tilføjede Cao.

En anden bemærkelsesværdig fordel ved det foreslåede design er dets bemærkelsesværdige ufølsomhed over for polarisationsvinklen for indfaldende stråling. Denne gunstige egenskab opstår naturligt ved brugen af ​​koncentriske ringe i absorberens enhedscelle. Cirklen, som en perfekt symmetrisk form, gør det muligt for absorberen at opretholde høj absorptionshastighed ved indfaldsvinkler på op til 50°.

Samlet set repræsenterer de mange fordele ved det foreslåede design, kombineret med dets elegante enkelhed, et sandt gennembrud inden for THz-teknologi.

"Den foreslåede absorber giver en ultratynd og enkel metalfri struktur med en bred og justerbar absorptionsbåndbredde ved en lav tykkelse, hvilket i høj grad forbedrer dens anvendelighed. Disse fordele går ud over dem, som andre rapporterede absorbere har," sagde Cao.

Snart kan THz-enheder blive en del af dagligdags teknologi, især inden for områder som medicin og kommunikation, såvel som i mere forskningsorienterede bestræbelser som materialevidenskab og biologi.

Flere oplysninger: Aiqiang Nie et al., Carbon-baseret ultrabredbånd afstembar terahertz metasurface absorber, Advanced Photonics Nexus (2024). DOI:10.1117/1.APN.3.1.016007

Leveret af SPIE