基于强电场耦合原理，采用单层石墨烯结构制成的可调宽带太赫兹超材料吸收器

《Micro and Nanostructures》：Adjustable broadband terahertz metamaterial absorber with a single layer graphene structure made base on the principle of strong electric field coupling

本论文提出一种由金层、二氧化硅绝缘层和特殊图案石墨烯层构成的三层超材料宽频吸收器。仿真显示在0.9 eV费米能级和0.1 ps弛豫时间的石墨烯参数下，1.75-4.85 THz频段内吸收率超过90%，其中1.97 THz和4.32 THz吸收率达93%和97%。通过阻抗计算和电场分布分析，揭示了耦合效应导致的宽频吸收机制，并验证了结构参数可调性、极化不敏感性和抗入射角偏移特性，为太赫兹领域应用提供新方案。

　　

魏子航|易迎婷|杨华|易昭|易有根

中南大学物理学院材料科学与工程学院，中国长沙410083

摘要

本文提出了一种新型石墨烯宽带吸收器，其结构由底部的金层、中间的二氧化硅介电层以及顶部的特殊石墨烯图案组成。当石墨烯的费米能级（Ef）为0.9电子伏特，且松弛时间为0.1皮秒时，在1.75 THz至4.85 THz的频段内，该吸收器的吸收率在大多数情况下可超过90%。在f=1.97 THz和f=4.32 THz时，吸收率分别为93%和97%，平均吸收率为93.7%。通过计算阻抗来解释吸收峰的形成，并通过分析电场图像发现，吸收峰的叠加是由于耦合效应导致的宽带吸收现象。值得注意的是，这种结构具有优异的可调节性以及对入射角度变化的良好容忍度，因此在许多领域具有潜在的应用价值。

引言

超材料被定义为一种自然界中不存在的人造三层复合结构[1]。超材料的特性由其人工结构决定[2]，它具有许多传统材料所不具备的优势，如更薄的厚度[3]、可在不同频率范围内广泛应用[4][5]，以及独特的负折射率特性[6]。因此，近年来超材料成为研究的热点[7]。由于其独特的性质，人们开始将超材料用于吸收器的制造[8][9]。2008年，Landy等人使用由两层金属和一层绝缘层组成的三层结构超材料来吸收微波波段的电磁波[10]。Tao等人发明了首个基于超材料的太赫兹（THz）吸收器[11]。Amir Ali Mohammad Khani团队提出了一种基于水凝胶的THz波吸收器[12]。随着研究的深入，基于超材料的各种吸收器逐渐被提出，包括窄带/宽带、单带/多带、单结构/多结构类型[13][14]。Norouzi-Razani等人提出并研究了一种基于石墨烯和二氧化硅基底异质结构的多带完美吸收器[15]。Yang等人提出了一种由双槽硅纳米盘阵列组成的双频超窄完美吸收器[16]。Ai等人提出了一种基于圆形蚀刻方形窗口的四峰高角度倾斜不敏感表面等离子体共振石墨烯吸收器[17]。Shobhit K. Patel提出了一种在155 THz至425 THz范围内具有高吸收率的四结构级吸收器[18]。然而，超材料吸收器也存在一些问题，许多吸收器无法适应不同的入射角度，且许多吸收器仅适用于特定情况[19][20]。人们迫切需要找到一些可调的、对偏振不敏感的超材料吸收器，以便在宽角度入射下仍能保持高吸收率。

太赫兹（THz）的频率范围定义为0.1 THz至10 THz[21]。随着人们对太赫兹技术的了解加深，逐渐发现了其在成像技术、生物医学、安全防护和军事领域的应用价值[22]。然而，几乎所有天然材料在太赫兹波下的电磁响应能力较弱，这极大地限制了太赫兹技术的应用[23]。超材料因其良好的太赫兹频率下的电磁响应特性，为解决这一问题提供了方案[24]。近年来，基于超材料的多种太赫兹功能器件不断涌现[25][26]。但由于多种原因，这些功能器件在实际应用中仍存在诸多限制[27][28]。人们希望找到性能更优的太赫兹功能器件。作为一种经典的二维材料，石墨烯因其优异的特性而在多个领域具有广泛的应用前景[29][30][31]。作为著名的超材料，石墨烯被广泛用作吸收器的材料[32][33]。近年来，基于石墨烯的应用不断涌现，例如在传感和生物传感研究领域中的应用，利用石墨烯传感器检测甲烷[34]、有毒气体[35]、血液中的血红蛋白浓度[37]等。

本文提出了一种石墨烯宽带吸收器，其结构由金属-介电层-石墨烯三层组成。在1.75 THz至4.85 THz的频段内，其吸收率在大多数情况下超过90%。在f=1.97 THz和f=4.32 THz时，吸收率分别为约93%和97%。通过计算阻抗解释了高吸收率的形成机制。通过对电场分析发现，宽带吸收现象是由于结构各区域之间的电场相互作用所致。通过调整结构参数，研究了结构变化对其性能的影响，发现该结构具有较好的可调性、对偏振不敏感以及对不同入射角度的容忍度。这些优异性能表明该结构可应用于多个领域。

设计与建模

我们在图1中展示了吸收器的结构。该结构在xy平面上呈周期性排列，由三层组成。结构底部为金层，采用Durde模型，其介电常数可表示为[38]$$

其中ω表示角频率，ω_p=1.37×10¹⁶rad/s，γ=1.23×10¹⁴rad/s。金层的厚度h1=0.3微米，其趋肤深度为266纳米，因此该层可以完全阻挡电磁波的传播。

结果与讨论

利用上述公式和方法在CST Microwave Studio软件中对构建的吸收器进行仿真后，我们获得了一系列数据和图像，这些数据将用于后续讨论。本文中使用的石墨烯的化学势为0.9电子伏特，松弛时间为0.1皮秒，厚度设为1纳米，温度为293开尔文。在仿真过程中，X和Y方向设置周期性边界条件，Z方向设置开放边界条件。

结论

本文提出了一种以石墨烯为表面的宽带太赫兹吸收器，采用简单的三层结构，在1.75-4.85 THz范围内可实现高吸收率（超过90%）。通过分析结构的阻抗和电场分布解释了宽带吸收的原理，并通过调整结构的物理参数（如费米能级和松弛时间）展示了该结构的优异可调性。

作者贡献声明

易迎婷：软件开发、项目管理、方法论设计、数据管理。魏子航：初稿撰写、监督、方法论设计、资金筹集、数据管理。易有根：监督、方法论设计、资金筹集、数据管理。易昭：可视化处理、资源协调、实验研究、数据管理。杨华：结果验证、方法论设计、实验研究、概念构思

附加信息

关于潜在的财务利益冲突，作者声明不存在任何可能影响研究的财务利益关系。

利益冲突声明

我们声明与任何可能不当影响我们工作的个人或组织均无财务或个人关系，亦无任何可能影响本文“具有单层特殊石墨烯结构的可调宽带吸收器”研究内容或评审结果的专业或其他个人利益。

致谢

作者衷心感谢国家自然科学基金（项目编号51606158、12104402）的支持。