Terahertz 범위에서 흡수 및 편광 변환의 전환 기능을 갖춘 다기능 장치

방법

흡수 모드와 편광 변환(PC) 모드 간 전환 능력을 얻기 위해 MFD는 그림 1과 같이 두 가지 범주의 메타표면을 포함합니다. 한 유형은 흡수 메타표면(AM)이고 다른 유형은 PC 메타표면(PCM)입니다. MFD의 일반적인 구성은 그림 1과 같이 PCM 구조, AM 구조, Metallic Mirror, 이들을 분리하는 절연체로 구성된다. 흡수 모드에서 AM은 충돌하는 파동을 지배하고 입사 전력을 분산시키고 PCM은 이 모드에서 아무 소용이 없다고 가정합니다. PC 모드에서는 AM이 중화되어야 하며 PCM이 주도적인 역할을 합니다. 따라서 입사파의 편광 상태가 변환됩니다. 위의 주장을 달성하기 위한 핵심은 PC 모드에서 AM을 무력화하는 것입니다. 따라서 AM의 속성을 조정할 수 있는 AM을 구성하려면 조정 가능한 재료를 사용해야 합니다. 다행스럽게도 그래핀은 도핑 수준이나 전기 격자를 조정하여 초고도 전자 이동도와 조정 가능한 전도도를 보여줍니다[26, 27]. 따라서 AM 설계에 그래핀을 활용하는 것이 좋습니다. 그래핀의 전도도는 Kubo 공식 (1)로 나타낼 수 있으며, 이는 intraband 및 interband 기여도를 포함합니다.

MFD의 일반적인 구성

여기서 e , ℏ, 카 _나 , T , 및 μ _ㄷ 전자의 전하, 환원 플랑크 상수, 볼츠만 상수, 켈빈 온도 및 화학 포텐셜을 각각 나타냅니다. Γ 는 현상학적 산란율이며 에너지 ε와 무관하다고 가정합니다. . 따라서 복합 전도도 σ _s 화학적 전위를 조정하여 조정할 수 있습니다(μ _ㄷ ) 바이어스 전압으로. Eq.에서 찾을 수 있습니다. (1) μ의 경우 _ㄷ =0 eV, 그래핀의 전도도는 이 경우 낮은 캐리어 밀도로 인해 매우 작다. 따라서 그래핀은 유전체 기판으로 작동합니다. 또한 그래핀 층이 매우 얇기 때문에 μ의 조명된 EM파에 거의 영향을 미치지 않습니다. _ㄷ =0 eV. 그러나 그래핀의 캐리어 밀도는 화학적 포텐셜(μ _ㄷ ) 및 복소 전도도(σ _s ) 그래핀의 화학적 포텐셜(μ)이 증가함에 따라 향상됩니다. _ㄷ ) [26, 27]. 따라서 그래핀은 큰 μ _ㄷ [26, 28,29,30], SPP는 입사파를 제한합니다. SPP를 더욱 강화하고 특정 주파수에서 파동 흡수를 달성하려면 그래핀 층에 주기적 구조를 식각하여 AM이라고 하는 메타표면을 형성해야 합니다. 따라서 μ를 설정하면 _ㄷ =0인 경우 AM은 얇은 유전체 기판으로 간주될 수 있으며 EM파에 거의 투명합니다. 따라서 입사 EM파가 PCM 층에 집중될 수 있으며 장치는 PC 모드에서 작동합니다. 적절한 큰 μ의 경우 _ㄷ , AM의 향상된 SPP는 대부분의 입사 EM 파를 제한하므로 PCM 레이어를 사용할 수 없습니다. 이에 따라 입사 EM파는 AM 층에서 소산됩니다.

위의 논의에 따라 금 기반 PCM과 그래 핀 기반 AM을 사용하는 로우 프로파일 MFD가 그림 2와 같이 제안되었습니다. 그림 2a는 셀의 3D 뷰입니다. 그림에서 금 기반 PCM의 한 층이 기판 TOPAS 폴리머의 상단에 인쇄되어 있음을 알 수 있습니다[31]. PCM 패턴은 광대역과 좋은 편광 변환 특성을 가진 이중 L자 구조입니다[18, 19]. 도 2a에 도시된 바와 같이 그래핀 기반 AM이 h 간격으로 TOPAS 고분자 기판에 삽입된다. ₁ PCM에. 그래핀 기반 AM이 흡수 모드에서 지배적인 역할을 하려면 AM이 특정 화학 포텐셜(μ _ㄷ ) 대부분의 입사 전력을 제한하고 PCM을 무력화합니다. 이를 위해 그림 2b와 같이 그래핀 층에 교차 슬롯 패턴이 에칭됩니다. 교차 슬롯 패턴은 주기적인 변화를 가져온다고 가정합니다(σ =0) 그래핀의 균일한 복합 전도도에 대한 것으로, 이는 전하 밀도 재배열 및 집속으로 이어진다. 따라서 SPP가 생성되고 향상됩니다. 그림 2b에서 설명한 것처럼 교차 슬롯 구조는 슬롯 주변에 캐리어와 필드를 집중할 수 있어 강력한 SPP를 보장합니다. 슬롯 길이 l ₁ 그리고 나 ₂ AM의 공진이 PCM의 작동 범위에 포함되도록 선택하고 있습니다. 따라서 AM의 한 셀에는 3 × 3개의 교차 슬롯 패턴이 있습니다. PCM과 AM은 화학적 전위(μ)에 의해 on-off가 제어되므로 독립적으로 움직이고 작동합니다. _ㄷ ); 따라서 PCM 패턴과 AM 패턴은 다른 아키텍처일 수 있습니다. TOPAS 폴리머는 광대역 테라헤르츠 설계를 위한 우수한 기판 소재로 굴절률이 약 1.53으로 매우 낮은 손실을 보입니다. 전체 반사를 위해 TOPAS 폴리머 기판의 바닥에 금 층이 인쇄됩니다. 금 층은 Si일 수 있는 기판에 의해 지지됩니다. 금의 두께는 200nm입니다. 금층을 관통하는 충돌파가 없기 때문에 지지 재료는 MFD의 성능에 영향을 미치지 않습니다. 그림 2c의 어레이의 3D 보기에서 알 수 있듯이 전압을 바이어싱하여 화학 전위를 조정할 수 있습니다. MFD는 성장과 전사 과정을 반복하여 제작할 수 있다[32, 33]. 그래핀 AM은 T를 가져야 합니다. =300K 및 운동량 완화 시간 τ =0.1ps. PC 모드의 경우 μ _ㄷ =0 eV. 흡수 모드의 화학적 잠재력은 μ입니다. _ㄷ =0.7eV. MFD의 최적화된 매개변수는 h입니다. ₀ =17μm, h ₁ =1.5μm, l ₀ =24μm, W ₀ =2μm, l ₁ =14μm, l ₂ =19.8μm 및 p =50μm.

흡광도 및 편광 변환 모드가 있는 제안된 MFD의 개략도. 아 세포의 3D 보기입니다. ㄴ 한 셀에 있는 그래핀 AM의 평면도. ㄷ 어레이의 3D 보기

결과, 물리적 메커니즘 및 토론

결과

제안된 MFD를 시뮬레이션하여 제안한 MFD의 PCR(polarization conversion ratio)과 흡수율을 계산하였다. 그림 3a와 같이 주파수 영역 솔버를 사용하여 CST Studio Suite에서 전파 분석을 수행합니다. 따라서 단위 셀 경계는 주변에 설정되고 플로켓 포트는 계산 영역의 상단에 설정됩니다. AM이 없는 구조의 PCR 및 흡수율도 비교를 위해 그림에 표시됩니다. PCR 및 흡수율은 금층으로 인해 투과가 없기 때문에 구조의 반사 계수를 통해 계산할 수 있습니다[34]. 여기에서 용어는 y에 따라 명시적으로 정의됩니다. -편광 조명. y의 전기장 -편파 입사파는 E로 정의됩니다. _이 , 반사파에는 y가 포함됩니다. -편극된 전기장(E _리 ) 및 x -극성 전기 도주(E _rx ). 그런 다음, 공편광 및 교차편광의 반사 계수는 r로 정의됩니다. _yy =E _리 /이 _이 그리고 r _xy =E _rx /이 _이 , 각각. 따라서 PCR과 흡수율은 Eqs로 계산할 수 있습니다. (2) 및 (3), 각각. x의 PCR 및 흡수율에 유의하십시오. -편광 입사는 Eqs에 따라 유사하게 계산될 수 있습니다. (2) 및 (3).

<사진>

제안된 MFD의 PCR 및 흡수율 계산. 아 시뮬레이션 모델. ㄴ PC 모드 및 흡수 모드의 계산 결과; AM이 없는 구조의 결과도 비교를 위해 시연됩니다. ㄴ AM이 없는 구조의 PCR 및 흡수율은 각각 실선 원 표시가 있는 빨간색 곡선과 반 실선 원 표시가 있는 카민 곡선으로 표시됩니다. 제안된 MFD의 PC 모드에 대해 PCR 및 흡수율은 각각 실선 5개 별 표시가 있는 파란색 곡선과 반고체 델타 표시가 있는 청록색 곡선으로 표시됩니다. 제안된 MFD의 흡수 모드에 대해 흡수율은 전체 구 표시가 있는 숨겨진 파란색 곡선으로 표시됩니다.

$$ \mathrm{PCR}={r^2}_{xy}/\left({r^2}_{yy}+{r^2}_{xy}\right) $$ (2) $$ \mathrm{Abs}.=1-{r^2}_{yy}-{r^2}_{xy} $$ (3)

그림 3b와 같이 MFD는 μ로 PC 모드에서 동작한다. _ㄷ =0 eV, μ로 흡수 모드에서 작동 _ㄷ =0.7eV. PC 모드에서 구조는 편광 변환기로 작동하며 선형 편광 입사파를 직교 편광파로 회전시킵니다. PC 모드의 경우 PCR은 2.11~3.63THz 대역에서 0.9보다 크고(2.87THz에서 53.0%), 흡수율은 작고 대역에서 0.14~0.27 범위입니다. AM이 없는 구조의 경우 PC 모드와 거의 동일한 PCR 대역을 가지며 흡수율은 0.06~0.09입니다. 흡수 모드에서는 그림과 같이 대부분의 입사파가 대역에서 흡수됩니다. 흡수 모드에 대한 PCR 곡선은 의미가 없으므로 표시되지 않습니다. 흡수율은 1.59–4.54THz 대역에서 80%보다 큽니다(3.06THz에서 96.4%). 따라서 제안된 구조는 화학 포텐셜을 조정하여 PC 모드와 흡수 모드 사이를 전환할 수 있습니다.

물리적 메커니즘

두 모드의 스위칭 특성의 물리적 메커니즘을 더 밝히기 위해 PC 모드와 구조의 흡수 모드에서 전기 에너지 밀도가 그림 각각 4와 5. PC 모드의 전류 분포도 그림 4에 표시되어 분극 변환 특성을 나타냅니다. 흡수 모드의 전류 분포는 이 모드에서 전류가 감쇠되고 소산되기 때문에 표시되지 않습니다. 필드 분포는 y 아래에서 얻습니다. -편광 조명.

<그림>

PC 모드의 필드 분포(μ _ㄷ =0 eV). 아 2.56테라헤르츠. ㄴ 3.22THz

<사진>

흡수 모드의 필드 분포(μ _ㄷ =0.7 eV). 아 1.7테라헤르츠. ㄴ 3.3THz

PC 모드의 경우(μ _ㄷ =0 eV), 2.56THz와 3.22THz의 두 주파수가 각각 그림 4a와 b에서 필드 분포를 나타내기 위해 선택됩니다. 그림의 왼쪽 부분은 전기 에너지 밀도이고 오른쪽 부분은 전류입니다. 그림에서 보는 바와 같이 2.56THz와 3.22THz의 필드 분포는 서로 매우 유사하여 넓은 동작 대역을 의미한다. 그림 4a, b의 왼쪽 부분의 전기 에너지 밀도에서 에너지는 주로 L자형 구조(PCM)에 집중됩니다. PCM이 μ에 주도적인 역할을 하는 것으로 나타납니다. _ㄷ =0 eV. 그림 4a, b의 오른쪽 부분의 전류에서 2.56THz와 3.22THz의 전류도 PCM에 집중되고 AM의 전류는 약하다. 점선 화살표는 전류의 벡터를 나타냅니다. 와 -편광 조명은 x를 생성합니다. -분극 변환을 달성하는 L 자형 구조의 벡터 전류.

흡수 모드의 경우(μ _ㄷ =0.7 eV), 1.7 THz와 3.3 THz의 전기 에너지 밀도는 그림 5a와 b에 각각 그려져 있다. 그림과 같이 두 주파수의 전기에너지 밀도는 AM에 주로 분포되어 있다. 또한 에너지가 교차 슬롯 패턴에 집중되어 있음을 알 수 있습니다. 따라서 SPP 효과는 AM의 교차 슬롯에 의해 향상됩니다. 강력한 SPP 효과는 AM에 대한 필드 향상으로 이어지며 AM에 지배적인 역할을 부여합니다. 따라서 입사파는 AM에서 제한되고 소멸됩니다. 또한 밴드의 80-90% 흡수율과 같이 완벽한 흡수를 하지 못하는 PCM에 여전히 일부 에너지가 퍼져 있음이 발견되었습니다.

토론

제안된 MFD의 특성을 더 밝히기 위해 이 섹션에서는 매개변수 연구를 논의합니다. 그림 6a 및 b는 각각 PCR 및 흡수 특성을 화학 포텐셜(μ _ㄷ ). 도 6a에 도시된 바와 같이, 더 작은 μ _ㄷ AM의 전도도가 작다는 것을 의미하고 PCM이 더 강한 역할을 합니다. 따라서 μ로 좋은 PCR이 관찰됩니다. _ㄷ =0 eV, μ가 증가함에 따라 악화됨 _ㄷ . MFD의 흡수 특성은 Fig. 6b와 같이 거의 반대 경향을 보인다. μ와 함께 _ㄷ 0에서 1 eV로 증가하면 AM의 SPP가 영감을 받고 향상됩니다. 따라서 입사된 EM파는 AM에 국한되어 전력이 흡수됩니다. μ _ㄷ =0.7 eV는 가장 넓은 대역폭에 대해 선택됩니다. 또한 그림 6a에서 1.85THz 주변의 PCR 값이 0.7eV <μ에 대해 80%보다 큰 것을 알 수 있습니다. _ㄷ <1eV; 그러나 대부분의 힘은 이러한 μ _ㄷ s는 도 6b에 나타낸 바와 같다. 따라서 화학적 포텐셜(μ _ㄷ )는 PCR 및 흡수 특성을 조정하는 중요한 매개 변수입니다.

<그림>

다양한 화학적 잠재력에 대한 제안된 MFD의 특성(μ _ㄷ ). 아 PCR. ㄴ 흡수

다양한 편광 각도에 대한 흡수 모드의 흡수율(φ ₁ 및 φ ₂ )는 그림 7에 도시되어 있다. 그림 7a에 도시된 바와 같이, φ ₁ 및 φ ₂ x에 대한 입사 전기장의 각도입니다. - 그리고 y - 각각의 축. MFD의 대칭 구조에 따르면, φ ₁ 및 φ ₂ 0에서 45°까지 다양합니다. 도 7b에서 φ ₁ 0에서 45°로 증가, 밴드의 흡수율은 0.8에서 거의 1로 증가했지만 밴드는 φ가 증가함에 따라 약간 좁아졌습니다. ₁ . 도 7c에 도시된 바와 같이, φ의 증가는 ₂ 2~3THz 부근에서 흡수율을 낮추고 1.7THz와 4THz 부근에서 두 개의 흡수 대역을 얻습니다.

<그림>

흡수 모드의 흡수 특성(μ _ㄷ =0.7 eV) 다양한 편광 각도(φ)에 대한 수직 입사에서 ). 아 φ ₁ 및 φ ₂ x-에 대한 입사 전기장의 각도입니다. 그리고 y - 각각의 축. ㄴ φ ₁ . ㄷ φ ₂

입사각(θ)에 따른 PC 모드와 흡수 모드의 성능 )는 도 1 및 도 2에 제시되어 있다. 각각 8번과 9번. 그림 8a 및 b는 s의 PCR 플롯을 보여줍니다. - 및 p - 입사각이 0~80°인 편광 입사파. 그림에서 보는 바와 같이 θ가 증가할수록 PCR이 악화됨; 그러나 θ에 대해서도 좋은 PCR 특성을 얻습니다. 40°보다 작습니다. PCR 대역폭은 입사각(θ ). 또한 s의 PCR 성능이 -편광 입사는 입사각(θ)에 둔감합니다. ) 약 2.1THz의 주파수에 대해.

<그림>

PC 모드의 PCR 특성(μ _ㄷ =0 eV) 다른 입사각에 대해 a로 조명 s -극화 및 b 피 -편파

<그림>

흡수 모드의 흡수 특성(μ _ㄷ =0.7 eV) 다른 입사각에 대해 a로 조명 s -극화 및 b 피 -편파

흡수 모드의 경우 의 흡수 플롯 - 및 p -편광된 입사파는 입사각(θ)으로 각각 Fig. 9a와 b에 표시됩니다. ) 범위는 0~80°입니다. 일반적으로 s의 흡수율은 - θ가 증가함에 따라 편광 입사각 감소 , 그리고 흡수율은 θ에 대해 0.8보다 큽니다. 30°보다 작습니다. p의 흡수율이 -편파 입사 전자파는 θ가 증가함에 따라 증가함 .

구조 매개변수 h ₁ 또한 장치의 여러 기능을 추가로 밝히기 위해 연구됩니다. h로 ₁ 가 조정되면 AM의 위치가 변경됩니다. 다른 구조 매개변수는 단순성을 위해 여기에서 논의되지 않습니다. 그림 10a와 b는 각각 PC 모드와 흡수 모드의 결과를 보여줍니다. 그림 10a의 왼쪽과 같이 PC 모드에서 h ₁ PCR에 거의 영향을 미치지 않습니다. 그림 10b의 오른쪽 부분에서 h에 대해서도 흡수가 안정적입니다. ₁ 0.5 ~ 16.5μm 범위이지만 h는 더 작습니다. ₁ 더 큰 흡수력을 가지고 있습니다. 그림 10a의 결과는 "방법" 섹션의 논의를 확인하고 AM은 PC 모드(μ _ㄷ =0 eV). 흡수 모드의 경우(μ _ㄷ =0.7 eV), AM이 주도적인 역할을 합니다. 따라서 h ₁ 이 모드에서 중요합니다. h의 증가는 Fig. 10a의 왼쪽과 같이 ₁ 흡수율을 감소시킨다. AM과 금층 사이의 다중 반사 및 중첩이 SPP에 영감을 주고 AM의 필드를 향상시키는 데 중요하기 때문입니다[35]. 그림 10b의 오른쪽 부분에서 h가 클수록 좋은 PCR이 관찰됩니다. ₁ . 따라서 MFD를 설계할 때 매개변수 h는 ₁ PC 모드에는 영향이 거의 없으므로 흡수 모드에서만 고려 가능합니다.

<그림>

h 측면에서 PCR 및 흡수 ₁ . 아 PC 모드(μ _ㄷ =0 eV). ㄴ 흡수 모드(μ _ㄷ =0.7 eV)

결론

요약하면, 금 기반 PCM과 그래핀 기반 AM을 결합하여 저프로파일 및 단순한 구조의 MFD가 제안됩니다. 화학적 잠재력(μ _ㄷ ) 그래핀 기반 AM을 활성화하거나 중화하는 데 사용할 수 있으며 구조는 흡수체에서 편광 변환기로 변환될 수 있습니다. PC 모드의 경우 PCR은 2.11~3.63THz 대역에서 0.9보다 큽니다(2.87THz에서 53.0%). 흡수 모드의 경우 1.59–4.54THz 대역에서 흡수율이 80%보다 큽니다(3.06THz에서 96.4%). 설계는 테라헤르츠 이미징, 감지, 광검출 및 변조 시스템에 적용될 수 있습니다.

약어

오전:

메타표면 흡수

CP:

원형 편광

EM:

전자기

LP:

선형 편광

MFD:

다기능 장치

PC:

편광 변환

PCM:

편광 변환 메타표면

PCR:

편광 변환 비율

SPP:

표면 플라즈몬 극성

다층 메타물질, 집중 저항 및 강력한 결합 효과를 사용하는 초광대역 및 편광에 둔감한 완전 흡수체 전기방사 PU 나노섬유의 기계적 특성에 대한 온도 영향