Терагерцова (ТГц) технологія корисна в таких програмах, як біомедична візуалізація, телекомунікації та передові системи зондування. Однак через унікальну природу електромагнітних хвиль у діапазоні 0.1–10 терагерц було важко розробити високопродуктивні компоненти, які демонструють справжній потенціал технології терагерців. Навіть розробка практично безкомпонентних частин, таких як фільтри та абсорбери, залишається величезною проблемою.
На щастя, зростання кількості метаматеріалів може призвести до інноваційних рішень цих проблем. Завдяки прогресу в технологіях виробництва та обробки тепер можна виготовляти двовимірні (2D) візерункові мікроструктури з унікальними електромагнітними властивостями в терагерцевому діапазоні, що дозволяє безпрецедентний контроль сигналів на цих частотах.
Незважаючи на те, що для матеріалів, що поглинають хвилі, було запропоновано різноманітні двовимірні метаматеріали (або «гіперповерхні»), більшість із них все ще мають серйозні обмеження. Поширеною проблемою є те, що коли структурні моди матеріалу, що поглинає гіперповерхню, ідентифіковано та виготовлено, його електромагнітні властивості фіксуються.
Ця ненастроюваність обмежує можливі застосування таких пристроїв. З іншого боку, хоча регульовані металеві гіперповерхневі поглиначі існують, використання тонких металевих шарів не рекомендується. Це пов’язано з кількома недоліками, такими як складність виготовлення необхідних конструкцій і низька продуктивність через властиві металам властивості.
У цьому контексті команда доктора Венханя Цао з Шанхайського університету науки і технологій розробила новий регульований метаповерхневий поглинач на основі вуглецю з надширокою регульованою смугою пропускання в терагерцевому діапазоні. Це дослідження під керівництвом доктора Венханя Цао нещодавно було опубліковано в Advanced Photonics Nexus.
«Ядро поглинача використовує графен і мікроструктури графіту як резонатори, а шари графіту як поверхні, що відбивають назад». Доктор Веньхан Цао пояснює: «Повторювані субодиниці (або «комірки») у цьому терагерцевому метаповерхневому поглиначі були стратегічно розроблені для оптимізації ефективності поглинання на основі чотирьох основних факторів: геометрії, властивостей матеріалу, поляризаційної чутливості та механізму налаштування».
З точки зору геометрії, абсорбер складається з трьох тонких шарів. Верхній шар — це візерунковий провідний шар, що містить концентричні графітові кільця, з’єднані між собою графеновими дротами; другий шар — простий діелектрик, який сприяє розсіюванню небажаних електромагнітних хвиль; і третій шар – це поглинаючий шар, який запобігає проникненню хвиль терагерцового діапазону безпосередньо через пристрій, тим самим максимізуючи ефективність поглинання.
Вибір матеріалу та геометрична конструкція поглинача оптимізовані за допомогою чисельного аналізу та моделювання, що сприяє його чудовому поглинанню в терагерцевому діапазоні. Примітно, що ключовою властивістю запропонованого поглинача є його регульованість, яка випливає з регульованих рівнів енергії Фермі. Цей параметр є вирішальним у технології матеріалів і напівпровідників, оскільки він визначає розподіл електронів на різних енергетичних рівнях.
Прикладаючи напругу до графенового шару, можна змінити його рівень енергії Фермі і таким чином легко налаштувати ширину смуги поглинання. Доктор Веньхан Цао підкреслив: «При рівні енергії Фермі 1 еВ запропонований поглинач може досягти надзвичайно широкої смуги пропускання 8,99 ТГц, забезпечуючи понад 90% поглинання в діапазоні частот від 7,24 до 16,23 ТГц, з двома чіткими резонансними піками. на 8,35 ТГц і 14,70 ТГц".
Іншою істотною перевагою запропонованої конструкції є її нечутливість до кута поляризації падаючого випромінювання. Використання концентричних кіл в комірці поглинача природно дає цю сприятливу властивість. Коло, будучи ідеально симетричною формою, дозволяє абсорберу підтримувати високу швидкість поглинання під кутами падіння до 50 градусів.
Коротше кажучи, численні переваги запропонованої конструкції в поєднанні з її простотою представляють собою справжній прорив у технології терагерцового діапазону." Запропонований поглинач пропонує надтонку просту структуру без металу з широкою регульованою смугою поглинання при малій товщині, що значно Ці переваги перевершують інші зареєстровані поглиначі.
У найближчому майбутньому терагерцові пристрої стануть частиною повсякденних технологій, особливо в таких сферах, як медицина та зв’язок, а також у більш орієнтованих на дослідження галузях, таких як матеріалознавство та біологія.
