太赫兹研发网

来源：SPIE；电子科技大学太赫兹科学技术研究中心韦元培编译

太赫兹（THz）为生物医学成像、电信和先进传感系统等各种应用提供了独特的机遇。然而，由于 0.1至10太赫兹范围内电磁波的独特性质，要开发出能展现太赫兹技术真正潜力的高性能元件已被证明是十分困难的。即使是滤波器和吸收器等基本元件的设计也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，现在有可能制造出具有太赫兹范围内独特电磁特性的二维（2D）图案微结构，从而对这一频段的信号进行前所未有的控制。

尽管已经提出了各种二维超材料（或“超表面”）吸波材料，但其中大多数仍然存在严重的局限性。一个常见的问题是，一旦确定并制造出超表面吸波材料的结构，其电磁性能就会固定下来。这种不可调性限制了此类器件的可能应用。

另一方面，虽然存在基于金属的可调超表面吸收器，但不建议使用薄金属层。这是因为存在几个缺点，例如难以制造必要的结构，以及金属的固有特性导致性能不佳。

在此背景下，中国的一个研究团队开发出了一种新型碳基可调超表面吸收器，它具有太赫兹范围内的超宽可调带宽。由上海理工大学曹文瀚博士（音译）指导的这项研究成果发表在《先进光子学》（Advanced Photonics Nexus）上。

这种吸收器的核心是使用石墨烯和石墨微结构作为谐振器，石墨层作为背反射面。曹文瀚博士解释说：“这种太赫兹元表面吸收器中的重复子单元或'单元格'是战略性设计，主要基于四个因素来优化吸收效率：几何形状、材料特性、偏振灵敏度和调谐机制。”

就几何形状而言，吸收器由三层薄层组成。最上面一层是图案化的导电层，包含由石墨烯导线相互连接的同心石墨环，第二层是简单的电介质，有助于消除不需要的电磁波。最后，第三层是吸收层，可防止太赫兹波直接穿过器件，从而最大限度地提高吸收效率。

吸收器的材料选择和几何设计都是通过数值分析和模拟进行优化的，这有助于其在太赫兹范围内的显著吸收。值得注意的是，所提出的吸收器的一个关键特性是其可调谐性，这源于可调节的费米能级。这一参数在材料和半导体技术中至关重要，因为它决定了电子在不同能级的分布。

通过对石墨烯层施加电压，可以改变石墨烯层的费米能级，进而轻松微调吸收带宽。

曹文瀚博士补充道：“在1 eV的费米能级，所提出的吸收器可以实现8.99THz的宽带宽，在7.24至16.23THz的频率范围内提供超过90%的吸收率，在8.35THz和14.70THz有两个明显的共振峰。”

这一设计的另一个显著优点是对入射辐射的偏振角不敏感。在吸收器的单元格中使用同心圆会自然地产生这一有利特性。圆形作为一种完全对称的形状，使吸收器在入射角度高达 50°时仍能保持较高的吸收率。

总之，所提出的设计具有诸多优点，而且结构简洁，是太赫兹技术的一项突破。

“所提出的吸收器提供了一种超薄、简单的无金属结构，在较低的厚度下具有较宽的可调吸收带宽，这大大提高了其适用性。这些优点超越了其他已报道的吸收器，”曹文瀚博士说道。