Дизайн настраиваемого сверхширокополосного терагерцового поглотителя на основе нескольких слоев графеновых лент

Фон

В последние годы терагерцовый диапазон стал одной из самых интересных платформ из-за огромного применения в спектроскопии, медицинской визуализации, модуляторах, безопасности и связи [1,2,3]. Поглотители терагерцового диапазона являются важной отраслью, которая может найти практическое применение в указанных областях [4,5,6]. Однако узкая полоса пропускания, низкая эффективность поглощения и нерегулируемые характеристики поглощения поглотителей сильно ограничивают их практическое применение. Чтобы расширить область применения поглотителей терагерцового диапазона, срочно требуется больше новых устройств и материалов. Графен, как двумерный материал со структурой ячеистой решетки, стал одним из наиболее многообещающих материалов благодаря возможности настройки проводимости, контролируемой электрическим полем, магнитным полем, напряжением затвора и химическим легированием [7,8,9,10 , 11,12,13,14]. В частности, графен может поддерживать поверхностные плазмоны в терагерцовом диапазоне. По сравнению с традиционным материалом поверхностных плазмонов, поверхностные плазмоны графена имеют преимущество в виде низких потерь, гибкости настройки и т. Д. [15,16,17,18,19].

Из-за превосходства графеновых материалов в поглотителях терагерцового диапазона, были предложены и продемонстрированы некоторые поглотители графена [20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 , 34]. Теоретический анализ подтверждает, что один слой графена оптически прозрачен и имеет поглощение 2,3% [35,36,37]. Чтобы усилить ограничение электромагнитной энергии, были разработаны периодические структурированные графеновые структуры, такие как сетчатые [20,21,22], анти-точки [23] и крестообразные [32]. Однако эти поглотители во многом зависят от графена со сложной структурой, что затрудняет их изготовление. Более того, диапазон, доступный для работы, очень узок, и большинство описанных работ не имеют пропускной способности более 1,5 ТГц [20,21,22,23,24,25,26,27,28]. Для расширения полосы частот было предложено несколько многослойных графеновых структур. Однако описанные многослойные структуры также зависят от очень сложной структуры графена, и рабочие полосы пропускания недостаточно велики [32,33,34]. Кроме того, Zhao et al. разработан переключаемый поглотитель терагерцового диапазона для применения амплитудного модулятора [25]. Управляя химическим потенциалом графена от 0 до 0,3 эВ, состояние спроектированной структуры можно переключить с поглощения (> 90%) на отражение (> 82%) в диапазоне частот 0,53–1,05 ТГц. Но интенсивность переключения недостаточно высока, а полоса модуляции очень узка, что ограничивает ее дальнейшее применение на практике.

В этой статье мы представляем перестраиваемый терагерцовый поглотитель на основе графена, состоящий из многослойного графена, который может достигать сверхширокополосного поглощения более 90% в диапазоне частот 3–7,8 ТГц. Средняя поглощающая способность поглотителя более 96,7%. Кроме того, предлагаемый поглотитель имеет более высокую интенсивность переключения, амплитуду поглощения можно настраивать от почти идеального поглощения (> 90%) до высокого отражения (> 90%), изменяя энергию Ферми графенового слоя во всей полосе пропускания 4,8 ТГц. Когда энергия Ферми графена равна 0 эВ, предлагаемая структура будет почти идеальным отражателем с отражением более 97% в высокочастотной полосе (примерно на 5,5 ТГц позже). Кроме того, поглотитель не зависит от углов падения с поглощением от более 90% до 50 °. Насколько нам известно, мы сначала предлагаем двумерную многослойную структуру графен / диэлектрик для реализации сверхширокополосного поглощения. Предлагаемый поглотитель прост и не зависит от графена со сложной структурой, а конструкция обеспечивает большое удобство для изготовления многослойных графеновых структур [38, 39]. Важно отметить, что конструкция масштабируема для разработки более широких перестраиваемых поглотителей терагерцового диапазона за счет добавления большего количества слоев графена, что может найти широкое применение в оптоэлектронных устройствах терагерцового диапазона.

Методы

Схема предлагаемой структуры представлена ​​на рис. 1, который состоит из многослойного графена, внедренного в диэлектрик на SiO ₂ . слой и толстая металлическая отражающая пластина на дне. Как показано на рис. 1, вверху графен разной ширины ( W ) погружается в диэлектрик на некотором зазоре t ₂ ( т ₂ =2 мкм). Ширина W каждого графена составляет 5, 5, 27, 4, 4, 2, 21, 21 и 26 мкм соответственно (сверху вниз). Каждый слой симметричен относительно z -ось. Расстояние t ₁ между нижней частью графенового слоя и SiO ₂ слой 2 мкм. Толщина диэлектрика H ₁ . Средний слой - SiO ₂ . толщиной H ₂ . Дно - металлическая пленка толщиной D . . Период единицы составляет P. Эти начальные значения параметров структуры установлены на H ₁ =21 мкм, H ₂ =7 мкм, D =0,5 мкм, P =32 мкм. Нижний металлический материал - золото, и его диэлектрическая проницаемость может быть правильно представлена ​​моделью Друде в терагерцовом диапазоне следующим образом:

где значение постоянной диэлектрической проницаемости ε _∞ , плазменная частота ω _p , и частота столкновений γ установлены на 1, 1,38 × 10 ¹⁶ рад / с и 1,23 × 10 ¹³ s ^{- 1} , соответственно. Диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала и SiO ₂ материал установлен на 3 и 4 соответственно.

а Принципиальная схема широкополосного поглотителя на основе графена. б Сечение поглотителя с параметрами, использованными для расчета. c Схема цепи внешнего смещения. Ветви напряжения ( В ₁ ~ V ₉ ) соединены с разными слоями графена соответственно

При моделировании графен рассматривается как ультратонкая пленка, встроенная в диэлектрик. Сложная поверхностная проводимость графена, в которой преобладают межзонные и внутризонные вклады, может быть рассчитана с помощью формулы Кубо [40]:

где \ ({f} _d \ left (\ varepsilon \ right) ={\ left ({e} ^ {\ left (\ varepsilon - {E} _f \ right) / {k} _BT} +1 \ right)} ^ {- 1} \) - распределение Ферми-Дирака, w радианная частота, ε это энергия, k _B постоянная Больцмана, τ - время релаксации носителя, T это температура ( T =300 K в нашей статье), ℏ - приведенная постоянная Планка, а E _f - энергия Ферми. Формула Кубо (2) показывает, что поверхностная проводимость сложного графена может регулироваться энергией Ферми E _f . Энергия Ферми графена каждого слоя может индивидуально контролироваться напряжением смещения, соотношение между E _f а напряжение смещения можно записать как [41, 42]:

где v _F =0,9 × 10 ⁶ м / с - скорость Феми, V ₀ это смещение напряжения [41], \ ({a} _0 =\ frac {\ varepsilon_0 {\ varepsilon} _d} {ed} \), a ₀ - емкостная модель конструкции, где ε ₀ - диэлектрическая проницаемость в вакууме. ε _d диэлектрическая проницаемость диэлектрика, d высота диэлектрика, а e это заряд электрона. V _n ( V ₁ ~ V ₉ ), то есть напряжение, приложенное к графену, может быть получено из дополнительной схемы рис. 1в. Согласно формулам (2) и (3) поверхностная проводимость графена может контролироваться приложенным напряжением. Тогда, исходя из закона Ампера в стационарном режиме и закона Ома, диэлектрическая проницаемость графена может быть получена как [43]:

В котором t _г - толщина графена, ε ₀ - диэлектрическая проницаемость вакуума, а σ _г - поверхностная проводимость графена. Согласно формуле (4) диэлектрическая проницаемость графена может быть получена по поверхностной проводимости, которая также может быть получена с помощью приложенного напряжения. Таким образом, формула (2–4) показывает, что электромагнитные свойства графена могут динамически контролироваться приложенным напряжением, что приводит к тому, что характеристики поглощения структуры также можно динамически контролировать.

Чтобы исследовать характеристики поглощения спроектированной структуры, мы проводим численное моделирование с использованием двумерного FDTD. В нашем моделировании мы устанавливаем для структуры периодическое граничное условие в направлении x. Луч плоской волны терагерцового диапазона падает на модель нормально вдоль z направление с его электрическим полем E вдоль x направление. Граничное условие Блоха применяется к наклонному падению в периодической структуре. Мы используем 1-R-T для расчета поглощения модели, где R и T представляют коэффициент отражения и коэффициент пропускания соответственно. Поскольку толщина металла намного больше глубины проникновения света в металл, коэффициент пропускания T равен нулю. Таким образом, мы упрощаем формулу расчета для 1-р.

Результаты и обсуждение

Во-первых, мы настраиваем напряжение каждого слоя графена для достижения идеального поглощения (сверху вниз мы точно настраиваем энергию Ферми E _f каждого графенового слоя до 0,9, 0,9, 1,1, 0,8, 0,8, 1,1, 1,1, 0,9 и 0,8 эВ). Как показано на рис. 2, от 3 до 7,8 ТГц предложенная структура имеет широкополосное поглощение более 90% в полосе пропускания 4,8 ТГц. Полнота поглотителя составляет 5,4 ТГц. Пропускная способность составляет примерно \ (\ frac {BW} {f_0} \ times 100 \% \) =88,8% от центральной частоты (здесь BW - пропускная способность, а f ₀ центральная частота). Мы также рассчитали среднюю поглощающую способность поглотителя, которая составляет 96,7%. С другой стороны, с E _f =0 эВ, предлагаемая структура будет почти идеальным отражателем с отражением более 90% во всей рабочей полосе частот, а в высокочастотном диапазоне (примерно на 5,5 ТГц позже) отражение даже более 97%. Конечно, мы также можем настроить напряжение каждого слоя графена, чтобы получить желаемую амплитуду, которая может иметь потенциальное применение в некоторых областях.

Расчетные спектры поглощения предлагаемого поглотителя, где синяя линия представляет поглощение при высоком напряжении, а красная линия указывает поглощение без приложенного напряжения

Чтобы объяснить почти идеальное поглощение в сверхширокой полосе пропускания, сначала обсудим ситуацию с одним слоем графена. Как показано на рис. 3а, мы проектируем структуру только с одним единственным слоем графена, встроенным в диэлектрик. На основе поверхностных плазмонов графена мы исследуем влияние параметров, связанных с графеном, на характеристики поглощения поглотителя, включая энергию Ферми E _f , ширина W , а позиция t графена.

а Принципиальная схема однослойной структуры графена. б - г Поглощение структурой шириной разной энергии Ферми E _f , ширина W , и позиция t листа графена соответственно

На рисунке 3b показано влияние энергии Ферми графена E . _f на спектре поглощения при фиксированном W и t . По мере увеличения E _f , поверхностный плазмонный резонанс графена усиливается, соответственно увеличивается и поглощение структуры. Пик поглощения даже более 99% при 4,3 ТГц с E _f =1,1 эВ. И пик резонансного поглощения перемещается на более высокую частоту, синий сдвиг. Точно так же на рис. 3в, г показан спектр поглощения структуры с разными значениями W или t с неизменным E _f . Изменяя W или t графенового слоя соответственно изменяются амплитуда и частота резонансного пика. Это явление можно объяснить теорией схем [28]. В этой теории графен описывается как шунтирующая проводимость, тогда эквивалентная схема структуры может быть смоделирована с помощью линий передачи и проводимости графена. Согласно предыдущей работе [28] адмиттанс графена может быть изменен на ширину W и энергия Ферми E _f графена. Кроме того, проводимость линий передачи, соответствующих диэлектрику, связана с толщиной диэлектрика. В нашей структуре диэлектрик разделен слоем графена. Таким образом, позиция t слоя графена также влияет на входную проводимость структуры.

Как мы обсуждали выше, из-за влияния параметров, связанных с графеном, на входную проводимость структуры также влияют пики резонансного поглощения модели. Если входная проводимость структуры совпадает с проводимостью в свободном пространстве, достигается почти идеальное поглощение на определенной частоте.

Затем, чтобы достичь широкополосного поглощения, нам нужно сделать так, чтобы пики резонансного поглощения, которые достигают согласования проводимости, были близки друг к другу. Поскольку пики поглощения достаточно близки для слияния, получается широкополосное поглощение. Поэтому мы добавляем слои графена, чтобы получить больше пиков резонансного поглощения. И в то же время мы настраиваем параметры, которые влияют на пик резонанса, включая E _f , Вт , и t для реализации согласования допуска. Сначала добавляем два слоя графена. Как показано на рис. 4а, три слоя графена с разной шириной W встроены в диэлектрик. Есть некий интервал t между разными слоями графена или нижним графеном из диэлектрика. Мы настраиваем параметры, связанные с графеном, на соответствующие значения, где мы устанавливаем t =2 мкм, E _f =0,9 эВ и W =26, 21 и 20 мкм соответственно (снизу вверх).

а Принципиальная схема трехслойной структуры графена. б Расчетные спектры поглощения трехслойной структуры графена

Как показано на рис. 4b, структура имеет почти идеальную ширину полосы поглощения 1,3 ТГц с центральной частотой 5,25 ТГц. Получены три резонансных пика на 4,7, 5,2 и 5,7 ТГц, соответствующие амплитуде поглощения 99,9, 99,9 и 99,1% соответственно. Чтобы достичь сверхширокополосного поглощения, аналогичного трехслойной структуре графена, мы добавляем больше слоев графена и настраиваем параметры графена для каждого слоя графена до соответствующих значений. Мы предполагаем, что конструктивные параметры зафиксированы и производство завершено; мы можем динамически регулировать энергию Ферми графена для достижения широкополосного поглощения. Основываясь на принципе согласования импедансов и опыте исследования трехслойной структуры графена, мы сначала предполагаем, что уровень Ферми каждого слоя графена равен 1 эВ. Как показано на рис. 5 (а), поглощение большинства полос превышает 90%, за исключением полос «1» и «2». На рис. 5 (a – e) показан процесс постепенной регулировки для идеального поглощения полос «1» и «2». Согласно рис. 6e, f, в поглощении последней полосы «1» преобладает четвертый слой (снизу вверх), поэтому мы настраиваем энергию Ферми этого слоя индивидуально. Как показано на рис. 7, когда энергия Ферми составляет 0,8 эВ, характеристики поглощения являются наилучшими. Это связано с тем, что энергия Ферми влияет на импеданс графена, а затем влияет на входной импеданс всей структуры. Большая или меньшая энергия Ферми графена приведет к рассогласованию импеданса. От a до b мы улучшили характеристики поглощения полосы «1» (в полосе перед «1» кривые a и b приблизительно перекрываются). Точно так же мы обнаруживаем, что распределение энергии в полосе «2» в основном сосредоточено на 5-м, 8-м и 9-м слоях. Сначала мы установили энергию Ферми 8-го и 9-го слоев графена равными 0,9 и 0,8 эВ соответственно. Как показано на рис. 5, от b до c, помимо провалов «3» и «4», поглощение оставшейся полосы в «2» составляет более 90%. Затем, согласно рис. 6в, на провал «3» в основном влияет 5-й слой графена, мы устанавливаем энергию Ферми равной 0,8 эВ. От c до d характеристики поглощения при падении «3» также улучшились. Однако, согласно рис. 6г, на провал «4» влияют все слои графена. Поэтому мы регулируем энергию Ферми оставшегося графенового слоя до подходящего значения. От d до e достигается почти идеальное широкополосное поглощение. По сравнению с трехслойной структурой графена, показанной на рис. 4, получается больше пиков резонансного поглощения, пики поглощения разных частот близки друг к другу и накладываются друг на друга, образуя сверхширокополосное поглощение более 90% с шириной полосы 4,8 ТГц.

(a) - (e) показывают постепенный процесс настройки для идеального поглощения. Энергия Ферми каждого слоя графена (снизу вверх) задана как (a) [1] эВ, (b) [1, 1, 1, 0.8, 1, 1, 1, 1, 1] эВ, (c ) [1, 1, 1, 0.8, 1, 1, 1, 0.9, 0.8] эВ, (г) [1, 1, 1, 0.8, 0.8, 1, 1, 0.9, 0.8] эВ и (д) [0,9, 0,9, 1,1, 0,8, 0,8, 1,1, 1,1, 0,9, 0,8] эВ

а - е Распределения амплитуды электрического поля (| E |) предлагаемого поглотителя на разных частотах

Спектры поглощения с разными E _f четвертого слоя графена и при неизменном E _f других слоев графена

Чтобы понять физический механизм сверхширокополосного почти идеального поглощения, мы также даем подробный расчет и анализ распределений амплитуды электрического поля (| E |) предлагаемой структуры на различных рабочих частотах. Как показано на рис. 6, энергия светового поля ограничена между различными слоями графена и диэлектрика, что приводит к сильному поглощению. Характеристики распределений электрического поля согласуются со спектром поглощения, показанным на рис. 2. На определенной частоте, например, на рис. 6b показано, что ограничение электрического поля в основном связано с сильной связью графена и диэлектрика из-за возбуждения. локализованного поверхностного плазмона (LSP), рис. 6d показывает, что поверхностная плазма графена играет главную роль в ограничении электрического поля. Возбуждение локализованного поверхностного плазмона (LSP) и поверхностной плазмы графена вместе способствуют сильному поглощению. Рис. 6a, b, d и рис. 6c, e, f показывают, что сильная связь между графеном и диэлектриком на определенной частоте может быть вызвана многослойным графеном или однослойным графеном соответственно. Накладывание высокого поглощения на разных частотах создает широкополосное поглощение под действием всех слоев графена.

Чтобы лучше проиллюстрировать эффект суммирования, например, согласно рис. 6e, f, в поглощении последней полосы (примерно на 6,5 ТГц позже) в основном преобладает четвертый слой графена (снизу вверх). Итак, настраиваем напряжение этого слоя графена. Как показано на рис. 7, с увеличением энергии Ферми четвертого слоя графена амплитуда поглощения полосы после примерно 6.5 ТГц постепенно увеличивается, но почти не изменяется в полосе до 6.5 ТГц. Точно так же мы можем независимо отрегулировать определенную полосу, на которую в основном влияют другие слои графена. Все полосы, которые можно независимо настраивать на высокое поглощение, в конечном итоге накладываются друг на друга, образуя широкополосное поглощение. Как и в случае с анализом рис. 7, явление независимой регулировки дополнительно иллюстрирует, что эффект суммирования всех слоев графена обеспечивает почти идеальное широкополосное поглощение.

Как обсуждалось выше, сильная связь между графеном и диэлектриком играет важную роль в широкополосном поглощении. В практических приложениях мы надеемся, что широкополосное поглощение нечувствительно к углам падения. Как показано на рис. 8, мы исследуем влияние углов падения на поглотитель. Из рис. 8 видно, что предлагаемый поглотитель нечувствителен к углам падения. Хотя угол падения изменился до 30 °, характеристики поглощения практически не пострадали. При увеличении угла падения до 50 °, хотя эффективность поглощения снижается, поглотитель по-прежнему сохраняет высокое поглощение более 90% во всей рабочей полосе пропускания. Следовательно, поглотитель может хорошо работать с высокой эффективностью поглощения в большом диапазоне углов падения.

Расчетные спектры поглощения поглотителя при разных углах падения

Наконец, учитывая трудности изготовления многослойной структуры, мы обсуждаем влияние соответствующих параметров структуры на характеристики поглотителя. На рис. 9а, б представлены спектры поглощения предлагаемого поглотителя с различной толщиной диэлектрического слоя H . ₁ и с разной толщиной SiO ₂ слой H ₂ , соответственно. Как показано на рис. 9a, наиболее подходящая высота диэлектрика H ₁ составляет 21 мкм. Исходя из этого, H ₁ увеличиваются или уменьшаются на 0,5 мкм, характеристики поглотителя практически не меняются. Даже если H ₁ изменяется на 1 мкм, поглотитель по-прежнему сохраняет поглощение выше 90% в большинстве полос, за исключением полосы около 7 ТГц. Как показано на рис. 9b, по сравнению с H ₁ , поглотитель более чувствителен к высоте SiO ₂ H ₂ . Даже в этом случае, помимо диапазона около 6 и 7,1 ТГц, поглотитель также сохраняет хорошие характеристики в большинстве диапазонов. Как обсуждалось выше, мы можем обнаружить, что, хотя толщина диэлектрического слоя и SiO ₂ При изменении слоя даже в микронном масштабе поглотитель по-прежнему сохраняет хорошие характеристики поглощения в большинстве длин волн, что значительно повысит надежность поглотителя при изготовлении.

Смоделированные спектры поглощения предлагаемого поглотителя с разной толщиной диэлектрического слоя и с разной толщиной SiO ₂ слой, соответствующий a и b

Выводы

В этой статье мы предлагаем сверхширокополосный перестраиваемый терагерцовый поглотитель на основе графена, состоящий из многослойных графен / диэлектрик. Предлагаемый поглотитель может обеспечить широкополосное поглощение более 90% с шириной полосы 4,8 ТГц за счет изменения энергии Ферми E _f различных слоев графена. С помощью E _f =0 эВ, предлагаемая конструкция будет почти идеальным отражателем с отражением более 90% во всей рабочей полосе частот 3–7,8 ТГц. Сверхширокополосное поглощение приписывается эффекту суммирования сильного резонансного поглощения на разных частотах, возбуждаемого локализованными поверхностными плазмонами (LSP) и поверхностными плазмонами графена. Кроме того, предлагаемый поглотитель нечувствителен к углам падения, и мы также обнаружили, что толщина диэлектрического слоя и SiO ₂ слой мало влияет на характеристики поглощения, что более полезно для практического применения. Кроме того, предлагаемый поглотитель прост и не зависит от графена со сложной структурой, а ширина полосы пропускания может быть расширена за счет добавления дополнительных слоев графена. Этот настраиваемый широкополосный поглотитель может найти широкое применение в фотодетекторах, формирователях изображений и модуляторах.

Сокращения

FDTD:

Конечная разность во временной области

LSP:

Локализованный поверхностный плазмон