Wetenschap
Team demonstreert een ultrabreedband afstembare terahertz-absorber van grafeen en hiërarchische plasmonische metamaterialen
Perfecte absorptie ontstaat door de sterke interactie van valentie-elektronen met licht in een geleidend materiaal. Optisch metamateriaal is een effectieve benadering om het superieure vermogen tot fotonenvangst te benutten. De perfecte absorbers zouden dus kunnen worden bereikt door resonante plasmonische en metamateriaalstructuren op nanoschaal.
Een metamateriaal perfecte absorber (MPA) bestaat doorgaans uit periodiek metaal met een subgolflengte (bijvoorbeeld plasmonische superabsorber) of diëlektrische resonante eenheden. Vergeleken met statische passieve fysieke systemen kunnen afstembare metamaterialen elektromagnetische golven dynamisch manipuleren, waardoor de multidimensionale controle van de optische respons wordt verbeterd. Er zijn twee typische strategieën om afstembare eigenschappen in metamaterialen te bereiken:mechanische reconstructie en het veranderen van de roosterstructuren van de metamaterialen.
In tegenstelling tot deze klassieke methoden biedt de combinatie van functionele materialen en metamateriaalstructuur een manier om de optische eigenschappen van materialen te veranderen door externe stimuli en heeft een snellere respons. Als typisch afstembaar functioneel materiaal heeft grafeen uitstekende mechanische, elektrische en optische eigenschappen. Het opnemen van grafeen in metamateriaalstructuren kan de interacties tussen licht en materie aanzienlijk verbeteren.
In deze geest heeft de groep van professor Weiping Wu een nieuwe afstembare ultra-breedband terahertz-absorber gedemonstreerd die gebruik maakt van de unieke eigenschappen van grafeen en hiërarchisch gestructureerde plasmonische metamaterialen. Het onderzoeksartikel van het team is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Devices &Instrumentation .
De metamateriaalstructuur bestaat uit afwisselende T-vormige goudstaven/vierkanten, een diëlektrische laag, samen met een grafeenlaag op een goudlaag. De gemiddelde absorptie van de MPA bereikte 90% over een ultrabreed frequentiebereik van 20,8 THz tot 39,7 THz. De oorsprong van de breedbandkarakters wordt geanalyseerd door middel van elektrische velddiagrammen, en de modulatie van het absorptievenster door grafeen wordt onderzocht. Verder worden de invloeden van verschillende parameters op de resultaten bestudeerd, en bespreekt het onderzoek de mogelijke toepassing van deze structuur op het gebied van de opto-elektronica.
Ten slotte worden enkele recentelijk gerapporteerde breedbandabsorbers in de THz-ver-infraroodband vergeleken en geanalyseerd met de resultaten van het huidige werk. De voorgestelde breedbandabsorber van metamateriaal heeft een hogere gemiddelde absorptie en een breder frequentiebereik. De voorgestelde structuur heeft slechts één laag goud met een patroon, wat grote voordelen biedt in vergelijking met andere literatuur op het gebied van fabricage.
Concluderend wordt een nieuwe ultra-breedband afstembare terahertz-absorber van grafeen en hiërarchisch gestructureerde plasmonische metamaterialen voorgesteld en bestudeerd, en wordt een bijna perfecte ultra-breedband-absorptie van 20,8 THz tot 39,7 THz numeriek onderzocht. De voorgestelde absorber wordt geïmplementeerd door afwisselend twee goudstructuren van verschillende afmetingen in elke eenheidscel aan te brengen. De bandbreedte die de absorptie van 90% van de breedbandabsorbeerders overschrijdt, bedraagt ongeveer 18,9 THz.
Door het Fermi-energieniveau van het grafeen aan te passen, kan de positie van de ultrabreedband worden afgestemd. Bovendien worden de effecten van geometrische parameters op de absorptiespectra van de absorber kwantitatief geanalyseerd. Deze resultaten impliceren dat de in dit werk voorgestelde metamateriaalabsorber kan leiden tot verdere verbeteringen op het gebied van afstembare filtering, detectoren, gecontroleerde thermische straling en andere fotonische apparaten.