Технология Терагерца (ТГц) полезна в таких приложениях, как биомедицинская визуализация, телекоммуникации и современные сенсорные системы. Однако из-за уникальной природы электромагнитных волн в диапазоне 0.1–10 терагерц было сложно разработать высокопроизводительные компоненты, демонстрирующие истинный потенциал терагерцовой технологии. Даже разработка практически бескомпонентных деталей, таких как фильтры и поглотители, остается огромной проблемой.
К счастью, развитие метаматериалов может привести к инновационным решениям этих проблем. Благодаря достижениям в технологиях изготовления и обработки теперь можно изготавливать двумерные (2D) микроструктуры с уникальными электромагнитными свойствами в терагерцовом диапазоне, что позволяет беспрецедентно контролировать сигналы на этих частотах.
Хотя для поглощающих волны материалов было предложено множество двумерных метаматериалов (или «гиперповерхностей»), большинство из них все еще имеют серьезные ограничения. Общая проблема заключается в том, что после того, как структурные моды гиперповерхностного поглощающего материала идентифицированы и изготовлены, его электромагнитные свойства фиксируются.
Эта невозможность настройки ограничивает возможности применения таких устройств. С другой стороны, хотя существуют перестраиваемые гиперповерхностные поглотители на основе металлов, использование тонких металлических слоев не рекомендуется. Это связано с рядом недостатков, таких как сложность изготовления необходимых конструкций и низкие эксплуатационные характеристики из-за свойств металлов.
В этом контексте команда доктора Вэньхана Цао из Шанхайского университета науки и технологий разработала новый настраиваемый метаповерхностный поглотитель на основе углерода со сверхширокой настраиваемой полосой пропускания в терагерцовом диапазоне. Это исследование под руководством доктора Венхана Цао было недавно опубликовано в журнале Advanced Photonics Nexus.
«В сердцевине поглотителя используются микроструктуры графена и графита в качестве резонаторов, а слои графита — в качестве обратно отражающих поверхностей». Доктор Вэньхан Цао объясняет: «Повторяющиеся субъединицы (или «клетки») в этом терагерцовом метаповерхностном поглотителе были стратегически разработаны для оптимизации эффективности поглощения на основе четырех основных факторов: геометрии, свойств материала, чувствительности к поляризации и механизма настройки».
Геометрически поглотитель состоит из трех тонких слоев. Верхний слой представляет собой узорчатый проводящий слой, содержащий концентрические графитовые кольца, соединенные между собой графеновыми проволоками; второй слой — простой диэлектрик, помогающий рассеивать нежелательные электромагнитные волны; а третий слой представляет собой поглощающий слой, который предотвращает проникновение терагерцовых волн непосредственно через устройство, тем самым максимизируя эффективность поглощения.
Выбор материала и геометрическая конструкция поглотителя оптимизированы с помощью численного анализа и моделирования, что способствует его замечательному поглощению в терагерцовом диапазоне. Примечательно, что ключевым свойством предлагаемого поглотителя является его возможность настройки, которая обусловлена перестраиваемыми уровнями энергии Ферми. Этот параметр имеет решающее значение в материалах и полупроводниковой технологии, поскольку он определяет распределение электронов на разных энергетических уровнях.
Приложив напряжение к слою графена, можно изменить его уровень энергии Ферми и, таким образом, легко настроить полосу поглощения. Доктор Вэньхан Цао подчеркнул: «При уровне энергии Ферми 1 эВ предлагаемый поглотитель может достичь удивительно широкой полосы пропускания 8,99 ТГц, обеспечивая более 90% поглощения в диапазоне частот от 7,24 до 16,23 ТГц с двумя отчетливыми резонансными пиками. на частоте 8,35 ТГц и 14,70 ТГц».
Еще одним существенным преимуществом предложенной конструкции является ее нечувствительность к углу поляризации падающего излучения. Использование концентрических окружностей в ячейке поглотителя естественным образом обеспечивает это благоприятное свойство. Круг, имеющий идеально симметричную форму, позволяет поглотителю поддерживать высокую скорость поглощения при углах падения до 50 градусов.
Короче говоря, многие преимущества предлагаемой конструкции в сочетании с ее простотой представляют собой настоящий прорыв в терагерцовой технологии». расширяет возможности его применения и превосходит другие известные поглотители.
В ближайшем будущем терагерцовые устройства станут частью повседневной технологии, особенно в таких областях, как медицина и связь, а также в более ориентированных на исследования областях, таких как материаловедение и биология.
