基于极化不敏感石墨烯的可调谐超表面太赫兹双频吸收器

《IEEE Transactions on Nanotechnology》：Polarization Insensitive Graphene Based Tunable Metasurface Terahertz Dual-Band Absorber

一种基于石墨烯的超表面宽带吸收器通过双椭圆结构实现0.682-1.798 THz和4.187-4.947 THz双波段高吸收（>90%），兼具极化不敏感和45°大入射角耐受性。该结构采用聚酰亚胺基板（εr=3.5）与超薄金层结合，通过门电压调控载流子弛豫时间和费米能级实现电子调谐，传输线模型与FEM仿真验证了吸收特性。

　　

摘要：

本文介绍了一种基于电子调谐的宽带超表面吸收器，其单元结构采用石墨烯材料，适用于低太赫兹（0.1 THz–10 THz）频段。表面等离子体效应以及石墨烯的可控导电性使其成为这一应用的理想选择。在0.682至1.798 THz（带宽占比90%）和4.187至4.947 THz（带宽占比16%）的范围内，该吸收器实现了超过90%的吸收率。该吸收器对偏振状态和倾斜入射（最大角度45°）具有优异的抗干扰能力。单元结构由一层双椭圆交叉结构的石墨烯单层组成，基底为聚酰亚胺（介电常数：3.5，损耗正切：0.0024），背面覆盖着一层超薄金层。通过四个半圆形槽结构引入的等离子体共振效应，使得该吸收器在4.15至4.95 THz范围内具有吸收特性。吸收性能通过传输线模型和有限元方法（FEM）进行了验证。调谐能力主要通过控制栅极电位、载流子弛豫时间以及费米能级的变化来实现。

引言

超材料（MTMs）是由重复排列的单元结构组成的人工结构，每个单元的尺寸均远小于波长。由于在太赫兹（THz）频段具有优异的特性（如非对称传输、交叉偏振转换和负折射率），超材料在吸收器设计中得到了广泛应用。微测辐射热计、光谱成像设备、光电探测器、折射率传感器、热成像系统、红外（IR）发射器、生物传感技术以及太阳能电池等均可从超材料的特殊性能中受益，这些性能包括超薄厚度、可调谐性和接近完美的吸收率[1]、[2]、[3]、[5]。宽带抗反射涂层、电磁屏蔽装置、宽带传感器和调制器等应用均需要具有宽频带的吸收器[6]、[7]。通常有两种主要方法来扩展吸收器的带宽：一种是构建由多个不同尺寸谐振器组成的共面结构；另一种是垂直堆叠多层金属-介质结构。与可见光或近红外波段的超材料相比，低太赫兹频段（0.1 THz至10 THz）中的等离子体应用（使用金（Au）和银（Ag）等贵金属）表现出更强的阻尼效应，这主要是由于这些金属具有较高的自由电子密度以及由此产生的电子-电子散射现象。然而，这类材料也存在较大的欧姆损耗和缺乏可调谐性等缺点，限制了其在光学处理设备中的应用[8]。一些潜在的替代方案包括掺杂半导体[9]、超材料结构以及活性可调谐材料，如石墨烯、二氧化钒（VO2）、锑化铟（InSb）、钛酸锶（STO）和相变化合物GST225[10]。