Das Team demonstriert einen ultrabreitbandigen, abstimmbaren Terahertz-Absorber aus Graphen und hierarchischen plasmonischen Metamaterialien

Perfekte Absorption entsteht durch die starke Wechselwirkung von Valenzelektronen mit Licht in einem leitenden Material. Optisches Metamaterial ist ein effektiver Ansatz zur Nutzung der überlegenen Photoneneinfangfähigkeit. Somit könnten die perfekten Absorber durch nanoskalige resonante plasmonische und Metamaterialstrukturen erreicht werden.

Ein Metamaterial-Perfektabsorber (MPA) besteht typischerweise aus periodischen Subwellenlängenmetallen (z. B. plasmonischen Superabsorbern) oder dielektrischen Resonanzeinheiten. Im Vergleich zu statischen passiven physikalischen Systemen können abstimmbare Metamaterialien elektromagnetische Wellen dynamisch manipulieren und so die mehrdimensionale Kontrolle der optischen Reaktion verbessern. Es gibt zwei typische Strategien, um einstellbare Eigenschaften in Metamaterialien zu erreichen: mechanische Rekonstruktion und Veränderung der Gitterstrukturen der Metamaterialien.

Im Gegensatz zu diesen klassischen Methoden bietet die Kombination von Funktionsmaterialien und Metamaterialstruktur eine Möglichkeit, die optischen Eigenschaften von Materialien durch äußere Reize zu verändern und weist eine schnellere Reaktionsgeschwindigkeit auf. Als typisches abstimmbares Funktionsmaterial verfügt Graphen über hervorragende mechanische, elektrische und optische Eigenschaften. Der Einbau von Graphen in Metamaterialstrukturen kann die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie erheblich verbessern.

In diesem Sinne hat die Gruppe von Professor Weiping Wu einen neuartigen abstimmbaren Ultrabreitband-Terahertz-Absorber demonstriert, der die einzigartigen Eigenschaften von Graphen und hierarchisch strukturierten plasmonischen Metamaterialien nutzt. Die Forschungsarbeit des Teams ist veröffentlicht im Tagebuch Erweiterte Geräte und Instrumentierung.

Die Metamaterialstruktur besteht aus abwechselnd T-förmigen Goldbarren/-quadraten, einer dielektrischen Schicht sowie einer Graphenschicht auf einer Goldschicht. Die durchschnittliche Absorption des MPA erreichte 90 % über einen extrem breiten Frequenzbereich von 20,8 THz bis 39,7 THz. Der Ursprung der Breitbandcharaktere wird anhand elektrischer Felddiagramme analysiert und die Modulation des Absorptionsfensters durch Graphen untersucht. Darüber hinaus werden die Einflüsse verschiedener Parameter auf die Ergebnisse untersucht und die mögliche Anwendung dieser Struktur im Bereich der Optoelektronik diskutiert.

Abschließend werden einige kürzlich veröffentlichte Breitbandabsorber im THz-Ferninfrarotband verglichen und mit den Ergebnissen der vorliegenden Arbeit analysiert. Der vorgeschlagene Metamaterial-Breitbandabsorber weist eine höhere durchschnittliche Absorption und einen größeren Frequenzbereich auf. Die vorgeschlagene Struktur weist nur eine Schicht aus gemustertem Gold auf, was im Hinblick auf die Herstellung große Vorteile im Vergleich zu anderer Literatur bietet.

Abschließend wird ein neuartiger ultrabreitbandiger abstimmbarer Terahertz-Absorber aus Graphen und hierarchisch strukturierten plasmonischen Metamaterialien vorgeschlagen und untersucht, und eine nahezu perfekte Ultrabreitbandabsorption von 20,8 THz bis 39,7 THz wird numerisch untersucht. Der vorgeschlagene Absorber wird durch die abwechselnde Anordnung von zwei unterschiedlich großen Goldstrukturen in jeder Elementarzelle realisiert. Die Bandbreite über 90 % Absorption der Breitbandabsorber beträgt etwa 18,9 THz.

Durch Anpassen des Fermi-Energieniveaus des Graphens kann die Position des Ultrabreitbands abgestimmt werden. Darüber hinaus werden die Auswirkungen geometrischer Parameter auf die Absorptionsspektren des Absorbers quantitativ analysiert. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass der in dieser Arbeit vorgeschlagene Metamaterial-Absorber zu weiteren Verbesserungen im Bereich der abstimmbaren Filterung, Detektoren, kontrollierten Wärmestrahlung und anderen photonischen Geräten führen kann.