여러 층의 그래핀 리본을 기반으로 하는 조정 가능한 초광대역 테라헤르츠 흡수기 설계

초록

우리는 SiO₂에 다층 그래핀/유전체로 구성된 초광대역 그래핀 기반 메타물질 흡수체를 제안하고 수치적으로 시연합니다. 금속 기판에 의해 지지되는 층. 시뮬레이션된 결과는 제안된 흡수기가 4.8THz의 대역폭으로 90% 이상에서 거의 완벽한 흡수를 달성할 수 있음을 보여줍니다. 그래핀 시트의 유연한 조정 가능성으로 인해 그래핀의 페르미 에너지를 제어하여 3–7.8 THz의 주파수 범위에서 흡수체의 상태를 켜짐(흡수> 90%)에서 꺼짐(반사> 90%)으로 전환할 수 있습니다. 더욱이, 흡수체는 입사각에 둔감합니다. 광대역 흡수는 50°까지 90% 이상 유지될 수 있습니다. 중요한 것은 이미징, 센서, 광검출기 및 변조기에 폭넓게 응용될 수 있는 더 많은 그래핀 층을 추가하여 더 넓은 조정 가능한 테라헤르츠 흡수체를 개발하도록 설계를 확장할 수 있다는 것입니다.

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배경

최근 몇 년 동안 테라헤르츠 대역은 분광학, 의료 영상, 변조기, 보안 및 통신 분야의 거대한 응용으로 인해 가장 흥미로운 플랫폼 중 하나가 되었습니다[1,2,3]. 테라헤르츠 흡수체는 위의 분야에서 실용적인 응용을 찾을 수 있는 중요한 분야입니다[4,5,6]. 그러나, 흡수체의 좁은 대역폭, 낮은 흡수 효율 및 조절 불가능한 흡수 성능은 실제 적용을 크게 제한합니다. 테라헤르츠 흡수체의 적용을 더 잘 확장하기 위해서는 더 많은 새로운 장치와 재료가 시급히 필요합니다. 벌집 모양의 격자 구조를 갖는 2차원 물질인 그래핀은 전기장, 자기장, 게이트 전압 및 화학적 도핑에 의해 제어되는 전도도의 조정 가능성으로 인해 가장 유망한 물질 중 하나가 되었습니다[7,8,9,10 ,11,12,13,14]. 특히 그래핀은 테라헤르츠 범위의 표면 플라즈몬을 지지할 수 있습니다. 그래핀 표면 플라즈몬은 기존의 표면 플라즈몬 재료와 비교하여 낮은 손실, 유연한 조정성 등의 장점이 있습니다[15,16,17,18,19].

테라헤르츠 흡수체에서 그래핀 재료의 우수성으로 인해 제안되고 입증된 몇몇 그래핀 흡수체가 있다[20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 ,34]. 이론적 분석은 그래핀의 단일 층이 광학적으로 투명하고 흡수율이 2.3%임을 확인합니다[35,36,37]. 전자기 에너지의 구속을 강화하기 위해 그물 모양[20,21,22], 반점[23], 십자 모양[32]과 같은 주기적 패턴 그래핀 구조가 설계되었습니다. 그러나 이러한 흡수체는 복잡한 구조의 그래핀에 크게 의존하여 제작이 어렵습니다. 더욱이 운용 가능한 대역이 매우 좁고 보고된 대부분의 작품은 1.5THz 이상의 대역폭을 가지지 못한다[20,21,22,23,24,25,26,27,28]. 대역폭을 넓히기 위해 여러 다층 그래핀 구조가 제안되었습니다. 그러나 보고된 다층 구조도 그래핀의 매우 복잡한 구조에 의존하고 작동 대역폭이 충분히 길지 않습니다[32,33,34]. 또한 Zhao et al. 진폭 변조기[25]의 적용을 위해 전환 가능한 테라헤르츠 흡수기를 설계했습니다. 그래핀의 화학 포텐셜을 0에서 0.3 eV로 제어함으로써 설계된 구조의 상태는 0.53–1.05 THz의 주파수 범위에서 흡수(> 90%)에서 반사(> 82%)로 전환될 수 있습니다. 그러나 스위칭 강도가 충분히 높지 않고 변조 대역폭이 매우 좁기 때문에 실제로 더 많은 적용이 제한됩니다.

이 논문에서 우리는 3-7.8THz의 주파수 범위에서 90% 이상의 초광대역 흡수를 달성할 수 있는 다층 그래핀으로 구성된 조정 가능한 그래핀 기반 테라헤르츠 흡수체를 제시합니다. 흡수체의 평균 흡수율은 96.7% 이상입니다. 게다가, 제안된 흡수체는 더 높은 스위칭 강도를 가지며, 4.8 THz의 전체 대역폭에서 그래핀 층의 페르미 에너지를 변경하여 흡수 진폭을 거의 완벽한 흡수(> 90%)에서 높은 반사(> 90%)로 조정할 수 있습니다. 그래핀의 페르미 에너지가 0eV일 때 제안된 구조는 고주파 대역(약 5.5THz 이후)에서 97% 이상의 반사를 갖는 거의 완벽한 반사체가 될 것이다. 또한, 흡수체는 50°까지 90% 이상 흡수로 입사각에 독립적입니다. 우리가 아는 한, 우리는 먼저 초광대역 흡수를 실현하기 위해 2차원 다층 그래핀/유전체 구조를 제안합니다. 제안된 흡수체는 복잡한 패턴의 그래핀에 의존하지 않는 단순하고 다층 그래핀 구조의 제작에 큰 편의를 제공하는 디자인이다[38, 39]. 중요하게도, 테라헤르츠 광전자 장치에 광범위하게 적용될 수 있는 더 많은 그래핀 층을 추가하여 더 넓은 조정 가능한 테라헤르츠 흡수체를 개발하도록 설계를 확장할 수 있습니다.

방법

제안된 구조의 다이어그램은 그림 1에 나와 있으며, 이는 SiO₂의 유전체에 내장된 다층 그래핀으로 구성됩니다. 층과 바닥에 두꺼운 금속 반사판. 그림 1과 같이 상단에 다양한 너비(W )는 특정 간격 t에서 유전체에 포함됩니다. ₂ (그 ₂ =2μm). 너비 W 각 그래핀의 두께는 각각 5, 5, 27, 4, 4, 2, 21, 21, 26μm입니다(위에서 아래로). 각 레이어는 z에 대해 대칭입니다. -중심선. 거리 t ₁ 그래핀 층의 바닥과 SiO₂ 사이 층은 2μm입니다. 유전체의 두께는 H입니다. ₁ . 중간층은 SiO₂입니다. 두께 H ₂ . 바닥은 D 두께의 금속 필름입니다. . 단위의 기간은 P.입니다. 이러한 구조 매개변수의 초기 값은 H로 설정됩니다. ₁ =21μm, H ₂ =7μm, D =0.5μm, P =32μm. 바닥 금속 물질은 금이며 유전율은 다음과 같이 테라헤르츠 범위에서 Drude 모델로 적절하게 나타낼 수 있습니다.

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

여기서 상수 유전율 ε의 값 _∞ , 플라즈마 주파수 ω _p 및 충돌 빈도 γ 1, 1.38 × 10¹⁶ 으로 설정됩니다. rad/s 및 1.23 × 10¹³ s^{− 1} , 각각. 유전 물질 및 SiO₂의 유전율 재료는 각각 3과 4로 설정됩니다.

<그림>

아 그래핀 기반 광대역 흡수체의 개략도. ㄴ 계산에 사용된 매개변수가 있는 흡수기의 단면. ㄷ 외부 바이어스 회로의 개략도. 전압의 분기(V ₁ ~V ₉ )는 각각 다른 그래핀 층에 연결됩니다.

시뮬레이션에서 그래핀은 유전체에 내장된 초박막으로 처리됩니다. 밴드간 및 밴드내 기여에 의해 지배되는 복잡한 그래핀 표면 전도도는 Kubo 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다[40].

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

여기서 $ {f}_d\left(\varepsilon \right)={\left({e}^{\left(\varepsilon -{E}_f\right)/{k}_BT}+1\right)} ^{-1} $ 페르미-디랙 분포, w 라디안 주파수, ε 에너지, k _나 볼츠만 상수, τ 캐리어 이완 시간, T 온도(T =300 K), ℏ는 축소된 Plank 상수, E _f 페르미 에너지이다. Kubo 공식 (2)는 복합 그래핀 표면 전도도가 페르미 에너지 E에 의해 조정될 수 있음을 나타냅니다. _f . 각 층의 그래핀 페르미 에너지는 바이어스 전압에 의해 개별적으로 제어될 수 있으며, E _f 바이어스 전압은 [41, 42]로 쓸 수 있습니다.

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

여기서 v _F =0.9 × 10⁶ m/s는 페미 속도, V ₀ 전압 오프셋 [41], $ {a}_0=\frac{\varepsilon_0{\varepsilon}_d}{ed} $, a ₀ 는 구조의 용량성 모델이며, 여기서 ε ₀ 는 진공에서의 유전율입니다. ε _d 유전체의 유전율, d 는 유전체의 높이이며 e 전자의 전하이다. V _n (V ₁ ~V ₉ ) 즉, 도 1c의 추가 회로에서 그래핀에 인가되는 전압을 구할 수 있다. 식 (2)와 (3)에 따르면 그래핀의 표면 전도도는 인가 전압에 의해 제어될 수 있다. 그러면 고정 영역에서의 암페어 법칙과 옴의 법칙에 기초하여 그래핀의 유전율은 다음과 같이 구할 수 있다[43].

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

어느 t에서 _g 는 그래핀의 두께, ε ₀ 는 진공의 유전율이고 σ _g 는 그래핀의 표면 전도도입니다. 식 (4)에 따르면 그래핀의 유전율은 표면 전도도에 의해 구할 수 있으며, 이는 인가 전압으로도 얻을 수 있다. 따라서 식 (2-4)는 그래핀의 전자기적 특성이 인가된 전압에 의해 동적으로 제어될 수 있음을 나타내며, 이는 구조의 흡수 특성도 동적으로 제어될 수 있음을 의미한다.

설계된 구조의 흡수 성능을 조사하기 위해 2차원 FDTD를 사용하여 수치 시뮬레이션을 구현합니다. 시뮬레이션에서 구조를 x 방향의 주기적인 경계 조건으로 설정했습니다. 테라헤르츠 평면파 빔은 일반적으로 z를 따라 모델에 입사합니다. x를 따라 전기장 E가 있는 방향 방향. Bloch 경계 조건은 주기 구조에서 경사 입사에 적용됩니다. 1-R-T를 사용하여 모델의 흡수를 계산합니다. 여기서 R과 T는 각각 반사율과 투과율을 나타냅니다. 금속의 두께가 금속에 입사되는 빛의 표피 깊이보다 훨씬 크기 때문에 투과율 T는 0입니다. 따라서 1-R에 대한 계산 공식을 단순화합니다.

결과 및 토론

첫째, 완벽한 흡수를 달성하기 위해 각 그래핀 층의 전압을 조정합니다(위에서 아래로 페르미 에너지 E를 미세 조정합니다. _f 각 그래핀 층의 0.9, 0.9, 1.1, 0.8, 0.8, 1.1, 1.1, 0.9 및 0.8 eV). Fig. 2에서 보는 바와 같이 3 ~ 7.8 THz 범위에서 제안된 구조는 4.8 THz의 대역폭 내에서 90% 이상의 광대역 흡수를 갖는다. 흡수기의 FWHM은 5.4THz입니다. 대역폭은 중심 주파수의 약 $ \frac{BW}{f_0}\times 100\% $ =88.8%입니다(여기서는 BW 는 대역폭이고 f ₀ 중심 주파수)입니다. 우리는 또한 96.7%만큼 높은 흡수체의 평균 흡수율을 계산합니다. 반면에 E _f =0 eV일 때, 제안된 구조는 전체 동작 대역폭에 걸쳐 90% 이상의 반사율을 갖는 거의 이상적인 반사체가 될 것이며, 고주파수 대역(약 5.5THz 이후)에서는 반사율이 97% 이상일 것입니다. 물론 일부 영역에서 잠재적으로 적용될 수 있는 원하는 진폭을 얻기 위해 각 그래핀 층의 전압을 조정할 수도 있습니다.

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제안된 흡수체의 계산된 흡수 스펙트럼. 파란색 선은 고전압 흡수를 나타내고 빨간색 선은 전압이 인가되지 않은 흡수를 나타냅니다.

초광대역폭에서 거의 완벽에 가까운 흡수를 설명하기 위해 먼저 단일 그래핀 층의 상황에 대해 논의합니다. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 유전체에 단 하나의 그래핀 층만 포함된 구조를 설계했습니다. 그래핀 표면 플라즈몬을 기반으로 페르미 에너지 E를 포함하여 흡수체의 흡수 성능에 대한 그래핀 관련 매개변수의 영향을 조사합니다. _f , 너비 W 및 위치 t 그래핀.

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아 단층 그래핀 구조의 개략도. ㄴ –d 구조 폭 다른 페르미 에너지의 흡수 E _f , 너비 W , 위치 t 그래핀 시트의 각각

그림 3b는 그래핀 페르미 에너지 E의 영향을 보여줍니다. _f 고정된 W의 흡수 스펙트럼에서 그리고 t . E가 증가함에 따라 _f , 그래핀 표면 플라즈몬 공명이 더 강해지고, 그에 따라 구조의 흡수가 더 높아진다. E의 경우 4.3THz에서 99% 이상의 흡수 피크 _f =1.1eV. 그리고 공명 흡수 피크는 더 높은 주파수, 즉 청색 편이로 이동합니다. 유사하게, 그림 3c, d는 W가 다른 구조의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 또는 t 변경되지 않은 E _f . W를 변경하여 또는 t 그래핀 층의 공명 피크의 진폭과 주파수는 각각 변화한다. 이러한 현상은 회로이론[28]으로 설명할 수 있다. 이 이론에서 그래핀은 션트 어드미턴스로 설명되며 구조의 등가 회로는 전송선과 그래핀 어드미턴스로 모델링될 수 있습니다. 이전 연구[28]에 따르면 그래핀 어드미턴스는 너비 W 페르미 에너지 E _f 그래핀의. 또한 유전체에 해당하는 전송 라인의 어드미턴스는 유전체의 두께와 관련이 있습니다. 우리 구조에서 유전체는 그래핀 층으로 분리됩니다. 따라서 위치 t 그래핀 층의 또한 구조의 입력 어드미턴스에 영향을 미칩니다.

위에서 논의한 바와 같이 구조의 입력 어드미턴스에 대한 그래핀 관련 매개변수의 영향으로 인해 모델의 공명 흡수 피크도 영향을 받습니다. 구조의 입력 어드미턴스가 자유 공간 어드미턴스와 일치하면 특정 주파수에서 거의 완벽한 흡수가 달성됩니다.

그런 다음 광대역 흡수를 달성하려면 서로 근접한 어드미턴스 매칭을 달성하는 공명 흡수 피크를 허용해야 합니다. 흡수 피크가 병합될 만큼 충분히 가까우므로 광대역 흡수가 얻어집니다. 따라서 더 많은 공명 흡수 피크를 얻기 위해 그래핀 층을 추가합니다. 동시에 E를 포함하여 공명 피크에 영향을 미치는 매개변수를 조정합니다. _f , W , 그리고 t 어드미턴스 매칭을 구현합니다. 먼저 두 개의 그래핀 레이어를 추가합니다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 서로 다른 폭 W을 갖는 3층의 그래핀 유전체에 내장되어 있습니다. 일정한 간격이 있습니다 t 다른 층의 그래핀 사이 또는 유전체의 바닥 그래핀 사이. 그래핀 관련 매개변수를 적절한 값으로 조정합니다. 여기서 t =2μm, E _f =0.9eV 및 W =26, 21, 20μm(아래에서 위로).

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아 3층 그래핀 구조의 개략도. ㄴ 3층 그래핀 구조의 계산된 흡수 스펙트럼

도 4b에 도시된 바와 같이, 구조는 5.25 THz의 중심 주파수와 1.3 THz의 거의 완벽한 흡수 대역폭을 갖는다. 4.7, 5.2 및 5.7THz에서 3개의 공명 피크가 각각 99.9, 99.9 및 99.1%의 흡수 진폭에 해당하여 얻어집니다. 3층 그래핀 구조와 유사한 초광대역 흡수를 달성하기 위해 더 많은 그래핀 층을 추가하고 각 그래핀 층의 그래핀 매개변수를 적절한 값으로 조정합니다. 우리는 구조적 매개변수가 고정되어 있고 생산이 완료되었다고 가정합니다. 광대역 흡수를 달성하기 위해 그래핀의 페르미 에너지를 동적으로 조정할 수 있습니다. 임피던스 정합의 원리와 3층 그래핀 구조에 대한 연구 경험을 바탕으로 먼저 그래핀 각 층의 페르미 준위가 1 eV라고 가정합니다. Fig. 5(a)와 같이 “1”과 “2” 밴드를 제외한 대부분의 밴드의 흡수율은 90% 이상이다. 그림 5(a-e)는 "1" 및 "2" 밴드의 완벽한 흡수를 위한 점진적 조정 과정을 보여줍니다. 그림 6e, f에 따르면 마지막 밴드 "1"의 흡수는 네 번째 레이어(아래에서 위쪽으로)가 지배하므로 이 레이어의 페르미 에너지를 개별적으로 조정합니다. 그림 7과 같이 페르미 에너지가 0.8eV일 때 흡수 성능이 가장 좋다. 이는 페르미 에너지가 그래핀의 임피던스에 영향을 미치고, 그 다음 전체 구조의 입력 임피던스에 영향을 미치기 때문이다. 그래핀의 페르미 에너지가 크거나 작을수록 임피던스 불일치가 발생합니다. ~에서 b까지 "1" 밴드의 흡수 성능을 개선했습니다("1" 이전 밴드에서 곡선과 b가 대략 겹침). 유사하게, 우리는 "2" 밴드의 에너지 분포가 주로 5, 8, 9층에 집중되어 있음을 발견했습니다. 먼저 그래핀 8층과 9층의 페르미 에너지를 각각 0.9와 0.8eV로 설정했습니다. 도 5에 도시된 바와 같이 b에서 c까지 dip "3"과 "4" 외에 "2"의 나머지 밴드의 흡수는 90% 이상이다. 그런 다음 그림 6c에 따르면 딥 "3"은 주로 그래핀 5층의 영향을 받으므로 페르미 에너지를 0.8 eV로 설정합니다. c에서 d로 딥 "3"에서의 흡수 성능도 향상되었습니다. 그러나 그림 6d에 따르면 딥 "4"는 그래핀의 모든 층에 영향을 받습니다. 따라서 나머지 그래핀 층의 페르미 에너지를 적절한 값으로 조정합니다. d에서 e까지 거의 완벽한 광대역 흡수가 달성됩니다. 도 4에 도시된 3층 그래핀 구조와 비교하여 더 많은 공명 흡수 피크가 얻어지고, 서로 다른 주파수의 흡수 피크가 서로 가까우며 중첩되어 4.8 THz의 대역폭으로 90% 이상의 초광대역 흡수를 형성한다.

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(a)-(e)는 완벽한 흡수를 위한 점진적인 조정 과정을 보여줍니다. 그래핀의 각 층(아래에서 위로)의 페르미 에너지는 (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 및 (e) [0.9, 0.9, 1.1, 0.8, 0.8, 1.1, 1.1, 0.9, 0.8] eV

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아 –f 전기장 진폭의 분포(|E |) 다른 주파수에서 제안된 흡수체의

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E가 다른 흡수 스펙트럼 _f 그래핀의 네 번째 층과 변경되지 않은 E _f 다른 그래핀 층

초광대역 거의 완벽한 흡수 뒤에 있는 물리적 메커니즘을 이해하기 위해 제안된 구조의 다양한 작동 주파수에서 전기장 진폭(|E|) 분포에 대한 자세한 계산 및 분석도 제공합니다. 도 6에 도시된 바와 같이, 라이트 필드의 에너지는 상이한 그래핀 층과 유전체 사이에 한정되어 강한 흡수를 유도한다. 전기장 분포의 특성은 그림 2에 표시된 흡수 스펙트럼과 일치합니다. 예를 들어 그림 6b는 특정 주파수에서 전기장 구속이 여기로 인한 그래핀과 유전체의 강한 결합으로 인한 것임을 보여줍니다. 국부적 표면 플라스몬(LSP)의 그림 6d는 그래핀 표면 플라스마가 전기장 구속에서 중요한 역할을 한다는 것을 보여줍니다. 국소 표면 플라스몬(LSP)과 그래핀 표면 플라스마의 여기가 함께 강한 흡수에 기여합니다. 그림 6a, b, d 및 그림 6c, e, f는 특정 주파수에서 그래핀과 유전체 사이의 강한 결합이 각각 다층 그래핀 또는 단층 그래핀에 의해 발생할 수 있음을 보여줍니다. 서로 다른 주파수에서 높은 흡수의 적층은 모든 그래핀 층의 작용하에 광대역 흡수를 생성합니다.

스택 효과를 더 잘 설명하기 위해, 예를 들어 그림 6e, f에 따르면 마지막 밴드의 흡수(약 6.5THz 이후)는 주로 그래핀의 네 번째 레이어(아래에서 위로)가 지배합니다. 그래서 우리는 이 그래핀 층의 전압을 조정합니다. 도 7에 도시된 바와 같이 그래핀 4층의 페르미 에너지가 증가함에 따라 약 6.5 Thz 이후 대역의 흡수 진폭은 점차 증가하지만 6.5 THz 이전 대역에는 거의 변화가 없다. 유사하게, 다른 그래핀 층에 의해 주로 영향을 받는 특정 밴드를 독립적으로 조정할 수도 있습니다. 높은 흡수를 위해 독립적으로 조정할 수 있는 모든 밴드가 중첩되어 결국 광대역 흡수를 형성합니다. 도 7의 분석에서와 같이, 독립 조정 현상은 그래핀의 모든 층의 적층 효과가 거의 완벽한 광대역 흡수를 달성함을 추가로 보여준다.

위에서 논의한 바와 같이, 그래핀과 유전체 사이의 강한 결합은 광대역 흡수에서 중요한 역할을 한다. 실제 적용에서 광대역 흡수가 입사각에 둔감하기를 바랍니다. 그림 8과 같이 흡수체에 대한 입사각의 영향을 조사합니다. Fig. 8에서 제안한 흡수체가 입사각에 둔감함을 알 수 있다. 입사각이 30°로 변경되었지만 구조의 흡수 성능에는 거의 영향이 없습니다. 입사각이 50°로 증가함에 따라 흡수 효율은 감소하지만, 흡수기는 여전히 전체 작동 대역폭에서 90% 이상의 높은 흡수를 유지합니다. 따라서 흡수체는 넓은 입사각 범위에서 높은 흡수 효율로 잘 작동할 수 있습니다.

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입사각이 다른 흡수체의 계산된 흡수 스펙트럼

마지막으로, 제조에서 다층 구조의 어려움을 고려하여 관련 구조 매개변수가 흡수체 성능에 미치는 영향에 대해 논의합니다. 그림 9a, b는 유전체층 H의 두께가 다른 제안된 흡수체의 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. ₁ 그리고 SiO₂의 다른 두께로 레이어 H ₂ , 각각. 그림 9a와 같이 유전체 H의 가장 적합한 높이는 ₁ 21μm이다. 이를 바탕으로 H ₁ 0.5μm 증가 또는 감소, 흡수체의 성능은 거의 변화가 없습니다. H ₁ 1μm만큼 변화하더라도 흡수체는 7THz 주변 대역을 제외한 대부분의 대역에서 여전히 90% 이상의 흡수를 유지합니다. H와 비교하여 Fig. 9b와 같이 ₁ , 흡수체는 SiO₂의 높이에 더 민감합니다. 안 ₂ . 이 경우에도 6, 7.1Thz 부근의 대역 외에 대부분의 대역에서 흡수체도 좋은 성능을 유지하고 있다. 위에서 논의한 바와 같이 유전층과 SiO₂의 두께가 층이 마이크론 규모에서도 변경되더라도 흡수체는 대부분의 파장에서 여전히 우수한 흡수 성능을 유지하므로 제조 시 흡수체의 견고성이 크게 향상됩니다.

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유전층의 두께가 다르고 SiO₂의 두께가 다른 제안된 흡수체의 시뮬레이션된 흡수 스펙트럼 a에 해당하는 레이어 그리고 b

결론

이 논문에서 우리는 그래핀/유전체의 다층으로 구성된 초광대역, 가변 그래핀 기반 테라헤르츠 흡수체를 제안합니다. 제안된 흡수체는 페르미 에너지 E를 변경하여 4.8THz의 대역폭으로 90% 이상의 광대역 흡수를 달성할 수 있습니다. _f 다양한 그래핀 층의 E _f =0 eV인 경우 제안된 설계는 3–7.8 THz의 전체 작동 대역폭 내에서 90% 이상의 반사를 갖는 거의 이상적인 반사기가 될 것입니다. 초광대역 흡수는 LSP(localized surface plasmon) 및 그래핀 표면 플라즈몬에 의해 여기되는 서로 다른 주파수에서 강한 공명 흡수의 적층 효과에 기인합니다. 또한 제안된 흡수체는 입사각에 둔감하며 유전층과 SiO₂의 두께가 층은 흡수 성능에 거의 영향을 미치지 않으므로 실제 적용에 더 유리합니다. 또한, 제안된 흡수체는 복잡한 구조의 그래핀에 의존하지 않는 단순하고 더 많은 그래핀 층을 추가함으로써 대역폭을 넓힐 수 있다. 이 조정 가능한 광대역 흡수체는 광검출기, 이미징 및 변조기에서 잠재적으로 큰 응용 분야를 가질 수 있습니다.

약어

FDTD:: 유한 차분 시간 영역
LSP:: 국부적 표면 플라스몬

In-Plane Coupling과 Out-of-Plane Coupling의 혼성화에 기반한 광학 활성 플라즈몬 메타표면 고성능 슈퍼커패시터용 2차원 VO2 메조포러스 마이크로어레이

나노물질