Многофункциональное устройство с переключаемыми функциями преобразования поглощения и поляризации в терагерцовом диапазоне

Введение

Поглотители и преобразователи поляризации, способные регулировать электромагнитные (ЭМ) волны, являются двумя важными устройствами для терагерцовой технологии. Они находят широкое применение в датчиках, фотодетекторах и модуляторах, и они незаменимы в медицинской визуализации / диагностике, мониторинге окружающей среды и наблюдении, химической спектроскопии, радарах с высоким разрешением и высокоскоростной связи [1,2,3,4]. Поглотители используются для поглощения и рассеивания падающей электромагнитной волны, в то время как преобразователи поляризации могут регулировать состояние поляризации освещающей волны. Эти устройства широко изучаются в последние годы [4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24 ].

Обнаружено, что метаповерхности обладают идеальным поглощением в терагерцовом диапазоне волн [5,6,7,8]. Эта метаповерхность может быть построена с помощью золотых или графеновых узоров. Золотые узоры включают связанный кольцевой резонатор и крестообразную структуру [5], крестообразный золотой резонатор [6] и трехслойные крестообразные золотые резонаторы [9]. Однако полосы пропускания этих золотых метаповерхностных поглотителей довольно узкие. Графен, поддерживающий поверхностные плазмоны в терагерцовом диапазоне [10, 11], является хорошим материалом для создания поглотителя на основе метаповерхности с широкой полосой пропускания. Графеновый рисунок в сеточку обеспечивает полосу пропускания 59,4% при 3,2 ТГц [12], двойная кольцевая структура с гибридизированными плазмонными резонансами получает полосу пропускания 1,18–1,64 ТГц (32,6%) [13], девять слоев графеновых лент разного размера обеспечивает хорошее поглощение от 3 до 7,8 ТГц (88,9%) [14], а трехслойные полосы графена с асимметричным рисунком, вытравленные с отверстиями в [15], имеют полосу пропускания 84,6% (4,7–11,6 ТГц). Хотя монослой из дихалькогенидов переходных металлов и периодический массив металлических наноразмеров имеет узкую полосу пропускания, он поглощает свет под большим углом [16]. В [17] монослой MoS ₂ наносится на массив нанодисков из нитрида титана, который обеспечивает среднее поглощение 98,1% в полосе от 400 до 850 нм (72%).

С другой стороны, метаповерхности обладают высокой эффективностью преобразования поляризации. Благородные металлы, такие как золото, обладают высокой эффективностью для проектирования преобразователей поляризации на основе метаповерхностей. Двойной L-образный узор с двумя металлическими решетками в [18] поворачивает линейную поляризацию (ЛП) на 90 °. Полоса пропускания преобразователя в [18] составляет 0,2–0,4 ТГц (66,7%). Двойной L-образный узор и решетка с резонансом типа Фабри-Перо обеспечивают ширину полосы от 0,55 до 1,37 ТГц (85,4%) [19]. Трехслойные метаповерхности образуют четвертьволновой преобразователь для преобразования падающей волны LP в волну круговой поляризации (CP) в полосе частот 2,1–8 ТГц (116,8%) [20]. Полуэллиптическая кольцевая структура с полосковой нагрузкой в ​​[21] способна преобразовывать кросс-поляризацию как LP, так и CP с полосой пропускания 2,1–2,9 ТГц (32%). Метаповерхности графена, применяемые для преобразователя поляризации, обычно реализуют функцию настройки частоты или состояния поляризации. В схемах [22, 23] вращение поляризации достигается путем периодического травления щелей / впадин на листах графена, а рабочие частоты можно динамически настраивать путем регулирования химического потенциала ( μ _c ). Периодические графеновые узоры [24] и двойные скрещенные графеновые решетки [25] настраивают состояния поляризации. В конструкции [21] графеновые полоски лежат на земле, чтобы нарушить распределение поля; затем коэффициент преобразования поляризации можно регулировать.

Хотя описанные выше поглотители и преобразователи поляризации очень эффективны, эти устройства выполняют единственную функцию. Они не подходят для терагерцовых систем, требующих портативных, компактных и многофункциональных устройств. Поэтому важны многофункциональные устройства (МФУ). В этом исследовании предлагается MFD, способный переключаться между режимом поглощения и режимом преобразования поляризации. Предлагаемый MFD имеет низкопрофильную и простую структуру, состоящую из метаповерхности преобразования поляризации (PCM) на основе золота и поглощающей метаповерхности (AM) на основе графена. Затем, задав химический потенциал графена μ _c =0 эВ, AM нейтрализуется, и PCM играет доминирующую роль, а устройство меняет поляризацию падающей электромагнитной волны. Установив μ _c =0,7 эВ, основную роль играет АМ, а устройство поглощает падающую электромагнитную волну.

Методы

Чтобы получить возможность переключения между режимами поглощения и преобразования поляризации (PC), MFD включает две категории метаповерхностей, как показано на рис. 1. Один тип - поглощающая метаповерхность (AM), а другой тип - метаповерхность PC (PCM). Типичная конфигурация MFD, представленная на рис. 1, включает структуру PCM, структуру AM, металлическое зеркало и изоляторы для их разделения. Предполагается, что в режиме поглощения АМ доминирует над падающей волной и рассеивает падающую мощность, а ИКМ бесполезен в этом режиме. В режиме ПК необходимо нейтрализовать АМ, а ПКМ играет ведущую роль; следовательно, состояние поляризации падающей волны преобразуется. Для достижения вышеуказанных требований ключевым моментом является нейтрализация AM в режиме ПК. Следовательно, настраиваемый материал следует использовать для построения AM, в котором можно настраивать свойства AM. К счастью, графен демонстрирует сверхвысокую электронную подвижность и настраиваемую проводимость, регулируя уровень легирования или электрическую решетку [26, 27]. Поэтому для проектирования АМ целесообразно использовать графен. Проводимость графена может быть выражена формулой Кубо (1), и она включает внутризонный и межзонный вклады.

Типовая конфигурация МФД

где e , ℏ, k _B , Т , и μ _c представляют собой заряд электрона, приведенную постоянную Планка, постоянную Больцмана, температуру Кельвина и химический потенциал соответственно. Γ является феноменологической скоростью рассеяния, и предполагается, что она не зависит от энергии ε . Таким образом, комплексная проводимость σ _s можно отрегулировать, настроив химический потенциал ( μ _c ) с напряжением смещения. Он находится в формуле. (1) что для μ _c =0 эВ, проводимость графена очень мала из-за малой плотности носителей в этом случае. Следовательно, графен работает как диэлектрическая подложка. Более того, поскольку слой графена очень тонкий, он мало влияет на освещенные электромагнитные волны для μ _c =0 эВ. Однако плотность носителей графена будет расти с увеличением химического потенциала ( μ _c ), а комплексная проводимость ( σ _s ) графена усиливается с увеличением химического потенциала ( μ _c ) [26, 27]. Следовательно, графен поддерживает поверхностные плазмон-поляритоны (ПП) для больших μ _c [26, 28,29,30], а SPP ограничивают падающие волны. Для дальнейшего усиления SPP и достижения поглощения волн на определенных частотах периодические структуры должны быть вытравлены в слое графена, чтобы сформировать метаповерхность, которая называется AM. Следовательно, установив μ _c =0, АМ можно рассматривать как тонкую диэлектрическую подложку, и она почти прозрачна для электромагнитных волн. Таким образом, падающая ЭМ волна может быть сконцентрирована на слое ИКМ, и устройство работает в режиме ПК. Для подходящего большого μ _c , улучшенные SPP AM ограничивают большую часть падающей электромагнитной волны, что делает бесполезным уровень PCM. Таким образом, падающие электромагнитные волны рассеиваются в слое AM.

Согласно вышеприведенному обсуждению предлагается низкопрофильный МФД с PCM на основе золота и AM на основе графена, как показано на рис. 2. На рис. 2a показан трехмерный вид ячейки. На рисунке видно, что один слой ПКМ на основе золота напечатан поверх подложки из полимера TOPAS [31]. Рисунок PCM представляет собой двойную L-образную структуру с широкой полосой и хорошими характеристиками преобразования поляризации [18, 19]. Как показано на рис. 2а, AM на основе графена вставляется в полимерную подложку TOPAS на расстоянии h ₁ к PCM. Чтобы предоставить AM на основе графена доминирующую роль в режиме поглощения, AM должен иметь сильные SPP при определенном химическом потенциале ( μ _c ), чтобы ограничить большую часть падающей мощности и нейтрализовать PCM. Для этого в слое графена вытравливаются узоры из поперечных щелей, как показано на рис. 2b. Предполагается, что перекрестно-щелевые паттерны приводят к периодическому изменению ( σ =0) к однородности комплексной проводимости графена, что приводит к перестройке плотности заряда и фокусировке. Следовательно, SPP создаются и улучшаются. Структура с перекрестными пазами, как показано на рис. 2b, способна концентрировать несущие и поля вокруг слотов, что обеспечивает сильные SPP. Длина прорези l ₁ и l ₂ выбирают, чтобы резонансы AM попадали в рабочую область PCM; следовательно, одна сота AM имеет шаблоны перекрестных интервалов 3 × 3. Обратите внимание, что PCM и AM движутся и работают независимо, поскольку их включение-выключение контролируется химическим потенциалом ( μ _c ); следовательно, шаблон PCM и шаблон AM могут быть другими архитектурами. Полимер TOPAS является отличным материалом подложки для широкополосного терагерцового диапазона, его показатель преломления составляет примерно 1,53 с очень низкими потерями. Слой золота нанесен на дно полимерной подложки TOPAS для полного отражения. Слой золота поддерживается подложкой, которая может быть Si. Толщина золота 200 нм. Обратите внимание, что поддерживающий материал не влияет на характеристики MFD, так как нет падающих волн, проникающих через слой золота. Как показано на трехмерном изображении массива на рис. 2с, химический потенциал можно регулировать путем смещения напряжения. MFD может быть изготовлен путем повторения процесса роста и переноса [32, 33]. Графен AM должен иметь T =300 K и время релаксации импульса τ =0,1 пс. Для режима ПК μ _c =0 эВ. Химический потенциал для режима поглощения составляет μ _c =0,7 эВ. Оптимизированные параметры MFD: h ₀ =17 мкм, h ₁ =1,5 мкм, l ₀ =24 мкм, W ₀ =2 мкм, l ₁ =14 мкм, l ₂ =19,8 мкм и p =50 мкм.

Схематическое изображение предлагаемого МФД с режимами преобразования поглощения и поляризации. а Трехмерный вид клетки. б Вид сверху AM графена в одной ячейке. c Трехмерный вид массива

Результаты, физические механизмы и обсуждение

Результаты

Предлагаемый MFD был смоделирован, и были рассчитаны коэффициент преобразования поляризации (PCR) и поглощательная способность предлагаемого MFD. Как показано на рис. 3a, двухполупериодный анализ проводится в CST Studio Suite с помощью решателя в частотной области. Таким образом, границы элементарной ячейки устанавливаются на периферийных сторонах, а порт флоке устанавливается в верхней части расчетной области. ПЦР и поглощающая способность структуры без AM также показаны на рисунке для сравнения. Обратите внимание, что ПКЛ и поглощательная способность могут быть рассчитаны через коэффициенты отражения структуры, поскольку пропускание из-за слоя золота отсутствует [34]. Здесь термины явно определены в соответствии с y -поляризованное освещение. Электрическое поле y -поляризованная падающая волна определяется как E _я , а отраженная волна включает y -поляризованное электрическое поле ( E _ry ) и x -поляризованный электрический убежал ( E _rx ). Тогда коэффициенты отражения совместной поляризации и кросс-поляризации определяются как r _гг = E _ry / E _я и r _xy = E _rx / E _я , соответственно. Следовательно, ПКЛ и поглощательная способность могут быть рассчитаны по формулам. (2) и (3) соответственно. Обратите внимание, что ПЦР и поглощающая способность x -поляризованное падение может быть рассчитано аналогичным образом согласно формулам. (2) и (3).

Расчет ПЦР и абсорбционной способности предлагаемого МФД. а Имитационная модель. б Расчетные результаты режима ПК и режима поглощения; для сравнения также показаны результаты для структуры без AM. б ПЦР и абсорбционная способность структуры без AM представлены в виде красной кривой с отметкой в ​​виде сплошного круга и карминовой кривой с отметкой в ​​виде полутвердого круга, соответственно. Для режима ПК предлагаемого MFD, PCR и поглощающая способность нанесены на график в виде синей кривой со сплошной пятиконечной звездочкой и голубой кривой с полутвердой дельта-меткой, соответственно. Для режима поглощения предлагаемого MFD поглощающая способность отображается в виде скрытой синей кривой с отметкой в ​​виде полной сферы

Как показано на рис. 3b, MFD работает в режиме ПК с μ _c =0 эВ, и он работает в режиме поглощения с μ _c =0,7 эВ. В режиме PC структура работает как преобразователь поляризации и вращает падающую волну с линейной поляризацией в волну ортогональной поляризации. Для режима PC PCR больше 0,9 в полосе 2,11–3,63 ТГц (53,0% при 2,87 ТГц), тогда как поглощательная способность мала и составляет от 0,14 до 0,27 в полосе. Для структуры без AM она имеет почти такую ​​же полосу PCR, что и мода PC, а ее поглощающая способность находится в диапазоне от 0,06 до 0,09. В режиме поглощения большая часть падающей волны поглощается в полосе, как показано на рисунке. Обратите внимание, что кривая ПЦР для режима поглощения не представлена, поскольку не имеет смысла. Поглощающая способность превышает 80% в диапазоне 1,59–4,54 ТГц (96,4% при 3,06 ТГц). Следовательно, регулируя химический потенциал, предлагаемая структура может переключаться между режимом ПК и режимом абсорбции.

Физические механизмы

Для дальнейшего раскрытия физических механизмов характеристик переключения двух режимов плотности электрической энергии в режиме ПК и режиме поглощения структуры представлены на рис. 4 и 5 соответственно. Распределения тока в режиме PC также показаны на рис. 4, чтобы указать характеристику преобразования поляризации. Распределения тока в режиме поглощения не показаны, поскольку в этом режиме токи ослабляются и рассеиваются. Обратите внимание, что распределения полей получены при y -поляризованные иллюминации.

Распределения полей режима ПК ( μ _c =0 эВ). а 2,56 ТГц. б 3,22 ТГц

Распределения поля моды поглощения ( μ _c =0,7 эВ). а 1,7 ТГц. б 3,3 ТГц

Для режима ПК ( μ _c =0 эВ), две частоты 2,56 ТГц и 3,22 ТГц выбраны, чтобы представить их распределения поля на рис. 4a и b, соответственно. Левая часть рисунков - это плотности электрической энергии, а правая части - токи. Как показано на рисунках, распределения полей 2,56 ТГц и 3,22 ТГц очень похожи друг на друга, что подразумевает широкую рабочую полосу. Судя по плотностям электрической энергии в левых частях рис. 4a, b, энергии в основном сконцентрированы на L-образных структурах (PCM). Указывается, что PCM играет ведущую роль для μ _c =0 эВ. Судя по токам в правой части рис. 4a, b, токи 2,56 ТГц и 3,22 ТГц также сконцентрированы на PCM, а токи на AM слабые. Пунктирными стрелками обозначены векторы токов. y -поляризованное освещение генерирует x -векторные токи на L-образных структурах, достигающие преобразования поляризации.

Для режима поглощения ( μ _c =0,7 эВ) плотности электрической энергии 1,7 ТГц и 3,3 ТГц показаны на рис. 5а и б соответственно. Как показано на рисунке, плотности электрической энергии двух частот в основном распределяются по AM. Также обнаружено, что энергии сосредоточены в схемах с перекрестными пазами; следовательно, эффекты SPP усиливаются перекрестными слотами на AM. Сильные эффекты SPP приводят к усилению поля на AM, что наделяет AM доминирующей ролью. Таким образом, падающие волны удерживаются и рассеиваются в AM. Также обнаружено, что в PCM все еще есть разброс по энергиям, которые не обеспечивают идеального поглощения, например, 80–90% поглощения в полосе.

Обсуждение

Для дальнейшего выявления характеристик предлагаемого МФД в этом разделе обсуждаются параметрические исследования. На рис. 6а и б представлены характеристики ПЦР и поглощения, соответственно, с точки зрения химического потенциала ( μ _c ). Как показано на рис. 6а, меньшее значение μ _c означает меньшую проводимость AM, и PCM играет более важную роль. Следовательно, хорошая ПЦР наблюдается с μ _c =0 эВ, и она ухудшается с увеличением μ _c . Абсорбционная характеристика MFD демонстрирует почти противоположную тенденцию, как показано на рис. 6b. С μ _c увеличена с 0 до 1 эВ, SPP на AM вдохновлены и улучшены. Таким образом, падающие электромагнитные волны удерживаются в AM, и мощность поглощается. μ _c =0,7 эВ выбрано для самой широкой полосы пропускания. На рис. 6а также отмечено, что значения PCR около 1,85 ТГц больше 80% для 0,7 эВ < μ _c <1 эВ; однако большая часть мощности рассеивается на эти μ _c s, как показано на рис. 6b. Следовательно, химический потенциал ( μ _c ) является ценным параметром для настройки характеристик ПЦР и абсорбции.

Характеристики предлагаемого МФД для различных химических потенциалов ( μ _c ). а ПЦР. б Поглощение

Поглощающая способность моды поглощения для разных углов поляризации ( φ ₁ и φ ₂ ) изображено на рис. 7. Как показано на рис. 7а, φ ₁ и φ ₂ - углы падающих электрических полей относительно x - и y -axes соответственно. Согласно симметричной структуре МФД, φ ₁ и φ ₂ варьировалась от 0 до 45 °. На рис. 7b, как φ ₁ увеличилась от 0 до 45 °, коэффициент поглощения в полосе увеличился с 0,8 до почти 1, хотя полоса немного сужается с увеличением φ ₁ . Как показано на рис. 7c, увеличение φ ₂ снижает поглощающую способность на 2–3 ТГц, и две полосы поглощения получаются около 1,7 ТГц и 4 ТГц.

Поглощающие характеристики режима поглощения ( μ _c =0,7 эВ) при нормальном падении для разных углов поляризации ( φ ). а φ ₁ и φ ₂ - угол падающего электрического поля относительно x- и y -axes соответственно. б φ ₁ . c φ ₂

Характеристики режима ПК и режима поглощения с точки зрения угла падения ( θ ) представлены на рис. 8 и 9 соответственно. На рисунках 8a и b показаны графики ПЦР s - и p -поляризованные падающие волны соответственно с углом падения от 0 до 80 °. Как показано на рисунках, ПЦР ухудшалась с увеличением θ ; однако хорошие характеристики ПЦР также получены для θ меньше 40 °. Полоса пропускания PCR стабильна до угла падения ( θ ). Также обнаружено, что производительность ПЦР s -поляризованное падение нечувствительно к углу падения ( θ ) для частот около 2,1 ТГц.

Характеристики ПЦР в режиме ПК ( μ _c =0 эВ) для разных углов падения, освещенный a s -поляризованный и b p -поляризованные волны

Поглощающие характеристики режима поглощения ( μ _c =0,7 эВ) для разных углов падения при освещении a s -поляризованный и b p -поляризованные волны

Для режима поглощения графики поглощающей способности s - и p -поляризованные падающие волны показаны на рис. 9a и b соответственно с углом падения ( θ ) составляла от 0 до 80 °. Вообще говоря, поглощающая способность s -поляризованная частота снижается с увеличением θ , а поглощающая способность больше 0,8 для θ меньше 30 °. Интересно обнаружить, что поглощающая способность p -поляризованная падающая электромагнитная волна увеличивается с увеличением θ .

Параметр структуры h ₁ также изучается, чтобы в дальнейшем раскрыть множество функций устройства. Как h ₁ регулируется, положение AM изменяется. Обратите внимание, что другие параметры структуры здесь не обсуждаются для простоты. На рис. 10а и б показаны результаты для режима ПК и режима поглощения соответственно. Как показано в левой части рис. 10a, в режиме ПК значок h ₁ мало влияет на ПЦР. В правой части рис. 10б поглощения также стабильны для h ₁ от 0,5 до 16,5 мкм, но меньше h ₁ имеет большее поглощение. Результаты на рис. 10a подтверждают обсуждения в разделе «Методы», а AM работает как тонкая подложка в режиме ПК ( μ _c =0 эВ). Для режима поглощения ( μ _c =0,7 эВ), АМ играет ведущую роль; поэтому h ₁ важно в этом режиме. Как показано в левой части рис. 10a, увеличение h ₁ уменьшить поглощающую способность. Это потому, что множественные отражения и суперпозиции между AM и слоем золота важны для вдохновения SPP и усиления полей на AM [35]. В правой части рис. 10б хорошая ПЦР наблюдается для больших h ₁ . Поэтому при проектировании МФД параметр h ₁ можно рассматривать только в режиме поглощения, так как он мало влияет на режим ПК.

ПЦР и абсорбция в единицах h ₁ . а Режим ПК ( μ _c =0 эВ). б Режим поглощения ( μ _c =0,7 эВ)

Выводы

Таким образом, предлагается низкопрофильный и простой структурный MFD, сочетающий PCM на основе золота и AM на основе графена. Химический потенциал ( μ _c ) может быть использован для активации или нейтрализации AM на основе графена, а затем структура может быть преобразована из поглотителя в преобразователь поляризации. Для режима ПК значение PCR больше 0,9 в диапазоне 2,11–3,63 ТГц (53,0% при 2,87 ТГц). Для режима поглощения поглощательная способность превышает 80% в полосе 1,59–4,54 ТГц (96,4% при 3,06 ТГц). Конструкция может быть применена к системам терагерцового изображения, зондирования, фотодетектирования и модуляции.

Сокращения

AM:

Поглощающая метаповерхность

CP:

Круговая поляризация

EM:

Электромагнитный

LP:

Линейная поляризация

MFD:

Многофункциональное устройство

ПК:

Преобразование поляризации

PCM:

Метаповерхность преобразования поляризации

PCR:

Коэффициент преобразования поляризации

SPP:

Поверхностные плазмонные поляритоны