新型碳基可调谐超表面吸收器为先进的太赫兹技术铺平了道路

由于其高度对称的结构，结合优化的几何参数和材料选择，所提出的可调谐碳基太赫兹吸收器可能会导致太赫兹技术的实质性进步和新的应用。来源:聂、何、曹，doi: 10.1117/1.APN.3.1.016007。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，电信和先进的传感系统。然而，由于电磁波在0.1至10太赫兹范围内的独特特性，开发高性能组件以展示太赫兹技术的真正潜力已被证明是困难的。甚至像过滤器和吸收器这样的基本元素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)图案微结构，从而对这些频率的信号提供前所未有的控制。

虽然已经提出了各种二维超材料(或“超表面”)吸收剂，但它们中的大多数仍然存在严重的局限性。一个常见的问题是，一旦超表面吸收器的结构模式被确定并制造出来，它的电磁性能就变得固定了。这种可调性的缺乏限制了这种设备的可能应用。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，如制造必要结构的困难和金属固有特性引起的暗淡性能。在这种背景下，来自中国的一个研究小组现在已经开发出一种新的碳基可调谐超表面吸收体，其超宽，可调谐带宽在太赫兹范围内。他们的研究由上海科技大学的曹文翰博士指导，发表在《Advanced Photonics Nexus》上。

所提出的吸收器以石墨烯和石墨微结构作为谐振器和石墨层作为背反射表面为中心。Cao解释说:“这种太赫兹超表面吸收器中的重复亚基或‘单元胞’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、极化灵敏度和调谐机制。”在几何上，吸收器包括三个薄层。顶层是一个有图案的导电层，包含由石墨烯导线连接的同心石墨环排列，而第二层是一个简单的介电层，有助于消散不必要的电磁波。最后，第三层是吸收层，它可以防止太赫兹波直接穿过设备，从而最大限度地提高吸收效率。通过数值分析和仿真对吸波器的材料选择和几何设计进行了优化，使其在太赫兹范围内具有显著的吸波效果。值得注意的是，所提出的吸收器的一个关键特性是其可调性，这源于可调的费米能级。这个参数在材料和半导体技术中是必不可少的，因为它决定了电子在不同能级上的分布。通过对石墨烯层施加电压，可以修改其费米能级，从而使人们能够轻松地微调吸收带宽。

Cao补充说:“在1 eV的费米能级下，所提出的吸收器可以达到8.99太赫兹的惊人带宽，在7.24至16.23太赫兹的频率范围内提供超过90%的吸收，在8.35太赫兹和14.70太赫兹处有两个不同的共振峰。”该设计的另一个显著优点是对入射辐射的偏振角不敏感。由于在吸收器的单元电池中使用了同心圆环，自然产生了这种有利的特性。圆形，作为一个完美的对称形状，使吸收器在高达50°的入射角下保持高吸收率。总的来说，所提出的设计的许多优点，加上其优雅的简单性，代表了太赫兹技术的真正突破。

“所提出的吸收器提供了超薄和简单的无金属结构，在低厚度下具有宽且可调谐的吸收带宽，这大大提高了其适用性。这些优势超过了其他报道的吸收剂，”曹说。

很快，太赫兹器件将成为日常技术的一部分，尤其是在医学和通信等领域，以及材料科学和生物学等更多以研究为导向的领域。