在太赫兹范围内具有可切换吸收和偏振转换功能的多功能设备

介绍

能够调节电磁 (EM) 波的吸收器和偏振转换器是太赫兹技术的两个关键设备。它们在传感器、光电探测器和调制器中有着重要的应用，在医学成像/诊断、环境监测和监视、化学光谱、高分辨率雷达和高速通信中不可或缺 [1,2,3,4]。吸收器用于吸收和消散入射的电磁波，而偏振转换器具有对照射波的偏振态调节能力。这些器件近年来被广泛研究 [4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24 ].

超表面被发现在太赫兹波范围内具有完美的吸收 [5,6,7,8]。这种超表面可以由金图案或石墨烯图案构成。金图案包括耦合环谐振器和十字形结构[5]、十字形金谐振器[6]和三层十字形金谐振器[9]。然而，这些金超表面吸收器的带宽非常窄。石墨烯支持太赫兹范围内的表面等离子体 [10, 11]，是设计具有宽带宽的超表面吸收器的良好材料。鱼网石墨烯图案在 3.2 THz [12] 下实现了 59.4% 的带宽，具有混合等离子体共振的双环结构获得了 1.18-1.64 THz（32.6%）的带宽 [13]，九层不同尺寸的石墨烯带实现了从 3 到 7.8 THz (88.9%) [14] 的良好吸收，[15] 中蚀刻有孔的三层不对称图案石墨烯条具有 84.6% (4.7-11.6 THz) 的带宽。虽然单层过渡金属二硫属化物和周期性金属纳米槽阵列具有窄带宽，但它吸收光的角度很广[16]。在[17]中，将单层MoS2应用于氮化钛纳米盘阵列，在400-850 nm波段（72%）实现了98.1%的平均吸收率。

另一方面，超表面在偏振转换方面具有高性能。贵金属，例如金，对于基于超表面的偏振转换器设计具有很高的效率。 [18] 中带有两个金属光栅的双 L 形图案将线性偏振 (LP) 旋转 90°。 [18] 中转换器的带宽为 0.2–0.4 THz (66.7%)。双 L 形图案和具有类似 Fabry-Perot 共振的光栅实现了 0.55 至 1.37 THz (85.4%) 的带宽 [19]。三层超表面形成四分之一波转换器，将 LP 入射波转换为圆偏振 (CP) 波，带宽为 2.1–8 THz (116.8%) [20]。 [21]中的带状加载半椭圆环结构能够交叉极化转换LP和CP，带宽为2.1-2.9 THz（32％）。应用于偏振转换器的石墨烯超表面通常实现频率或偏振态调谐的功能。 [22, 23] 中的设计通过在石墨烯片上周期性蚀刻槽/空洞来获得极化旋转，并且可以通过调节化学势（μ C）。周期性石墨烯图案 [24] 和双交叉石墨烯光栅 [25] 调整极化状态。 [21]中的设计在地面上应用石墨烯条来干扰场分布；则可以调节偏振转换比。

尽管上述吸收器和偏振转换器非常有效，但这些设备的功能单一。它们不适用于需要便携、紧凑和多功能设备的太赫兹系统。因此，多功能设备（MFD）很重要。在这项研究中，提出了一种能够在吸收模式和偏振转换模式之间切换的 MFD。所提出的 MFD 通过组装基于金的偏振转换超表面 (PCM) 和基于石墨烯的吸收超表面 (AM) 具有低剖面和简单的结构。然后，通过设置石墨烯的化学势μ c =0 eV，AM被中和，PCM起主导作用，器件旋转入射EM波的极化。通过设置 μ c =0.7 eV，AM起主要作用，器件吸收入射EM波。

方法

为了获得吸收和偏振转换（PC）模式之间切换的能力，MFD包括两类超表面，如图1所示。一种是吸收超表面（AM），另一种是PC超表面（PCM）。 MFD 的典型配置，如图 1 所示，包括 PCM 结构、AM 结构、金属镜和将它们分开的绝缘体。假设在吸收模式下，AM 主导了入射波并耗散了入射功率，而 PCM 在该模式下无效。在PC模式下，AM应该被中和，PCM起主导作用；因此，入射波的偏振态被转换。为了达到上述要求，关键是在 PC 模式下中和 AM。因此，应该使用可调材料来构建 AM，其中 AM 的属性可以被调谐。幸运的是，石墨烯通过调整其掺杂水平或电光栅显示出超高的电子迁移率和可调电导率 [26, 27]。因此，建议使用石墨烯进行 AM 设计。石墨烯的电导率可以用久保公式（1）表示，它包括带内和带间贡献。

MFD典型配置

其中 e , ℏ, k B , T , 和 μ c 分别代表电子的电荷、约化的普朗克常数、玻尔兹曼常数、开尔文温度和化学势。 Γ 是现象学散射率，假设它与能量 ε 无关 .因此，复电导率σ s 可以通过调整化学势 (μ c) 带有偏置电压。它在方程式中找到。 (1) 对于 μ c =0 eV，由于在这种情况下载流子密度低，石墨烯的电导率非常小。因此，石墨烯用作介电基板。此外，由于石墨烯层非常薄，它对μ的照射电磁波几乎没有影响 c =0 eV。然而，石墨烯的载流子密度会随着化学势（μ c) 和复电导率 (σ s ) 的石墨烯随着化学势 (μ c) [26, 27]。因此，石墨烯支持大μ的表面等离子体激元（SPPs） c [26, 28,29,30]，SPP 限制入射波。为了进一步增强 SPP 并在某些频率下实现波吸收，应在石墨烯层中蚀刻周期性结构以形成超表面，称为 AM。因此，通过设置 μ c =0，AM可以看作是薄的介质基板，对EM波几乎是透明的。因此，入射的电磁波可以集中在 PCM 层，器件工作在 PC 模式。对于一个合适的大 μ c，AM 的增强 SPP 限制了大部分入射 EM 波，这使得 PCM 层无用。因此，入射电磁波在 AM 层中消散。

根据上述讨论，提出了具有金基 PCM 和石墨烯基 AM 的低剖面 MFD，如图 2 所示。图 2a 是电池的 3D 视图。图中发现在基板TOPAS聚合物的顶部印刷了一层金基PCM[31]。 PCM 模式是双 L 形结构，具有宽带和良好的偏振转换特性 [18, 19]。如图 2a 所示，基于石墨烯的 AM 以 h 的距离插入到 TOPAS 聚合物基板中 1 到 PCM。为了赋予石墨烯基 AM 在吸收模式中起主导作用，AM 应该在一定的化学势 (μ c) 限制大部分入射功率并中和 PCM。为此，在石墨烯层中蚀刻十字槽图案，如图 2b 所示。假设跨时隙模式带来周期性变化（σ =0) 到石墨烯的均匀复合电导率，这导致电荷密度重新排列和聚焦。因此，生成并增强了 SPP。如图 2b 所示，交叉槽结构能够将载流子和场集中在槽周围，从而确保强大的 SPP。 l 的插槽长度 1 和 l 2 选择确保AM的共振落入PCM的工作范围内；因此，AM 的一个单元格有 3 × 3 个交叉时隙模式。请注意，PCM 和 AM 是独立移动和运行的，因为它们的开关由化学势 (μ C）;因此，PCM模式和AM模式可以是其他架构。 TOPAS 聚合物是用于宽带太赫兹设计的优良基板材料，其折射率约为 1.53，损耗非常低。 TOPAS 聚合物基板底部印有一层金层，用于全反射。金层由衬底支撑，衬底可以是Si。金的厚度为200纳米。请注意，支撑材料对 MFD 的性能没有影响，因为没有穿透金层的冲击波。如图 2c 中阵列的 3D 视图所示，可以通过偏置电压来调整化学势。 MFD 可以通过重复生长和转移过程来制造 [32, 33]。石墨烯 AM 应该具有 T =300 K 和动量弛豫时间 τ =0.1 ps。对于 PC 模式，μ c =0 eV。吸收模式的化学势为 μ c =0.7 eV。 MFD的优化参数为h 0 =17 μm，h 1 =1.5 μm，l 0 =24 μm，W 0 =2 μm，l 1 =14 μm，l 2 =19.8 μm，并且 p =50 μm。

具有吸光度和偏振转换模式的拟议 MFD 示意图。 一 细胞的 3D 视图。 b 一个单元中石墨烯 AM 的顶视图。 c 阵列的3D视图

结果、物理机制和讨论

结果

对所提出的 MFD 进行了模拟，并计算了所提出的 MFD 的偏振转换比 (PCR) 和吸收率。如图 3a 所示，全波分析是在带有频域求解器的 CST Studio Suite 中进行的。因此，在外围设置了晶胞边界，在计算区域的顶部设置了一个floquet端口。图中还绘制了不含 AM 的结构的 PCR 和吸收率以进行比较。请注意，由于金层 [34] 没有透射，因此可以通过结构的反射系数计算 PCR 和吸收率。这里，这些术语是根据 y 明确定义的 - 偏振照明。 y 的电场 -极化入射波定义为E 我 , 反射波包括一个 y -极化电场 (E 试试 ) 和 x -极化电逃逸（E 接收 ）。那么，共极化和交叉极化的反射系数定义为r yy =E 试试 /E 我 和 r xy =E 接收 /E 我 ， 分别。因此，PCR 和吸收率可以通过方程计算。分别为 (2) 和 (3)。注意 x 的 PCR 和吸收率 -偏振入射可以根据方程类似地计算。 (2)和(3)。

拟议 MFD 的 PCR 和吸收率计算。 一 模拟模型。 b PC模式和吸收模式的计算结果；还展示了无 AM 结构的结果以供比较。 b 没有 AM 的结构的 PCR 和吸收率分别绘制为带有实心圆圈标记的红色曲线和带有半实心圆圈标记的胭脂红曲线。对于所提出的 MFD 的 PC 模式，PCR 和吸收率分别绘制为带有实心五角星形标记的蓝色曲线和带有半实心三角形标记的青色曲线。对于所提出的MFD的吸收模式，吸收率绘制为带有实心球标记的隐藏蓝色曲线

如图 3b 所示，MFD 在 PC 模式下运行，μ c =0 eV，在吸收模式下工作，μ c =0.7 eV。在 PC 模式下，该结构用作偏振转换器，它将线性偏振入射波旋转为其正交偏振波。对于 PC 模式，PCR 在 2.11-3.63-THz 波段大于 0.9（2.87 THz 时为 53.0%），而吸收率很小，在该波段范围为 0.14 至 0.27。对于没有AM的结构，它具有与PC模式几乎相同的PCR带，而其吸收率范围从0.06到0.09。在吸收模式下，大部分入射波被吸收在图中所示的波段中。请注意，吸收模式的 PCR 曲线没有呈现，因为它没有意义。在 1.59-4.54-THz 频段内吸收率大于 80%（在 3.06 THz 时为 96.4%）。因此，通过调节化学势，所提出的结构可以在PC模式和吸收模式之间切换。

物理机制

为了进一步揭示两种模式开关特性的物理机制，PC 模式下的电能密度和结构的吸收模式如图 1 和图 5 所示。分别为 4 和 5。 PC 模式的电流分布也绘制在图 4 中以说明偏振转换特性。吸收模式的电流分布没有说明，因为在这种模式下电流会衰减和耗散。请注意，场分布是在 y 下获得的 -偏光照明。

PC 模式的场分布 (μ c =0 eV）。 一 2.56 太赫兹。 b 3.22太赫兹

吸收模式的场分布 (μ c =0.7 eV）。 一 1.7 太赫兹。 b 3.3太赫兹

对于 PC 模式 (μ c =0 eV)，选择 2.56 THz 和 3.22 THz 两个频率分别在图 4a 和 b 中显示它们的场分布。图中左边部分是电能密度，右边部分是电流。如图所示，2.56 THz 和 3.22 THz 的场分布非常相似，这意味着工作频带很宽。从图4a，b左侧部分的电能密度来看，能量主要集中在L形结构（PCM）上。表明PCM对μ起主导作用 c =0 eV。从图 4a、b 右侧的电流来看，2.56 THz 和 3.22 THz 的电流也集中在 PCM 上，AM 上的电流较弱。虚线箭头表示电流的矢量。 y - 偏振照明产生 x -矢量电流在L形结构上实现极化转换。

对于吸收模式 (μ c =0.7 eV)，1.7 THz 和 3.3 THz 的电能密度分别绘制在图 5a 和 b 中。如图所示，两个频率的电能密度主要分布在AM上。还发现能量集中在交叉槽图案中；因此，AM 上的交叉时隙增强了 SPP 效果。强烈的 SPP 效应导致 AM 的场增强，这使 AM 起主导作用。因此，入射波在 AM 中被限制和消散。还发现仍然有一些能量分散在PCM上，没有完全吸收，例如80-90%的吸收率在带内。

讨论

为了进一步揭示所提出的 MFD 的特征，本节将讨论参数化研究。图 6a 和 b 分别以化学势 (μ C）。如图 6a 所示，较小的 μ c 表示 AM 的电导率更小，PCM 的作用更强。因此，使用 μ 观察到良好的 PCR c =0 eV，随着μ的增加而恶化 C。 MFD 的吸收特性呈现出几乎相反的趋势，如图 6b 所示。随着 μ c 从 0 eV 增加到 1 eV，AM 上的 SPP 受到启发和增强。因此，入射 EM 波被限制在 AM 中，并且能量被吸收。 μ 选择 c =0.7 eV 以获得最宽的带宽。在图 6a 中还注意到，对于 0.7 eV <μ，1.85 THz 附近的 PCR 值大于 80% c <1 eV；然而，大部分权力都被这些μ耗散了 如图 6b 所示。因此，化学势 (μ c) 是调整 PCR 和吸收特性的重要参数。

针对不同化学势 (μ c ）。 一 聚合酶链反应。 b 吸收

不同偏振角下吸收模的吸收率(φ 1 和 φ 2) 如图 7 所示。 如图 7a 所示，φ 1 和 φ 2 是入射电场相对于 x 的角度 - 和 y - 轴，分别。根据 MFD 的对称结构，φ 1 和 φ 2 从 0 到 45° 变化。在图 7b 中，由于 φ 1 从 0°增加到 45°，吸收率从 0.8 增加到接近 1，但随着 φ 的增加，吸收率会变窄 1. 如图 7c 所示，φ 的增加 2降低了2-3 THz附近的吸收率，在1.7 THz和4 THz附近获得了两个吸收带。

吸收模式的吸收特性(μ c =0.7 eV）在不同偏振角（φ ）。 一 φ 1 和 φ 2 是入射电场相对于 x- 的角度 和 y - 轴，分别。 b φ 1. c φ 2

PC模式和吸收模式在入射角(θ ) 示于图。分别为 8 和 9。图 8a 和 b 展示了 s 的 PCR 图 - 和 p - 偏振入射波，分别具有入射角范围从 0 到 80°。如图所示，PCR随着θ的增加而恶化;然而，对于θ也获得了良好的PCR特性 小于 40°。 PCR带宽对入射角(θ ）。还发现s的PCR性能 - 偏振入射对入射角不敏感 (θ ) 用于 2.1 THz 左右的频率。

PC模式(μ c =0 eV) 对于不同的入射角，由 a 照射 s -极化和b p -极化波

吸收模式的吸收特性(μ c =0.7 eV) 对于不同的入射角，由 a 照射 s -极化和b p -极化波

对于吸收模式，s 的吸收率图 - 和 p 偏振入射波分别绘制在图 9a 和 b 中，入射角为 (θ ) 的范围从 0 到 80°。一般来说，s的吸收率 - 偏振入射随着θ的增加而减少 , 并且 θ 的吸收率大于 0.8 小于 30°。有趣的是发现 p 的吸收率 -偏振入射电磁波随着θ的增加而增加 .

结构参数h 还研究了图 1 以进一步揭示该设备的多种功能。由于 h 1 被调整，AM 的位置被改变。请注意，为简单起见，此处不讨论其他结构参数。图 10a 和 b 分别展示了 PC 模式和吸收模式的结果。如图 10a 的左半部分所示，在 PC 模式下，h 1 对 PCR 影响不大。在图 10b 的右侧部分，吸收对于 h 也是稳定的 1 范围从 0.5 到 16.5 μm，虽然较小 h 1 有较大的吸收。图 10a 中的结果验证了“方法”部分中的讨论，并且 AM 在 PC 模式（μ c =0 eV）。对于吸收模式 (μ c =0.7 eV)，AM起主导作用；因此，h 1 在这种模式下很重要。如图 10a 的左半部分所示，h 的增加 1 降低吸收率。这是因为 AM 和金层之间的多次反射和叠加对于激发 SPP 和增强 AM 上的场很重要 [35]。在图 10b 的右侧部分，对于较大的 h 观察到良好的 PCR 1.因此，在MFD的设计中，参数h 1 只能在吸收模式下考虑，因为它对 PC 模式的影响很小。

以h为单位的PCR和吸收 1. a PC 模式 (μ c =0 eV）。 b 吸收模式（μ c =0.7 eV)

结论

总之，通过结合基于金的 PCM 和基于石墨烯的 AM，提出了一种低调且结构简单的 MFD。化学势 (μ c) 可用于激活或中和基于石墨烯的 AM，然后，该结构可以从吸收器转变为偏振转换器。对于 PC 模式，PCR 在 2.11–3.63-THz 频带内大于 0.9（2.87 THz 时为 53.0%）。对于吸收模式，在 1.59-4.54-THz 波段的吸收率大于 80%（3.06 THz 时为 96.4%）。该设计可应用于太赫兹成像、传感、光电探测和调制系统。

缩写

上午：

吸收超表面

CP：

圆极化

EM：

电磁

LP：

线偏振

MFD：

多功能装置

PC：

偏振转换

PCM：

偏振转换超表面

PCR：

偏振转换比

SPP：

表面等离子体激元