新型碳基可调谐超表面吸收器为先进的太赫兹技术铺平道路

在太赫兹 （THz） 范围内工作为各种应用提供了独特的机会，包括生物医学成像、电信和高级传感系统。然而，由于电磁波在0.1至10 THz范围内的独特特性，事实证明，开发展示太赫兹技术真正潜力的高性能组件是很困难的。即使是过滤器和吸收器等基本和基本元件的设计仍然是一个巨大的挑战。

幸运的是，超材料的兴起可能会带来解决这些问题的创新方法。由于制造和加工技术的进步，现在可以在太赫兹范围内创建具有独特电磁特性的二维 （2D） 图案化微结构，从而对这些频率的信号提供前所未有的控制。

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尽管已经提出了各种二维超材料（或“超表面”）吸收体，但其中大多数仍然存在严重的局限性。一个常见的问题是，一旦确定并制造了超表面吸收体的结构模式，其电磁性能就会变得固定。这种缺乏可调性限制了此类设备的可能应用。

另一方面，虽然存在可调谐金属基超表面吸收器，但不鼓励使用薄金属层。这是由于几个缺点，例如难以制造必要的结构和由于金属的固有特性而导致的性能乏善可陈。

在此背景下，来自中国的一个研究团队现已开发出一种新的碳基可调谐超表面吸收器，该吸收器具有太赫兹范围内的超宽可调带宽。他们的研究由上海科技大学的Wenhan Cao博士指导，发表在Advanced Photonics Nexus上。

所提出的吸收体的核心是使用石墨烯和石墨微结构作为谐振器，并使用石墨层作为背反射表面。Cao解释道：““这种太赫兹超表面吸收器中的重复亚基或'晶胞'被战略性地设计为优化吸收效率，主要基于四个因素：几何形状、材料特性、偏振灵敏度和调谐机制”。

在几何形状方面，吸收器由三个薄层组成。顶层是一个图案化的导电层，包含由石墨烯线相互连接的同心石墨环的排列，而第二层是简单的电介质，有助于消散不需要的电磁波。最后，第三层是吸收层，可防止太赫兹波直接通过器件传输，从而最大限度地提高吸收效率。

通过数值分析和模拟优化的吸收体的材料选择和几何设计，都有助于其在太赫兹范围内的出色吸收。值得注意的是，所提出的吸收体的一个关键特征是其可调性，它来自可调的费米能级。该参数在材料和半导体技术中至关重要，因为它决定了不同能级的电子分布。

通过对石墨烯层施加电压，可以修改其费米能级，从而能够轻松地微调吸收带宽。

Cao补充道：“在1 eV的费米能级下，所提出的吸收体可以实现令人印象深刻的8.99 THz宽带宽，在7.24至16.23 THz的频率范围内提供超过90%的吸收，在8.35 THz和14.70 THz处有两个不同的谐振峰”。

所提出的设计的另一个显著优点是其对入射辐射的偏振角非常不敏感。这种有利的特性自然产生于在吸收器的晶胞中使用同心环。圆形是一个完美对称的形状，使吸收体能够在高达50°的入射角下保持高吸收率。

总体而言，所提出的设计具有许多优点，加上其优雅的简单性，代表了太赫兹技术的真正突破。

Cao说：“所提出的吸波材料提供了一种超薄、简单的无金属结构，在低厚度下具有宽且可调的吸收带宽，这大大增强了其适用性。这些优势超越了其他报道的吸收剂”。

很快，太赫兹器件可能会成为日常技术的一部分，特别是在医学和通信等领域，以及材料科学和生物学等以研究为导向的领域。

相关链接：https://phys.org/news/2024-01-carbon-based-tunable-metasurface-absorber.html