Equipe demonstra um absorvedor de terahertz sintonizável de banda ultralarga de grafeno e metamateriais plasmônicos hierárquicos
Absorvedores perfeitos (MPAs) baseados em metamateriais de banda larga têm um potencial significativo em muitas aplicações. No entanto, o projeto e a fabricação de AMPs terahertz de banda ultralarga apresentam desafios consideráveis. Crédito:Dispositivos Avançados e Instrumentação A absorção perfeita surge da forte interação dos elétrons de valência com a luz em um material condutor. O metamaterial óptico é uma abordagem eficaz para explorar a capacidade superior de captura de fótons. Assim, os absorvedores perfeitos poderiam ser alcançados por estruturas plasmônicas e metamateriais ressonantes em nanoescala.
Um absorvedor perfeito de metamaterial (MPA) normalmente consiste em metal periódico de comprimento de onda inferior (por exemplo, superabsorvedor plasmônico) ou unidades ressonantes dielétricas. Comparados aos sistemas físicos passivos estáticos, os metamateriais sintonizáveis podem manipular dinamicamente as ondas eletromagnéticas, melhorando o controle multidimensional da resposta óptica. Existem duas estratégias típicas para obter propriedades ajustáveis em metamateriais:reconstrução mecânica e alteração das estruturas de rede dos metamateriais.
Em contraste com estes métodos clássicos, a combinação de materiais funcionais e estrutura de metamateriais oferece uma maneira de alterar as propriedades ópticas dos materiais através de estímulos externos e tem uma taxa de resposta mais rápida. Como um material funcional sintonizável típico, o grafeno possui excelentes características mecânicas, elétricas e ópticas. A incorporação de grafeno em estruturas de metamateriais pode melhorar significativamente as interações luz-matéria.
Nesse sentido, o grupo do professor Weiping Wu demonstrou um novo absorvedor de terahertz de banda ultralarga sintonizável, utilizando as propriedades únicas do grafeno e metamateriais plasmônicos hierarquicamente estruturados. O artigo de pesquisa da equipe foi publicado na revista Advanced Devices &Instrumentation .
A estrutura do metamaterial compreende barras/quadrados de ouro alternados em forma de T, uma camada dielétrica, juntamente com uma camada de grafeno sobre uma camada de ouro. A absorção média do MPA atingiu 90% em uma faixa de frequência ultra ampla que vai de 20,8 THz a 39,7 THz. A origem dos caracteres de banda larga é analisada através de diagramas de campo elétrico, e a modulação da janela de absorção pelo grafeno é investigada. Além disso, são estudadas as influências de diferentes parâmetros nos resultados, e a pesquisa discute o potencial de aplicação desta estrutura no campo da optoeletrônica.
Finalmente, alguns absorvedores de banda larga relatados recentemente na banda do infravermelho distante THz são comparados e analisados com os resultados do presente trabalho. O absorvedor de banda larga de metamaterial proposto tem uma absorção média mais alta e uma faixa de frequência mais ampla. A estrutura proposta possui apenas uma camada de ouro estampado, o que apresenta grandes vantagens em relação a outras literaturas em termos de fabricação.
Em conclusão, um novo absorvedor terahertz sintonizável de banda ultralarga de grafeno e metamateriais plasmônicos hierarquicamente estruturados é proposto e estudado, e uma absorção de banda ultralarga quase perfeita de 20,8 THz a 39,7 THz é investigada numericamente. O absorvedor proposto é implementado organizando duas estruturas de ouro de tamanhos diferentes alternadamente em cada célula unitária. A largura de banda superior a 90% de absorção dos absorvedores de banda larga é de cerca de 18,9 THz.
Ao ajustar o nível de energia Fermi do grafeno, a posição da banda ultralarga pode ser ajustada. Além disso, os efeitos dos parâmetros geométricos nos espectros de absorção do absorvedor são analisados quantitativamente. Estes resultados implicam que o absorvedor de metamaterial proposto neste trabalho pode levar a melhorias adicionais no campo da filtragem sintonizável, detectores, radiação térmica controlada e outros dispositivos fotônicos.
