Terahertz (THz) teknologi är användbar i applikationer som biomedicinsk bildbehandling, telekommunikation och avancerade avkänningssystem. Men på grund av den unika naturen hos elektromagnetiska vågor i området 0.1 till 10 terahertz, har det varit svårt att utveckla högpresterande komponenter som visar den verkliga potentialen hos terahertz-teknik. Även designen av väsentligen komponentlösa delar som filter och absorbenter är fortfarande en stor utmaning.
Lyckligtvis kan uppkomsten av metamaterial leda till innovativa lösningar på dessa problem. Tack vare framsteg inom tillverknings- och bearbetningsteknologier är det nu möjligt att tillverka tvådimensionella (2D) mönstrade mikrostrukturer med unika elektromagnetiska egenskaper i terahertzområdet, vilket möjliggör oöverträffad kontroll av signaler vid dessa frekvenser.
Även om en mängd olika 2D-metamaterial (eller "hypersytor") har föreslagits för vågabsorberande material, har de flesta av dem fortfarande allvarliga begränsningar. Ett vanligt problem är att när de strukturella tillstånden för ett hyperytabsorberande material har identifierats och tillverkats, är dess elektromagnetiska egenskaper fixerade.
Denna icke-avstämbarhet begränsar möjliga tillämpningar av sådana enheter. Å andra sidan, även om avstämbara metallbaserade hypersurface-absorbenter finns, avråds användningen av tunna metallskikt. Detta beror på flera nackdelar, såsom svårigheten att tillverka de nödvändiga strukturerna och den dåliga prestandan på grund av metallernas inneboende egenskaper.
I detta sammanhang har Dr. Wenhan Caos team vid Shanghai University of Science and Technology utvecklat en ny kolbaserad avstämbar metasytabsorbator med en ultrabred avstämbar bandbredd i terahertz-området. Denna forskning regisserad av Dr Wenhan Cao publicerades nyligen i Advanced Photonics Nexus.
"Absorbatorns kärna använder grafen- och grafitmikrostrukturer som resonatorer och grafitskikt som bakåtreflekterande ytor." Dr Wenhan Cao förklarar, "De återkommande subenheterna (eller "cellerna") i denna terahertz-metasytabsorbator har utformats strategiskt för att optimera absorptionseffektiviteten baserat på fyra huvudfaktorer: geometri, materialegenskaper, polarisationskänslighet och avstämningsmekanism."
Geometrimässigt består absorbenten av tre tunna lager. Det översta lagret är ett mönstrat ledande lager som innehåller koncentriska grafitringar sammankopplade med grafentrådar; det andra lagret är ett enkelt dielektrikum som hjälper till att skingra oönskade elektromagnetiska vågor; och det tredje skiktet är ett absorberande skikt som förhindrar terahertzvågor från att penetrera direkt genom anordningen, vilket maximerar absorptionseffektiviteten.
Materialvalet och geometriska utformningen av absorbatorn optimeras genom numerisk analys och simulering, vilket bidrar till dess anmärkningsvärda absorption i terahertzområdet. En nyckelegenskap hos den föreslagna absorbatorn är dess avstämbarhet, som härrör från de avstämbara Fermi-energinivåerna. Denna parameter är avgörande i material och halvledarteknik eftersom den bestämmer fördelningen av elektroner i olika energinivåer.
Genom att lägga en spänning på ett grafenlager är det möjligt att ändra dess Fermi-energinivå och på så sätt enkelt finjustera absorptionsbandbredden. Dr. Wenhan Cao betonade: "Vid en Fermi-energinivå på 1 eV kan den föreslagna absorbatorn uppnå en häpnadsväckande bred bandbredd på 8,99 THz, vilket ger mer än 90 % absorption i frekvensområdet 7,24 till 16,23 THz, med två distinkta resonanstoppar vid 8,35 THz och 14,70 THz."
En annan betydande fördel med den föreslagna konstruktionen är dess okänslighet för den infallande strålningens polarisationsvinkel. Användningen av koncentriska cirklar i absorbatorns cell ger naturligtvis denna gynnsamma egenskap. Cirkeln, som har en perfekt symmetrisk form, gör att absorbatorn kan bibehålla en hög absorptionshastighet vid infallsvinklar upp till 50 grader.
Kort sagt, de många fördelarna med den föreslagna designen i kombination med dess enkelhet representerar ett verkligt genombrott inom terahertz-teknologin." Den föreslagna absorbatorn erbjuder en ultratunn, enkel metallfri struktur med en bred avstämbar absorptionsbandbredd vid låg tjocklek, vilket mycket förbättrar dess användbarhet Dessa fördelar överträffar andra rapporterade absorbatorer.
Inom en snar framtid kommer terahertz-enheter att bli en del av vardagsteknologin, särskilt inom områden som medicin och kommunikation, såväl som mer forskningsinriktade områden som materialvetenskap och biologi.
