基于多层石墨烯带的可调超宽带太赫兹吸收器的设计
摘要
我们提出并在数值上证明了一种基于超宽带石墨烯的超材料吸收器,它由金属基板支撑的 SiO2 层上的多层石墨烯/电介质组成。模拟结果表明,所提出的吸收器可以在 4.8 THz 的带宽下实现 90% 以上的近乎完美的吸收。由于石墨烯片的灵活可调性,通过控制石墨烯的费米能量,吸收体的状态可以在 3-7.8 THz 的频率范围内从开启(吸收> 90%)切换到关闭(反射> 90%)。此外,吸收器对入射角不敏感。宽带吸收率可以保持在 90% 以上,最高可达 50°。重要的是,该设计可扩展以通过添加更多石墨烯层来开发更广泛的可调谐太赫兹吸收器,这些石墨烯层可能在成像、传感器、光电探测器和调制器中具有广泛的应用。
背景
近年来,由于在光谱学、医学成像、调制器、安全和通信方面的巨大应用,太赫兹波段已成为最有趣的平台之一 [1,2,3]。太赫兹吸收器是一个重要的分支,可以在上述领域找到实际应用[4,5,6]。然而,吸收体的带宽窄、吸收效率低、吸收性能不可调,极大地限制了其在实际中的应用。为了更好地扩展太赫兹吸收器的应用,迫切需要更多新的器件和材料。石墨烯作为一种具有蜂窝晶格结构的二维材料,由于其电导率的可调性受电场、磁场、栅极电压和化学掺杂的控制,已成为最有前途的材料之一 [7,8,9,10 ,11,12,13,14]。特别是,石墨烯可以支持太赫兹范围内的表面等离子体。与传统的表面等离子体材料相比,石墨烯表面等离子体具有损耗低、可调性灵活等优点[15,16,17,18,19]。
由于石墨烯材料在太赫兹吸收体中的优越性,已经提出并论证了一些石墨烯吸收体[20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 ,34]。理论分析证实,单层石墨烯是光学透明的,吸收率为 2.3% [35,36,37]。为了增强对电磁能量的限制,已经设计了周期性图案化石墨烯结构,例如网状 [20,21,22]、反点 [23] 和十字形 [32]。然而,这些吸收体严重依赖于复杂结构的石墨烯,导致制造困难。此外,可用于操作的频段非常窄,而且大多数报道的工作带宽都不超过 1.5 THz [20,21,22,23,24,25,26,27,28]。为了拓宽带宽,已经提出了几种多层石墨烯结构。然而,报道的多层结构也依赖于非常复杂的石墨烯结构,操作带宽不够长 [32,33,34]。此外,赵等人。为幅度调制器的应用设计了一种可切换的太赫兹吸收器 [25]。通过将石墨烯的化学势控制在 0 到 0.3 eV,设计结构的状态可以在 0.53-1.05 THz 的频率范围内从吸收(> 90%)转换为反射(> 82%)。但开关强度不够高,调制带宽很窄,限制了其在实际中的进一步应用。
在本文中,我们提出了一种由多层石墨烯组成的可调谐石墨烯基太赫兹吸收器,它可以在 3-7.8 THz 的频率范围内实现超过 90% 的超宽带吸收。吸收体的平均吸收率高于96.7%。此外,所提出的吸收体具有更高的开关强度,通过在 4.8 THz 的整个带宽内改变石墨烯层的费米能量,可以将吸收幅度从接近完美的吸收(> 90%)调整到高反射(> 90%)。当石墨烯的费米能量为 0 eV 时,所提出的结构将是一个近乎完美的反射器,在高频段(约 5.5 THz 之后)反射率超过 97%。此外,吸收体与入射角无关,吸收率超过 90%,最高可达 50°。据我们所知,我们首先提出二维多层石墨烯/电介质结构来实现超宽带吸收。所提出的吸收体很简单,不依赖于复杂的图案化石墨烯,该设计为多层石墨烯结构的制造提供了极大的便利 [38, 39]。重要的是,该设计可扩展以通过添加更多石墨烯层来开发更广泛的可调太赫兹吸收器,这可能在太赫兹光电器件中具有广泛的应用。
方法
所提出的结构示意图如图 1 所示,它由嵌入在 SiO2 层上的电介质中的多层石墨烯和底部的厚金属反射板组成。如图 1 所示,在顶部,具有不同宽度 (W ) 以一定间隙t嵌入电介质中 2 (t 2 =2 微米)。宽度 W 每个石墨烯的直径分别为 5、5、27、4、4、2、21、21 和 26 μm(从上到下)。每层关于 z 对称 -轴。距离t 1 石墨烯层底部与 SiO2 层之间的距离为 2 μm。电介质的厚度为H 1.中间层为SiO2,厚度为H 2.底部为金属膜,厚度为D .单位的周期是P. 这些结构参数的初始值设置为H 1 =21 μm,H 2 =7 μm,D =0.5 μm, P =32 μm。底部金属材料为金,其介电常数可以用德鲁德模型在太赫兹范围内正确表示如下:
$$ \varepsilon ={\varepsilon}_{\infty }-\frac{\omega_p^2}{\omega^2+ i\omega \gamma} $$ (1)
其中常数介电常数ε的值 ∞, 等离子体频率 ω p , 和碰撞频率 γ 设置为 1, 1.38 × 10
16
弧度/秒,和 1.23 × 10
13
s
− 1
, 分别。介电材料和SiO2材料的介电常数分别设置为3和4。
<图片> 结果与讨论
首先,我们调整每个石墨烯层的电压以实现完美的吸收(从上到下,我们微调费米能量 E f 每个石墨烯层的 0.9、0.9、1.1、0.8、0.8、1.1、1.1、0.9 和 0.8 eV)。如图 2 所示,从 3 到 7.8 THz,所提出的结构在 4.8 THz 的带宽内具有 90% 以上的宽带吸收。吸收器的 FWHM 为 5.4 THz。带宽大约是 \( \frac{BW}{f_0}\times 100\% \) =88.8% 的中心频率(这里,BW 是带宽和 f 0 是中心频率)。我们还计算了吸收体的平均吸收率,高达 96.7%。另一方面,使用 E f =0 eV,所提出的结构将是一个近乎理想的反射器,在整个工作带宽内反射率超过 90%,在高频段(约 5.5 THz 之后),反射率甚至超过 97%。当然,我们也可以通过调整石墨烯各层的电压来获得所需的幅度,这可能在某些领域有潜在的应用。
<图片> 结论
在本文中,我们提出了一种超宽带、可调谐的基于石墨烯的太赫兹吸收器,由多层石墨烯/电介质组成。通过改变费米能量 E,所提出的吸收器可以实现 90% 以上的宽带吸收,带宽为 4.8 THz f 不同的石墨烯层。随着 E f =0 eV,建议的设计将是近乎理想的反射器,在 3-7.8 THz 的整个操作带宽内反射率超过 90%。超宽带吸收归因于由局域表面等离子体(LSP)和石墨烯表面等离子体激发的不同频率的强共振吸收的叠加效应。此外,所提出的吸收体对入射角不敏感,我们还发现介电层和SiO2层的厚度对吸收性能的影响很小,更有利于实际应用。此外,所提出的吸收器很简单,不依赖于复杂结构的石墨烯,并且可以通过添加更多石墨烯层来加宽带宽。这种可调谐的宽带吸收器在光电探测器、成像和调制器方面具有巨大的应用潜力。
缩写
- FDTD:
-
有限差分时域
- LSP:
-
局域表面等离子体