石墨烯与金集成的可切换太赫兹超表面：双模式吸收器与偏振转换器

摘要

传统太赫兹（THz）超表面通常仅提供单一功能，要么吸收入射辐射，要么改变其偏振。我们提出了一种紧凑、低轮廓的多功能器件（MFD），通过调节石墨烯层的化学势，可在>80%吸收器和>90%偏振转换（PC）元件间切换。该结构集成了基于石墨烯的吸收超表面（AM）与基于金的偏振转换超表面（PCM）。PC模式下（μc = 0 eV），器件在2.11–3.63 THz实现偏振转换率（PCR）>0.9，在2.87 THz峰值达53%。吸收模式下（μc = 0.7 eV），1.59–4.54 THz吸收率超80%，在3.06 THz峰值达96.4%。研究了其物理机制、切换原理和参数鲁棒性，凸显了MFD在THz成像、传感、光电探测和调制中的应用潜力。

引言

太赫兹技术高度依赖能操控电磁波的器件。吸收器耗散多余能量，偏振转换器重塑波前用于成像、光谱和通信。超表面——亚波长图案结构——的最新进展产生了基于金或石墨烯谐振器的近完美吸收器。然而，许多设计窄带且功能受限。

石墨烯凭借可调表面电导率，支持可通过偏压调制的表面等离子体极化子（SPPs），实现宽带吸收。同样，基于金的L形和十字结构图案在宽频段展示高效偏振转换。但尚无系统在单一可重构平台同时提供高吸收和高PC。

为填补这一空白，我们提出一种多功能超表面，仅通过改变石墨烯化学势即可在吸收和偏振转换模式间切换。设计保持平面、紧凑，且兼容标准光刻工艺。

方法

MFD包含三层：基于金的PCM、基于石墨烯的AM和反射金背板。PCM为印刷在TOPAS聚合物基板上的双L形金图案；AM由刻蚀在同种聚合物上的3×3十字槽石墨烯图案阵列组成。两超表面由介质间隙h1分隔，PCM上方聚合物厚度为h0。金背板（200 nm）保证零透射，简化分析为反射系数。

石墨烯复数表面电导率由Kubo公式描述：σs = σint(ω,μc,Γ,T) + σinter(ω,μc,Γ,T)，其中μc为可调化学势。μc = 0 eV时石墨烯表现为弱介质；μc = 0.7 eV时其高电导率激发SPPs，强烈将场局限于AM内。

全波仿真（CST Studio Suite，频域求解器）以Floquet边界建模周期单元。提取y偏振入射下的反射系数ryy和rxy计算PCR和吸收率：PCR = |rxy|² / (|ryy|² + |rxy|²)，Abs = 1 – |ryy|² – |rxy|²。仿真在300 K、动量弛豫时间τ = 0.1 ps下进行。优化几何参数为：h0 = 17 µm, h1 = 1.5 µm, 单元周期p = 50 µm，特征尺寸见原设计。