Att arbeta inom terahertz-området (THz) erbjuder unika möjligheter i olika applikationer, inklusive biomedicinsk bildbehandling, telekommunikation och avancerade avkänningssystem. Men på grund av de unika egenskaperna hos elektromagnetiska vågor i intervallet 0,1 till 10 THz, har det visat sig svårt att utveckla högpresterande komponenter som visar upp den verkliga potentialen hos THz-teknik. Även utformningen av grundläggande och väsentliga element som filter och absorbenter är fortfarande en stor utmaning.
Lyckligtvis kan uppkomsten av metamaterial leda till innovativa sätt att lösa dessa problem. Tack vare framsteg inom tillverknings- och bearbetningsteknik är det nu möjligt att skapa tvådimensionella (2D) mönstrade mikrostrukturer med unika elektromagnetiska egenskaper i THz-området, vilket ger oöverträffad kontroll över signaler vid dessa frekvenser.
Även om olika 2D-metamaterial (eller "metasytor") absorbatorer har föreslagits, lider de flesta av dem fortfarande av allvarliga begränsningar. Ett vanligt problem är att när det strukturella mönstret för en metasytabsorbator bestäms och tillverkas, blir dess elektromagnetiska prestanda fixerad. Denna brist på anpassning begränsar möjliga tillämpningar av sådana enheter.
Å andra sidan, även om avstämbara metallbaserade metasytabsorbenter finns, avråds användningen av tunna metallskikt. Detta beror på flera nackdelar, såsom svårigheten att tillverka de nödvändiga strukturerna och dåliga prestanda orsakade av metallernas inneboende egenskaper.
Mot denna bakgrund har ett forskarlag från Kina nu utvecklat en ny kolbaserad avstämbar metasytabsorbator med en ultrabred, avstämbar bandbredd i THz-området. Deras studie, regisserad av Dr. Wenhan Cao från ShanghaiTech University, publicerades i Advanced Photonics Nexus .
Den föreslagna absorbatorn är centrerad kring användningen av grafen- och grafitmikrostrukturer som resonatorer och ett grafitskikt som en bakåtreflekterande yta. "Den repeterande underenheten, eller "enhetscellen", i denna THz-metasytabsorbator var strategiskt utformad för att optimera absorptionseffektiviteten huvudsakligen baserat på fyra faktorer:geometri, materialegenskaper, polarisationskänslighet och inställningsmekanismer", förklarar Cao.
Geometrimässigt består absorbenten av tre tunna lager. Det översta lagret är ett mönstrat ledande lager som innehåller ett arrangemang av koncentriska grafitringar sammankopplade med grafentrådar, medan det andra är ett enkelt dielektrikum som hjälper till att skingra oönskade elektromagnetiska vågor. Slutligen är det tredje lagret ett absorptionslager som förhindrar THz-vågor från att sända rakt igenom enheten, vilket maximerar absorptionseffektiviteten.
Både materialvalet och den geometriska designen av absorbatorn, som optimerades genom numerisk analys och simuleringar, bidrar till dess anmärkningsvärda absorption i THz-området. En viktig egenskap hos den föreslagna absorbatorn är dess inställningsförmåga, som härrör från en justerbar Fermi-nivå. Denna parameter är väsentlig inom material- och halvledarteknik eftersom den bestämmer fördelningen av elektroner vid olika energinivåer.
Genom att applicera en spänning på grafenskiktet är det möjligt att modifiera dess Fermi-nivå, vilket i sin tur gör det möjligt att enkelt finjustera absorptionsbandbredden.
"På en Fermi-nivå på 1 eV kan den föreslagna absorbatorn uppnå en imponerande bred bandbredd på 8,99 THz, och leverera över 90 % absorption inom frekvensområdet 7,24 till 16,23 THz, med två distinkta resonanstoppar vid 8,35 THz och 14", lade till Cao.
En annan anmärkningsvärd fördel med den föreslagna designen är dess anmärkningsvärda okänslighet för polarisationsvinkeln för infallande strålning. Denna gynnsamma egenskap härrör naturligt från användningen av koncentriska ringar i absorbatorns enhetscell. Cirkeln, som en perfekt symmetrisk form, gör att absorbatorn kan bibehålla hög absorptionshastighet vid infallsvinklar på upp till 50°.
Sammantaget representerar de många fördelarna med den föreslagna designen, i kombination med dess eleganta enkelhet, ett verkligt genombrott inom THz-teknik.
"Den föreslagna absorbatorn ger en ultratunn och enkel metallfri struktur med en bred och avstämbar absorptionsbandbredd vid en låg tjocklek, vilket avsevärt förbättrar dess tillämpbarhet. Dessa fördelar går utöver de för andra rapporterade absorbatorer", säger Cao.
Snart kan THz-enheter bli en del av vardagsteknologin, särskilt inom områden som medicin och kommunikation, såväl som i mer forskningsinriktade strävanden som materialvetenskap och biologi.
Mer information: Aiqiang Nie et al, kolbaserad ultrabredbandsavstämbar terahertz metasurface absorber, Advanced Photonics Nexus (2024). DOI:10.1117/1.APN.3.1.016007
Tillhandahålls av SPIE
