Diseño de un absorbedor de terahercios de banda ultra ancha sintonizable basado en varias capas de cintas de grafeno

Resumen

Proponemos y demostramos numéricamente un absorbente de metamaterial basado en grafeno de banda ultra ancha, que consiste en grafeno / dieléctrico multicapa en el SiO ₂ capa soportada por un sustrato metálico. El resultado simulado muestra que el absorbedor propuesto puede lograr una absorción casi perfecta por encima del 90% con un ancho de banda de 4,8 Thz. Debido a la capacidad de ajuste flexible de la hoja de grafeno, el estado del absorbente se puede cambiar de encendido (absorción> 90%) a apagado (reflexión> 90%) en el rango de frecuencias de 3 a 7,8 Thz controlando la energía de Fermi del grafeno. Además, el absorbedor es insensible a los ángulos de incidencia. La absorción de banda ancha se puede mantener por encima del 90% hasta 50 °. Es importante destacar que el diseño es escalable para desarrollar absorbentes de terahercios sintonizables más amplios al agregar más capas de grafeno que pueden tener amplias aplicaciones en imágenes, sensores, fotodetectores y moduladores.

Antecedentes

En los últimos años, la banda de terahercios se ha convertido en una de las plataformas más interesantes debido a su enorme aplicación en espectroscopia, imágenes médicas, moduladores, seguridad y comunicación [1, 2, 3]. El absorbedor de terahercios es una rama importante que puede encontrar aplicaciones prácticas en los campos anteriores [4, 5, 6]. Sin embargo, el ancho de banda estrecho, la baja eficiencia de absorción y el rendimiento de absorción no ajustable de los absorbedores limitan en gran medida sus aplicaciones en la práctica. Para expandir mejor la aplicación del absorbente de terahercios, se necesitan con urgencia más dispositivos y materiales nuevos. El grafeno, como material bidimensional con estructura de celosía alveolar, se ha convertido en uno de los materiales más prometedores debido a su sintonización de conductividad controlada por campo eléctrico, campo magnético, voltaje de puerta y dopaje químico [7,8,9,10 , 11,12,13,14]. Especialmente, el grafeno puede soportar plasmones superficiales en los rangos de terahercios. En comparación con el material de plasmón de superficie tradicional, los plasmones de superficie de grafeno tienen la ventaja de pérdidas bajas, capacidad de ajuste flexible, etc. [15,16,17,18,19].

Debido a la superioridad de los materiales de grafeno en los absorbentes de terahercios, existen algunos absorbentes de grafeno que se han propuesto y demostrado [20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 , 34]. El análisis teórico confirma que una sola capa de grafeno es ópticamente transparente y tiene una absorción del 2,3% [35,36,37]. Para mejorar el confinamiento de la energía electromagnética, se han diseñado estructuras de grafeno con patrones periódicos, como en forma de red [20, 21, 22], antipuntos [23] y en forma de cruz [32]. Sin embargo, estos absorbentes dependen en gran medida del grafeno de estructura compleja, lo que genera dificultades de fabricación. Además, la banda disponible para la operación es muy estrecha, y la mayoría de los trabajos reportados no tienen un ancho de banda superior a 1.5 Thz [20,21,22,23,24,25,26,27,28]. Para ampliar el ancho de banda, se han propuesto varias estructuras de grafeno multicapa. Sin embargo, las estructuras multicapa informadas también dependen de una estructura muy compleja del grafeno, y los anchos de banda de operación no son lo suficientemente largos [32,33,34]. Además, Zhao et al. diseñó un absorbedor de terahercios conmutable para la aplicación de un modulador de amplitud [25]. Controlando el potencial químico del grafeno de 0 a 0,3 eV, el estado de la estructura diseñada se puede cambiar de absorción (> 90%) a reflexión (> 82%) en el rango de frecuencias de 0,53 a 1,05 Thz. Pero la intensidad de conmutación no es lo suficientemente alta y el ancho de banda de modulación es muy estrecho, lo que limita su aplicación posterior en la práctica.

En este artículo, presentamos un absorbente de terahercios basado en grafeno sintonizable compuesto de grafeno multicapa que puede lograr una absorción de banda ultra ancha superior al 90% en el rango de frecuencias de 3 a 7,8 Thz. La absortividad media del absorbente es superior al 96,7%. Además, el absorbedor propuesto tiene una mayor intensidad de conmutación, la amplitud de absorción se puede ajustar desde una absorción casi perfecta (> 90%) a una alta reflexión (> 90%) cambiando la energía de Fermi de la capa de grafeno en todo el ancho de banda de 4.8 Thz. Cuando la energía de Fermi del grafeno sea 0 eV, la estructura propuesta será un reflector casi perfecto con una reflexión de más del 97% en la banda de alta frecuencia (aproximadamente 5,5 Thz más tarde). Además, el absorbedor es independiente de los ángulos de incidencia con una absorción superior al 90% hasta 50 °. Hasta donde sabemos, primero proponemos la estructura dieléctrica / grafeno multicapa bidimensional para realizar una absorción de banda ultra ancha. El absorbente propuesto es simple y no depende del grafeno con patrones complejos, y el diseño proporciona una gran comodidad para la fabricación de estructuras de grafeno multicapa [38, 39]. Es importante destacar que el diseño es escalable para desarrollar absorbentes de terahercios sintonizables más amplios mediante la adición de más capas de grafeno, que pueden tener una amplia aplicación en dispositivos optoelectrónicos de terahercios.

Métodos

El diagrama de la estructura propuesta se muestra en la Fig.1, que consiste en grafeno multicapa incrustado en el dieléctrico del SiO ₂ capa y una placa reflectante metálica gruesa en la parte inferior. Como se muestra en la Fig.1, en la parte superior, grafeno con diferente ancho ( W ) está incrustado en el dieléctrico en un cierto espacio t ₂ ( t ₂ =2 μm). El ancho W de cada grafeno es 5, 5, 27, 4, 4, 2, 21, 21 y 26 μm, respectivamente (de arriba a abajo). Cada capa es simétrica con respecto a la z -eje. La distancia t ₁ entre la parte inferior de la capa de grafeno y el SiO ₂ capa es de 2 μm. El espesor del dieléctrico es H ₁ . La capa intermedia es SiO ₂ con un grosor de H ₂ . La parte inferior es una película metálica con un espesor de D . El período de la unidad es P. Estos valores iniciales de los parámetros de la estructura se establecen en H ₁ =21 micras, H ₂ =7 micras, D =0,5 micras, P =32 micras. El material metálico inferior es oro, y su permitividad se puede representar correctamente mediante el modelo Drude en el rango de terahercios de la siguiente manera:

$$ \ varepsilon ={\ varepsilon} _ {\ infty} - \ frac {\ omega_p ^ 2} {\ omega ^ 2 + i \ omega \ gamma} $$ (1)

donde el valor de la permitividad constante ε _∞ , frecuencia de plasma ω _p y frecuencia de colisión γ están configurados en 1, 1,38 × 10 ¹⁶ rad / s y 1,23 × 10 ¹³ s ^{- 1} , respectivamente. La permitividad del material dieléctrico y SiO ₂ material se establecen en 3 y 4, respectivamente.

un Diagrama esquemático del absorbedor de banda ancha basado en grafeno. b Sección transversal del absorbedor con los parámetros utilizados para el cálculo. c El esquema del circuito de polarización externo. Las ramas del voltaje ( V ₁ ~ V ₉ ) están conectados a diferentes capas de grafeno, respectivamente

En la simulación, el grafeno se trata como una película ultrafina incrustada en el dieléctrico. La conductividad compleja de la superficie del grafeno dominada por las contribuciones entre bandas e intrabandas se puede calcular utilizando la fórmula de Kubo [40]:

$$ {\ Displaystyle \ begin {array} {l} \ sigma \ left (w, {E} _f, \ tau, T \ right) ={\ sigma} _ {\ mathrm {inter}} + {\ sigma} _ {\ mathrm {intra}} =\ frac {je ^ 2 \ left (wj {\ tau} ^ {- 1} \ right)} {\ pi {\ mathrm {\ hslash}} ^ 2} \ times \\ {} \ left [\ frac {1} {{\ left (wj {\ tau} ^ {- 1} \ right)} ^ 2} \ underset {0} {\ overset {\ infty} {\ int}} \ frac {\ parcial {f} _d \ izquierda (\ varepsilon \ derecha)} {\ parcial \ varepsilon} - \ frac {\ parcial {f} _d \ izquierda (- \ varepsilon \ derecha)} {\ parcial \ varepsilon} d \ varepsilon - \ underset {0} {\ overset {\ infty} {\ int}} \ frac {f_d \ left (- \ varepsilon \ right) - {f} _d \ left (\ varepsilon \ right)} {{\ izquierda (wj {\ tau} ^ {- 1} \ right)} ^ 2-4 {\ left (\ varepsilon / \ mathrm {\ hslash} \ right)} ^ 2} d \ varepsilon \ right] \\ {} \ kern0em \ end {matriz}} $$ (2)

donde \ ({f} _d \ left (\ varepsilon \ right) ={\ left ({e} ^ {\ left (\ varepsilon - {E} _f \ right) / {k} _BT} +1 \ right)} ^ {- 1} \) es la distribución de Fermi-Dirac, w es la frecuencia en radianes, ε es la energía, k _B es la constante de Boltzmann, τ es el tiempo de relajación del portador, T es la temperatura ( T =300 K en nuestro artículo), ℏ es la constante de Plank reducida y E _f es la energía de Fermi. La fórmula de Kubo (2) indica que la conductividad de la superficie del grafeno complejo puede ajustarse mediante Fermi energy E _f . La energía de grafeno Fermi de cada capa se puede controlar individualmente mediante el voltaje polarizado, la relación entre E _f y el voltaje polarizado se puede escribir como [41, 42]:

$$ \ left | {E} _f \ left ({V} _n \ right) \ right | =\ mathrm {\ hslash} {v} _F \ sqrt {\ pi \ left | {a} _0 \ left ({V } _n- {V} _0 \ derecha) \ derecha |} \ kern1.5em \ izquierda (n =1,2,3 .., 9 \ derecha) $$ (3)

donde v _F =0,9 × 10 ⁶ m / s es la velocidad de Femi, V ₀ es la compensación de voltaje [41], \ ({a} _0 =\ frac {\ varepsilon_0 {\ varepsilon} _d} {ed} \), a ₀ es el modelo capacitivo de la estructura, donde ε ₀ es la permitividad en el vacío. ε _d es la permitividad del dieléctrico, d es la altura del dieléctrico y e es la carga de un electrón. V _n ( V ₁ ~ V ₉ ), es decir, el voltaje aplicado al grafeno se puede obtener del circuito adicional de la Fig. 1c. Según la fórmula (2) y (3), la conductividad de la superficie del grafeno se puede controlar mediante el voltaje aplicado. Luego, según la ley de Ampere en régimen estacionario y la ley de Ohm, la permitividad del grafeno se puede obtener como [43]:

$$ {\ varepsilon} _g =1 + i \ frac {\ sigma_g} {t_g {\ varepsilon} _0 \ omega} $$ (4)

¿En qué t _g es el grosor del grafeno, ε ₀ es la permitividad del vacío, y σ _g es la conductividad superficial del grafeno. De acuerdo con la Fórmula (4), la permitividad del grafeno se puede obtener mediante la conductividad superficial, que también se puede obtener mediante el voltaje aplicado. Por lo tanto, la fórmula (2-4) indica que las propiedades electromagnéticas del grafeno se pueden controlar dinámicamente mediante el voltaje aplicado, lo que lleva a que las características de absorción de la estructura también se puedan controlar dinámicamente.

Para investigar el rendimiento de absorción de la estructura diseñada, implementamos las simulaciones numéricas utilizando FDTD bidimensional. En nuestra simulación, establecemos la estructura en una condición de frontera periódica en la dirección x. Un rayo de onda plana de terahercios incide sobre el modelo normalmente a lo largo de la z dirección con su campo eléctrico E a lo largo de x dirección. La condición de límite de Bloch se aplica a la incidencia oblicua en la estructura periódica. Usamos 1-R-T para calcular la absorción del modelo, donde R y T representan reflectividad y transmisividad, respectivamente. Dado que el espesor del metal es mucho mayor que la profundidad de la piel de la luz incidente en el metal, la transmisividad T es cero. Por lo tanto, simplificamos la fórmula de cálculo para 1-R.

Resultados y discusión

En primer lugar, ajustamos el voltaje de cada capa de grafeno para lograr una absorción perfecta (de arriba a abajo, ajustamos con precisión la energía de Fermi E _f de cada capa de grafeno a 0.9, 0.9, 1.1, 0.8, 0.8, 1.1, 1.1, 0.9 y 0.8 eV). Como se muestra en la Fig. 2, de 3 a 7,8 Thz, la estructura propuesta tiene una absorción de banda ancha superior al 90% dentro de un ancho de banda de 4,8 Thz. La FWHM del absorbedor es de 5,4 Thz. El ancho de banda es aproximadamente \ (\ frac {BW} {f_0} \ times 100 \% \) =88.8% de la frecuencia central (aquí, BW es el ancho de banda y f ₀ es frecuencia central). También calculamos la absortividad media del absorbente, que llega hasta el 96,7%. Por otro lado, con el E _f =0 eV, la estructura propuesta será un reflector casi ideal con una reflexión de más del 90% en todo el ancho de banda de operación, y en la banda de alta frecuencia (aproximadamente 5,5 Thz más tarde), la reflexión incluso más del 97%. Por supuesto, también podemos ajustar el voltaje de cada capa de grafeno para obtener la amplitud deseada que puede tener aplicaciones potenciales en algunas áreas.

Los espectros de absorción calculados del absorbedor propuesto, donde la línea azul representa la absorción con alto voltaje y la línea roja indica la absorción sin voltaje aplicado

Para explicar la absorción casi perfecta en un ancho de banda ultra ancho, en primer lugar, discutimos la situación de una sola capa de grafeno. Como se muestra en la Fig. 3a, diseñamos la estructura con una sola capa de grafeno incrustada en el dieléctrico. Basándonos en plasmones de superficie de grafeno, investigamos el efecto de los parámetros relacionados con el grafeno en el rendimiento de absorción del absorbente, incluida la energía de Fermi E _f , el ancho W y la posición t de grafeno.

un Diagrama esquemático de una estructura de grafeno de una sola capa. b - d La absorción de la estructura de ancho diferente energía Fermi E _f , ancho W y posición t de la hoja de grafeno, respectivamente

La Figura 3b muestra la influencia del grafeno Fermi energy E _f en el espectro de absorción con W fijo y t . Como el aumento de E _f , la resonancia del plasmón de la superficie del grafeno se vuelve más fuerte, la absorción de la estructura es correspondientemente mayor. El pico de absorción supera incluso el 99% a 4,3 Thz con E _f =1,1 eV. Y el pico de absorción de resonancia se mueve a una frecuencia más alta, cambio al azul. De manera similar, la Fig. 3c, d muestra el espectro de absorción de la estructura con diferentes W o t con E sin cambios _f . Variando el W o t de la capa de grafeno, la amplitud y la frecuencia del pico de resonancia se cambian respectivamente. Este fenómeno puede explicarse mediante la teoría de circuitos [28]. En esta teoría, el grafeno se describe como una admitancia en derivación, luego el circuito equivalente de la estructura se puede modelar con líneas de transmisión y admitancia de grafeno. Según un trabajo anterior [28], la admitancia de grafeno se puede cambiar por el ancho W y la energía Fermi E _f del grafeno. Además, la admitancia de las líneas de transmisión correspondientes al dieléctrico está relacionada con el espesor del dieléctrico. En nuestra estructura, el dieléctrico está separado por una capa de grafeno. Por lo tanto, la posición t de la capa de grafeno también afecta la admisión de entrada de la estructura.

Como discutimos anteriormente, debido a la influencia de los parámetros relacionados con el grafeno en la admitancia de entrada de la estructura, los picos de absorción de resonancia del modelo también se ven afectados. Si la admitancia de entrada de la estructura coincide con la admitancia del espacio libre, se logra la absorción casi perfecta a una cierta frecuencia.

Luego, para lograr la absorción de banda ancha, debemos permitir los picos de absorción de resonancia que logran la coincidencia de admitancia cerca unos de otros. Como los picos de absorción están lo suficientemente cerca para fusionarse, se obtiene una absorción de banda ancha. Por lo tanto, agregamos capas de grafeno para obtener más picos de absorción de resonancia. Y al mismo tiempo, ajustamos los parámetros que afectan al pico de resonancia, incluido E _f , W y t para implementar el emparejamiento de admitancia. Primero agregamos dos capas de grafeno. Como se muestra en la Fig. 4a, tres capas de grafeno con diferente ancho W están incrustados en el dieléctrico. Hay un cierto intervalo t entre diferentes capas de grafeno o el grafeno inferior del dieléctrico. Ajustamos los parámetros relacionados con el grafeno a los valores apropiados, donde establecemos t =2 micras, E _f =0,9 eV y W =26, 21 y 20 μm, respectivamente (de abajo hacia arriba).

un Diagrama esquemático de una estructura de grafeno de tres capas. b Los espectros de absorción calculados de la estructura de grafeno de tres capas

Como se muestra en la Fig. 4b, la estructura tiene un ancho de banda de absorción casi perfecto de 1.3 Thz con una frecuencia central de 5.25 Thz. Se obtienen tres picos de resonancia a 4,7, 5,2 y 5,7 Thz correspondientes a la amplitud de absorción de 99,9, 99,9 y 99,1%, respectivamente. Para lograr una absorción de banda ultra ancha, similar a la estructura de grafeno de tres capas, agregamos más capas de grafeno y ajustamos los parámetros de grafeno de cada capa de grafeno a los valores apropiados. Suponemos que los parámetros estructurales son fijos y la producción está terminada; Podemos ajustar dinámicamente la energía Fermi del grafeno para lograr una absorción de banda ancha. Basándonos en el principio de coincidencia de impedancia y la experiencia de investigación de la estructura del grafeno de tres capas, primero asumimos que el nivel de Fermi de cada capa de grafeno es 1 eV. Como se muestra en la Fig. 5 (a), la absorción de la mayoría de las bandas es superior al 90% excepto para la banda "1" y "2". La Figura 5 (a – e) muestra el proceso de ajuste gradual para una perfecta absorción de las bandas “1” y “2”. Según la Fig. 6e, f, la absorción de la última banda “1” está dominada por la cuarta capa (de abajo hacia arriba), por lo que ajustamos la energía de Fermi de esta capa individualmente. Como se muestra en la Fig. 7, cuando la energía de Fermi es de 0,8 eV, el rendimiento de absorción es mejor. Esto se debe a que la energía de Fermi afecta la impedancia del grafeno y luego afecta la impedancia de entrada de toda la estructura. La energía Fermi más grande o más pequeña del grafeno conducirá a un desajuste de impedancia. De a a b, hemos mejorado el rendimiento de absorción de la banda "1" (en la banda antes de "1", las curvas ayb se superponen aproximadamente). De manera similar, encontramos que la distribución de energía en la banda "2" se concentra principalmente en las capas 5, 8 y 9. Primero fijamos la energía de Fermi de la octava y novena capa de grafeno en 0.9 y 0.8 eV, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 5, de bac, además de la inmersión "3" y "4", la absorción de la banda restante en "2" es superior al 90%. Luego, de acuerdo con la Fig. 6c, la inmersión “3” está influenciada principalmente por la quinta capa de grafeno, establecemos la energía de Fermi en 0.8 eV. De c ad, también se ha mejorado el rendimiento de absorción en la inmersión "3". Sin embargo, según la Fig. 6d, la inmersión "4" se ve afectada por todas las capas de grafeno. Por lo tanto, ajustamos la energía de Fermi de la capa de grafeno restante al valor apropiado. De d a e, se logra la absorción de banda ancha casi perfecta. En comparación con la estructura de grafeno de tres capas que se muestra en la Fig.4, se obtienen más picos de absorción de resonancia, los picos de absorción de diferentes frecuencias están cerca entre sí y se superponen para formar una absorción de banda ultraancha por encima del 90% con un ancho de banda de 4,8 Thz.

(a) - (e) muestran el proceso de ajuste gradual para una absorción perfecta. La energía fermi de cada capa de grafeno (de abajo hacia arriba) se establece como (a) [1] eV, (b) [1, 1, 1, 0.8, 1, 1, 1, 1, 1] eV, (c ) [1, 1, 1, 0.8, 1, 1, 1, 0.9, 0.8] eV, (d) [1, 1, 1, 0.8, 0.8, 1, 1, 0.9, 0.8] eV y (e) [0.9, 0.9, 1.1, 0.8, 0.8, 1.1, 1.1, 0.9, 0.8] eV

un - f Las distribuciones de la amplitud del campo eléctrico (| E |) del absorbedor propuesto a diferentes frecuencias

Espectros de absorción con diferentes E _f de la cuarta capa de grafeno y con E sin cambios _f de otras capas de grafeno

Para comprender el mecanismo físico detrás de la absorción casi perfecta de banda ultra ancha, también proporcionamos un cálculo y análisis detallados sobre las distribuciones de amplitud del campo eléctrico (| E |) de la estructura propuesta a diferentes frecuencias de operación. Como se muestra en la Fig. 6, la energía del campo de luz está confinada entre las diferentes capas de grafeno y dieléctrico, lo que conduce a una fuerte absorción. Las características de las distribuciones del campo eléctrico son consistentes con el espectro de absorción mostrado en la Fig. 2. A cierta frecuencia, por ejemplo, la Fig. 6b muestra que el confinamiento del campo eléctrico se debe principalmente al fuerte acoplamiento de grafeno y dieléctrico debido a la excitación. del plasmón de superficie localizado (LSP), la Fig. 6d muestra que los plasmas de superficie de grafeno juegan un papel importante en el confinamiento del campo eléctrico. La excitación del plasmón de superficie localizado (LSP) y los plasmas de superficie de grafeno contribuyen a la fuerte absorción juntos. Las figuras 6a, b, dy las figuras 6c, e, f muestran que el fuerte acoplamiento entre el grafeno y el dieléctrico a una cierta frecuencia puede ser causado por grafeno multicapa o grafeno monocapa, respectivamente. El apilamiento de alta absorción a diferentes frecuencias crea una absorción de banda ancha bajo la acción de todas las capas de grafeno.

Para ilustrar mejor el efecto de apilamiento, por ejemplo, según la Fig. 6e, f, la absorción de la última banda (aproximadamente 6,5 Thz más tarde) está dominada principalmente por la cuarta capa de grafeno (de abajo hacia arriba). Entonces, ajustamos el voltaje de esta capa de grafeno. Como se muestra en la Fig. 7, con el aumento de la energía de Fermi de la cuarta capa de grafeno, la amplitud de absorción de la banda después de aproximadamente 6.5 Thz aumenta gradualmente, pero casi no hay cambio en la banda antes de 6.5 Thz. Del mismo modo, también podemos ajustar de forma independiente una determinada banda afectada principalmente por otras capas de grafeno. Todas las bandas que se pueden ajustar de forma independiente para una alta absorción se superponen para formar eventualmente una absorción de banda ancha. Al igual que con el análisis de la Fig. 7, el fenómeno del ajuste independiente ilustra además que el efecto de apilamiento de todas las capas de grafeno logra una absorción de banda ancha casi perfecta.

Como se discutió anteriormente, el fuerte acoplamiento entre el grafeno y el dieléctrico juega un papel importante en la absorción de banda ancha. En las aplicaciones prácticas, esperamos que la absorción de banda ancha sea insensible a los ángulos de incidencia. Como se muestra en la Fig. 8, investigamos el efecto de los ángulos incidentes en el absorbedor. De la Fig. 8, podemos encontrar que el absorbedor propuesto es insensible a los ángulos incidentes. Aunque el ángulo de incidencia ha cambiado a 30 °, el rendimiento de absorción de la estructura casi no se ve afectado. A medida que el ángulo de incidencia aumenta a 50 °, aunque se reduce la eficiencia de absorción, el absorbedor aún mantiene una alta absorción de más del 90% en todo el ancho de banda operativo. Por lo tanto, el absorbedor puede funcionar bien con una alta eficiencia de absorción en un amplio rango de ángulos de incidencia.

Los espectros de absorción calculados del absorbedor con diferentes ángulos de incidencia

Finalmente, considerando las dificultades de la estructura multicapa en la fabricación, discutimos el efecto de los parámetros de estructura relevantes en el desempeño del absorbedor. Las figuras 9a, b muestran los espectros de absorción del absorbedor propuesto con diferente espesor de la capa dieléctrica H ₁ y con diferente espesor del SiO ₂ capa H ₂ , respectivamente. Como se muestra en la Fig. 9a, la altura más adecuada del dieléctrico H ₁ es de 21 μm. Sobre esta base, H ₁ aumente o disminuya 0.5 μm, el rendimiento del absorbedor casi no cambia. Incluso si H ₁ cambia en 1 μm, el absorbente aún mantiene una absorción superior al 90% en la mayoría de las bandas, excepto en la banda de alrededor de 7 Thz. Como se muestra en la Fig. 9b, en comparación con H ₁ , el absorbedor es más sensible a la altura del SiO ₂ H ₂ . Incluso en este caso, además de la banda alrededor de 6 y 7.1 Thz, el absorbedor también mantiene un buen desempeño en la mayoría de bandas. Como se discutió anteriormente, podemos encontrar que aunque el espesor de la capa dieléctrica y el SiO ₂ capa se cambian incluso en la escala de micrones, el absorbente aún mantiene un buen rendimiento de absorción en la mayoría de las longitudes de onda, lo que mejorará en gran medida la robustez del absorbente en la fabricación.

Los espectros de absorción simulados del absorbedor propuesto con diferente espesor de la capa dieléctrica y con diferente espesor del SiO ₂ capa correspondiente a a y b

Conclusiones

En este artículo, proponemos un absorbente de terahercios basado en grafeno sintonizable de banda ultra ancha que consta de varias capas de grafeno / dieléctrico. El absorbedor propuesto puede lograr una absorción de banda ancha superior al 90% con un ancho de banda de 4,8 Thz mediante la alteración de la energía de Fermi E _f de diferentes capas de grafeno. Con la E _f =0 eV, el diseño propuesto será un reflector casi ideal con una reflexión de más del 90% dentro de todo el ancho de banda de operación de 3–7,8 Thz. La absorción de banda ultra ancha se atribuye al efecto de apilamiento de una fuerte absorción de resonancia a diferentes frecuencias excitadas por plasmones de superficie localizados (LSP) y plasmones de superficie de grafeno. Además, el absorbedor propuesto es insensible a los ángulos de incidencia, y también encontramos que el espesor de la capa dieléctrica y el SiO ₂ La capa tiene poco efecto sobre el rendimiento de absorción, lo que es más beneficioso para aplicaciones prácticas. Además, el absorbente propuesto es simple, no depende de grafeno estructurado complejo y el ancho de banda puede ampliarse agregando más capas de grafeno. Este absorbedor de banda ancha sintonizable puede tener grandes aplicaciones potenciales en fotodetectores, imágenes y moduladores.

Abreviaturas

FDTD:: Dominio del tiempo de diferencia finita
LSP:: Plasmón de superficie localizado

Metasuperficies plasmónicas ópticamente activas basadas en la hibridación de acoplamiento en el plano y acoplamiento fuera del plano Microarreglos mesoporosos de VO2 bidimensionales para supercondensadores de alto rendimiento

Nanomateriales

Materiales poliméricos

Biologicos

Teñir

Especias