Четырехполосный терагерцовый метаматериальный поглотитель с перфорированным прямоугольным резонатором для высокопроизводительного сенсирования

Аннотация

Одноразмерный метаматериальный дизайн на основе перфорированного прямоугольного резонатора над золотой подложкой и тонким лоссивым диэлектрическим слоем дает четыре острых терагерцовых пика поглощения. Три пика достигают среднего поглощения 97,80%, а четвертый пик обладает исключительным качественным фактором 98,33. Детальный анализ ближнего поля раскрывает различные резонансные моды, а фигура качества (FOM) четвертой полосы достигает 101,67 — значительно выше сопоставимых терагерцовых поглотителей. Этот компактный многорежимный поглотитель показывает большой потенциал для передовых сенсирования, визуализации и сбора энергии.

Обзор литературы

Метаматериалы с суб- или глубоко субволновыми признаками открыли электромагнитные отклики, недоступные натуральным материалам. Эти спроектированные отклики лежат в основе широкого спектра устройств, от невидимости до идеальных поглотителей. Метаматериальные поглотители особенно привлекают интерес благодаря способности достигать близкого к идеальному поглощения в широком диапазоне частот.

Ранние работы группы Бостон-колледжа pioneering микроволновый поглотитель с лоссивым диэлектриком между электрическим кольцевым резонатором и металлическим проводником. Последующие исследования изучали различные геометрии резонаторов — сложенные линии, крестообразные, квадратные заплатки — однако большинство дизайнов показывали однополосное поглощение, ограничивая практическую пользу. Многополосные поглотители появились путем комбинирования нескольких резонаторов в копланарных или слоистых конфигурациях, достигая двух-, трех- или четырехполосной производительности. Однако эти подходы обычно требуют различных размеров резонаторов для каждой полосы, увеличивая сложность проектирования и стоимость fabricación.

Здесь мы демонстрируем, что одноразмерный резонатор, возмущенный тщательно спроектированной перфорацией, может поддерживать четырехполосное поглощение. Перфорированный прямоугольный резонатор на золотом зеркале, разделенный лоссивым диэлектриком, демонстрирует четыре узкополосных пика с высоким поглощением и исключительными Q-факторами. Анализируем базовую физику через распределения ближнего поля и оцениваем сенсорные способности, раскрывая объемную чувствительность к преломлению 3,05 ТГц/RIU и FOM 101,67 для режима с наивысшим Q.

Методы

Рис. 1a показывает вид сбоку элементарной ячейки: перфорированный прямоугольный резонатор (рис. 1b) лежит над 9 мкм толстым лоссивым диэлектриком (ε = 3(1 + 0,05 i)) и 0,4 мкм золотой подложкой (σ = 4,09 × 10⁷ С/м). Размеры резонатора: l = 80 мкм, w = 40 мкм; перфорация: l₁ = 25 мкм, l₂ = 35 мкм со смещением δ = 18 мкм. Периоды решетки: P_x = 100 мкм, P_y = 60 мкм.

FDTD-моделирование (FDTD Solutions) с нормально падающей плоской волной (E по x- оси) в диапазоне 0,2–3,0 ТГц. Периодические граничные условия по x и y, идеально согласованные слои по z.

Результаты и обсуждение

Рис. 2a показывает спектр поглощения: четыре четких пика при 0,84 ТГц (A), 1,77 ТГц (B), 2,63 ТГц (C) и 2,95 ТГц (D). Первые три пика имеют среднее поглощение 97,80%; четвертый пик дает 60,86% поглощения с полосой (FWHM) 0,03 ТГц, Q-фактор 98,33. Остальные три пика имеют Q-факторы 6,46, 13,62 и 26,32.

Сравнение перфорированного резонатора с неперфорированным аналогом (рис. 3a,b) показывает, что перфорация вводит два дополнительных высоко-Q моды (B и D), сохраняя фундаментальную и третью моды (A и C). Ближнеполевые распределения (рис. 4) подтверждают, что моды A и C соответствуют первой и третьей порядку локализованным резонансам перфорированной структуры, тогда как моды B и D возникают из асимметрии, вводимой перфорацией, локализуя поля на правой и левой секциях резонатора соответственно.

Распределения полей (рис. 4) показывают, что первая (A) и третья (C) моды концентрируют электрические поля вдоль краев резонатора, а новые моды (B и D) локализуют поля на правой и левой секциях. Эта перераспределение ближних полей — ключевой механизм, позволяющий четырехполосный отклик с одним резонатором.

Расширение симуляции до 8 ТГц (рис. 2b) подтверждает, что дополнительных высокопоглощающих пиков сверх четырех идентифицированных мод не возникает, подтверждая надежность одноразмерного четырехполосного дизайна.

Для оценки сенсорных свойств поглотитель накладывали на среды с переменным преломлением (рис. 5a). Моды C и D заметно сдвигаются с n, тогда как A и B остаются практически стационарными. Чувствительности: 1,15 ТГц/RIU для моды C и 3,05 ТГц/RIU для моды D. Соответствующие FOM = S/FWHM составляют 11,5 и 101,67 для мод C и D — далеко превосходя значения для терагерцовых поглотителей. Высокий FOM в сочетании с высоким Q-фактором моды D делает структуру идеальной для газового, материаловедческого и биомедицинского сенсирования.

Заключения

Представлен одноразмерный четырехполосный терагерцовый поглотитель на основе перфорированного прямоугольного резонатора на золотой подложке с лоссивым диэлектрическим промежутком. Устройство дает четыре узкополосных резонанса, три пика с поглощением >97,80% и четвертый с Q-фактором 98,33. Анализ ближнего поля атрибутирует каждую моду отдельному локализованному резонансу, подтверждая роль перфорации в генерации дополнительных полос. Поглотитель демонстрирует объемную чувствительность к преломлению 3,05 ТГц/RIU и FOM 101,67 для режима с наивысшим Q, превосходя существующие терагерцевые сенсоры. Эти атрибуты — высокий Q, большой FOM, компактный дизайн — делают структуру высокопригодной для детектирования газов, характеристики материалов и биомедицинской диагностики.

Аббревиатуры

EM:

Электромагнитный

FOM:

Фигура качества

Q:

Качественный фактор

S:

Чувствительность сенсирования