Ультраширокополосный настраиваемый терагерцовый поглотитель на основе многослойных графеновых нанолент

Аннотация

Предложен и численно демонстрирован ультраширокополосный грапеновый метаматериальный поглотитель, состоящий из множественных слоев графен/диэлектрик на подложке SiO₂ с металлической подложкой. Моделирование показывает, что поглотитель достигает поглощения >90% в полосе 4,8 ТГц (3–7,8 ТГц). Электрическая настройка уровня Ферми графена позволяет переключать устройство из состояния «вкл» (поглощение >90%) в «выкл» (рефлексия >90%) во всем рабочем диапазоне. Важно, структура сохраняет >90% поглощения до угла падения 50° и может быть масштабирована добавлением большего числа графеновых слоев, что открывает широкие возможности в терагерцевой визуализации, сенсорике, фотодетекции и модуляции.

Обзор литературы

Терагерцовый (THz) диапазон стал ключевой платформой для спектроскопии, медицинской визуализации, безопасности и беспроводной связи благодаря уникальным спектральным отпечаткам и высокочастотной производительности. Среди THz-устройств поглотители играют решающую роль, обеспечивая сбор энергии, стелс и обработку сигналов. Традиционные THz-поглотители страдают от узкой полосы, ограниченной эффективности и статичного отклика, что ограничивает практическое применение.

Графен — двумерная медная решетка углеродных атомов — привлекает интерес тем, что его электрическая проводимость можно точно модулировать электрическими, магнитными полями, затворным напряжением или химическим легированием. Графен поддерживает поверхностные плазмоны в THz-диапазоне с исключительно низкими потерями и высокой настраиваемостью, превосходя обычные плазмонные материалы. Следовательно, графен включен во множество дизайнов поглотителей: сеточные, анти-точечные, крестообразные. Однако эти структуры обычно требуют сложного паттернирования, имеют узкую рабочую полосу (<1,5 ТГц) и не обладают надежной коммутацией.

Недавние многослойные графеновые поглотители пытались расширить полосу, но все еще полагаются на сложные геометрии и дают ограниченную производительность. Zhao et al. продемонстрировали коммутируемый поглотитель, меняя химический потенциал графена от 0 до 0,3 эВ, достигая поглощения >90% и рефлексии >82% в 0,53–1,05 ТГц; однако глубина модуляции и полоса оставались недостаточными для практических задач.

В этой работе представлен настраиваемый ультраширокополосный THz-поглотитель, использующий стек из девяти графеновых нанолент, встроенных в диэлектрические слои. Конфигурация дает >90% поглощение в диапазоне 3–7,8 ТГц со средней абсорбцией 96,7% и может динамически переключаться между поглощающим и отражающим состояниями путем настройки энергии Ферми каждого графенового слоя. Поглотитель структурно прост, избегает сложного паттернирования, и демонстрирует угловую устойчивость и толерантность к технологическим вариациям, позиционируя себя как универсальная платформа для перспективных THz-технологий.

Методы

Архитектура поглотителя (рис. 1) состоит из золотой подложки, диэлектрического промежутка (ε = 3), слоя SiO₂ (ε = 4) и девяти графеновых нанолент разной ширины (W = 5, 5, 27, 4, 4, 2, 21, 21, 26 мкм сверху вниз), встроенных в диэлектрик. Наноленты расположены на расстоянии t₂ = 2 мкм от границы SiO₂, толщина диэлектрика над подложкой H₁ = 21 мкм, толщина SiO₂ H₂ = 7 мкм. Период элементарной ячейки P = 32 мкм. Золотая пленка моделируется дриудовской проницаемостью ε = ε∞ – ω_p²/(ω² + iωγ), с ε∞ = 1, ω_p = 1,38 × 10¹⁶ рад/с, γ = 1,23 × 10¹³ с⁻¹.

Графен рассматривается как ультратонкий проводящий слой. Его поверхностная проводимость σ(ω, E_f, τ, T) вычисляется по формуле Кубо: σ(ω)=σ_intra + σ_inter = (je²(ω – j/τ))/(πħ²) × [...], где фигурирует ферми-дираковское распределение f_d(ε). Проводимость настраивается уровнем Ферми E_f, который контролируется внешним затворным напряжением V_n: |E_f(V_n)| = ħv_F√[π|a₀(V_n – V₀)|], n = 1…9, с v_F = 0,9 × 10⁶ м/с и a₀ = ε₀ε_d/(ed). Соответствующая диэлектрическая проницаемость графена ε_g = 1 + iσ_g/(t_gε₀ω).

Численное моделирование выполнено двумерным FDTD-солвером. Периодические граничные условия по x, нормально падающая плоская волна по z с поляризацией электрического поля по x. Извлекали рефлексию R и прохождение T, поглощение A = 1 – R – T. Поскольку золотая подложка непрозрачна (T ≈ 0), A = 1 – R.

Результаты и обсуждение

Назначив энергии Ферми E_f = (0,9, 0,9, 1,1, 0,8, 0,8, 1,1, 1,1, 0,9, 0,8) эВ девяти нанолентам (сверху вниз), смоделированный спектр поглощения (рис. 2) показывает непрерывную полосу >90% в диапазоне 3–7,8 ТГц, давая полосу 4,8 ТГц и FWHM 5,4 ТГц. Средняя абсорбция по полосе 96,7%. При нулевом смещении (E_f = 0 эВ) структура ведет себя как почти идеальный рефлектор с >90% рефлексии во всем диапазоне, возрастающей до >97% выше 5,5 ТГц.

Для понимания широкополосного поведения сначала изучили однослойную конфигурацию (рис. 3). Изменение E_f смещает плазмонный резонанс графена, увеличивая поглощение и синевищу пика. Настройка ширины W и вертикального положения t меняет амплитуду и частоту резонанса, подтверждая, что согласование импеданса управляет пиком поглощения.

В трехслойном стеке (рис. 4) тщательно подобранные ширины (W = 26, 21, 20 мкм) и единый уровень Ферми 0,9 эВ дают три близких к идеальному пика при 4,7, 5,2 и 5,7 ТГц, образуя полосу высокой эффективности 1,3 ТГц. Расширение до девяти слоев и итеративная настройка E_f каждой наноленты (рис. 5) приводит к наложению резонансов и формированию единой ультраширокополосной полосы поглощения >90% на 4,8 ТГц. Снимки распределения поля (рис. 6) показывают сильное зажимание между последовательными графеновыми слоями и диэлектриком, что указывает на синергетическое действие локализованных поверхностных плазмонов (LSP) и графеновых плазмонов в поглощении.

Угловая устойчивость проверена поворотом падения до 50° (рис. 8). Даже при 30° поглощение практически не меняется, а при 50° остается >90% во всей полосе, подтверждая практическую пригодность дизайна.

Технологическая толерантность оценена вариацией толщин диэлектрика (H₁) и SiO₂ (H₂) (рис. 9). Отклонения ±0,5 мкм в H₁ почти не влияют на производительность, H₂ показывает чуть более высокую чувствительность, но все равно сохраняет >90% поглощения по большей части полосы. Эти результаты демонстрируют устойчивость структуры к реалистичным производственным вариациям.

Заключения

Представлен простой, масштабируемый и настраиваемый терагерцовый поглотитель, использующий стек графеновых нанолент для достижения >90% поглощения на полосе 4,8 ТГц (3–7,8 ТГц). Электрическая настройка уровней Ферми отдельных графеновых слоев позволяет переключать устройство между высокопоглощающим и высокорефлектирующим состояниями, обеспечивая большую глубину модуляции (>90%). Угловая толерантность (>90% до 50°) и технологическая надежность еще больше повышают привлекательность для фотодетекторов, визуализации и модуляции.

Аббревиатуры

FDTD:

Конечно-разностный временной области

LSP:

Локализованный поверхностный плазмон