Переключаемая терагерцевая метаповерхность: двухрежимный поглотитель и поляризационный преобразователь на графине и золоте

Аннотация

Обычные терагерцевые (ТГц) метаповерхности обычно обеспечивают одну функцию: либо поглощение падающего излучения, либо изменение его поляризации. Представлен компактный, низкопрофильный многофункциональный прибор (МФП), который можно переключать между поглотителем с эффективностью >80 % и поляризационным преобразователем (ПП) с коэффициентом преобразования >90 % путем настройки химического потенциала графинового слоя. Структура интегрирует поглощающую метаповерхность на базе графена (ПМГ) с поляризационно-преобразующей метаповерхностью на базе золота (ППМЗ). В режиме ПП (μc = 0 эВ) прибор достигает коэффициента поляризационного преобразования (КПП) >0,9 на 2,11–3,63 ТГц, с пиком 53 % на 2,87 ТГц. В режиме поглощения (μc = 0,7 эВ) поглощение превышает 80 % на 1,59–4,54 ТГц, достигая 96,4 % на 3,06 ТГц. Исследованы физика процесса, механизм переключения и параметрическая устойчивость, подчеркивающие пригодность МФП для ТГц-изображения, 센сирования, фотодетекции и модуляции.

Введение

Терагерцевая технология во многом опирается на приборы, манипулирующие электромагнитными волнами. Поглотители рассеивают нежелательную энергию, а поляризационные преобразователи перестраивают волновые фронты для изображений, спектроскопии и связи. Недавние достижения в метаповерхностях — субдлинаволновых структурированных поверхностях — дали почти идеальные поглотители на золотых или графеновых резонаторах. Однако многие из этих конструкций узкополосны и функционально ограничены.

Графен со своей настраиваемой поверхностной проводимостью поддерживает поверхностные плазмон-поляритоны (ППП), модулируемые смещением напряжения, обеспечивая широкополосное поглощение. Аналогично, золотые L-образные и крестообразные структуры демонстрировали эффективное поляризационное преобразование в широких диапазонах. Тем не менее, ни одна из сообщенных систем не предлагала одновременно высокое поглощение и высокое ПП в одной переконфигурируемой платформе.

Для заполнения этого пробела предложена многофункциональная метаповерхность, переключаемая между режимами поглощения и поляризационного преобразования простой настройкой химического потенциала графена. Конструкция остается плоской, компактной и технологичной стандартными литографическими методами.

Методы

МФП состоит из трех слоев: поляризационно-преобразующей метаповерхности на золоте (ППМЗ), поглощающей метаповерхности на графене (ПМГ) и отражающего золотого подложки. ППМЗ представляет собой двойную L-образную золотую структуру на полимерном субстрате TOPAS; ПМГ состоит из массива 3 × 3 крестообразных графеновых щелей в том же полимере. Две метаповерхности разделены диэлектрическим зазором h1, а толщина полимера над ППМЗ — h0. Золотой подложка (200 нм) гарантирует нулевое прохождение, упрощая анализ до коэффициентов отражения.

Комплексная поверхностная проводимость графена описывается формулой Кубо:

σs = σint(ω,μc,Γ,T) + σinter(ω,μc,Γ,T)

где μc — настраиваемый химический потенциал. При μc = 0 эВ графен ведет себя как слабый диэлектрик; при μc = 0,7 эВ его высокая проводимость возбуждает ППП, сильно локализуя поле внутри ПМГ.

Полноволновое моделирование (CST Studio Suite, частотный решатель) моделирует периодическую элементарную ячейку с границами Флоке. Коэффициенты отражения ryy и rxy для y-поляризованного падения извлекаются для расчета КПП и поглощения:

КПП = |rxy|² / (|ryy|² + |rxy|²)
Погл = 1 – |ryy|² – |rxy|²

Моделирование при 300 К с временем релаксации импульса τ = 0,1 пс. Оптимизированные геометрические параметры: h0 = 17 мкм, h1 = 1,5 мкм, период ячейки p = 50 мкм, размеры элементов по оригинальному дизайну.

Типичная конфигурация многофункционального прибора (МФП).

Результаты, физические механизмы и обсуждение

Результаты

Моделируемые кривые КПП и поглощения подтверждают двухрежимную работу. В режиме ПП (μc = 0 эВ) КПП превышает 0,9 от 2,11 до 3,63 ТГц, поглощение остается ниже 30 %. В режиме поглощения (μc = 0,7 эВ) поглощение превышает 80 % между 1,59 и 4,54 ТГц, с пиком 96,4 % на 3,06 ТГц.

Расчет КПП и поглощения предложенного МФП. a Модель симуляции. b Расчетные результаты для режима ПП (синий) и режима поглощения (голубой). c Результаты для структуры без ПМГ (красный).

Физические механизмы

Карты электрического поля и токов иллюстрируют поведение переключения. При μc = 0 эВ поле концентрируется на L-образных элементах ППМЗ, индуцированные токи создают ортогональную поляризацию, подтверждая эффективное ПП. Напротив, при μc = 0,7 эВ поле локализуется в крестообразных графеновых щелях, генерируя сильные ППП, которые ловят и рассеивают энергию внутри ПМГ, приводя к высокому поглощению.

Распределения поля для режима ПП (μc = 0 эВ). a 2,56 ТГц. b 3,22 ТГц.

Распределения поля для режима поглощения (μc = 0,7 эВ). a 1,7 ТГц. b 3,3 ТГц.

Параметрические исследования

Вариация μc от 0 до 1 эВ настраивает прибор между режимами ПП и поглощения. КПП снижается с ростом μC, поглощение улучшается, пик при μc = 0,7 эВ. Анализ поляризационных и углов падения показывает, что прибор сохраняет >80 % поглощения для углов до 30° и высокое КПП для s-поляризации до 40°. Изменение вертикального зазора h1 незначительно влияет на режим ПП, но влияет на поглощение через изменение связи ППП.

Характеристики МФП для разных химических потенциалов (μc). a КПП. b Поглощение.

Поглощение в зависимости от углов поляризации. a Углы φ1 и φ2. b φ1. φ2.

КПП для s- и p-поляризованного падения в зависимости от угла.

Поглощение в зависимости от угла для s- и p-поляризованного падения.

Влияние вертикального зазора h1 на КПП (a) и поглощение (b).

Заключение

Демонстрирована компактная, настраиваемая метаповерхность, бесшовно переключаемая между >80 % поглощением и >90 % поляризационным преобразованием в диапазоне 1,6–4,6 ТГц управлением химического потенциала графена. Низкий профиль, простота фабрикации и устойчивая производительность при углах падения делают её сильным кандидатом для систем ТГц-изображения, 센сирования, фотодетекции и модуляции нового поколения.

Аббревиатуры

ПМГ

Поглощающая метаповерхность

КП

Круговая поляризация

ЭМ

Электромагнитная

ЛП

Линейная поляризация

МФП

Многофункциональный прибор

ПП

Поляризационное преобразование

ППМЗ

Поляризационно-преобразующая метаповерхность

КПП

Коэффициент поляризационного преобразования

ППП

Поверностные плазмон-поляритоны