Perfekt absorption uppstår från den starka interaktionen mellan valenselektroner och ljus i ett ledande material. Optiskt metamaterial är ett effektivt sätt att utnyttja den överlägsna fotonfångstförmågan. Således kunde de perfekta absorbatorerna uppnås genom resonanta plasmoniska och metamaterialstrukturer i nanoskala.
En metamaterial perfekt absorberare (MPA) består typiskt av periodiska subvåglängdsmetaller (t.ex. plasmonisk superabsorbator) eller dielektriska resonansenheter. Jämfört med statiska passiva fysiska system kan avstämbara metamaterial dynamiskt manipulera elektromagnetiska vågor, vilket förbättrar flerdimensionell kontroll av det optiska svaret. Det finns två typiska strategier för att uppnå avstämbara egenskaper i metamaterial:mekanisk rekonstruktion och förändring av metamaterialens gitterstrukturer.
I motsats till dessa klassiska metoder erbjuder kombinationen av funktionella material och metamaterialstruktur ett sätt att förändra materialens optiska egenskaper genom yttre stimuli och har en snabbare svarshastighet. Som ett typiskt avstämbart funktionsmaterial har grafen utmärkta mekaniska, elektriska och optiska egenskaper. Att införliva grafen i metamaterialstrukturer kan avsevärt förbättra ljus-materia-interaktioner.
I denna anda har professor Weiping Wus grupp demonstrerat en ny avstämbar ultrabredbands-terahertzabsorbator som använder de unika egenskaperna hos grafen och hierarkiskt strukturerade plasmoniska metamaterial. Teamets forskningsartikel publiceras i tidskriften Advanced Devices &Instrumentation .
Metamaterialstrukturen består av alternerande T-formade guldtackor/fyrkanter, ett dielektriskt skikt, tillsammans med ett grafenskikt på ett guldskikt. Den genomsnittliga absorptionen av MPA uppnådde 90 % över ett ultrabrett frekvensområde från 20,8 THz till 39,7 THz. Ursprunget till bredbandstecken analyseras genom elektriska fältdiagram, och moduleringen av absorptionsfönstret med grafen undersöks. Vidare studeras olika parametrars inverkan på resultaten, och forskningen diskuterar den potentiella tillämpningen av denna struktur inom optoelektronikområdet.
Slutligen jämförs och analyseras några nyligen rapporterade bredbandsabsorbenter i det THz–fjärr-infraröda bandet med resultaten av detta arbete. Den föreslagna bredbandsabsorbatorn för metamaterial har en högre genomsnittlig absorption och ett bredare frekvensområde. Den föreslagna strukturen har bara ett lager mönstrat guld, vilket har stora fördelar jämfört med annan litteratur när det gäller tillverkning.
Sammanfattningsvis föreslås och studeras en ny ultrabredbandsavstämbar terahertzabsorbator av grafen och hierarkiskt strukturerade plasmoniska metamaterial, och en nästan perfekt ultrabredbandsabsorption från 20,8 THz till 39,7 THz undersöks numeriskt. Den föreslagna absorbatorn implementeras genom att arrangera två guldstrukturer av olika storlekar växelvis i varje enhetscell. Bandbredden som överstiger 90 % absorption av bredbandsabsorbenterna är cirka 18,9 THz.
Genom att justera Fermi-energinivån för grafenet kan positionen för ultrabredbandet ställas in. Dessutom analyseras effekterna av geometriska parametrar på absorbatorns absorptionsspektra kvantitativt. Dessa resultat antyder att den metamaterialabsorbator som föreslås i detta arbete kan leda till ytterligare förbättringar inom området avstämbar filtrering, detektorer, kontrollerad termisk strålning och andra fotoniska enheter.
Mer information: Xiaoman Li et al, Ultra-Broadband Tunable Terahertz Absorber of Graphene and Hierarchical Plasmonic Metamaterials, Avancerade enheter och instrumentering (2023). DOI:10.34133/adi.0014
Tillhandahålls av Advanced Devices &Instrumentation
