【科研進展】石墨烯和超材料的組合,可實現對電磁波進行超快實時...

2021-01-12 澎湃新聞

石墨烯與超材料的結合是實現太赫茲(THz)區域電磁波主動控制的理想途徑。在這裡，可調諧等離子體誘導透明(PIT)超材料，整合金屬諧振器與可調諧石墨烯，在太赫茲頻率下進行數值研究。通過改變石墨烯的費米能量，可主動調節可重構耦合條件，實現對超材料共振強度的連續操縱。在這種器件結構中，單層石墨烯作為可調諧導電膜運行，產生主動控制的坑行為和伴隨的群延遲。這種器件概念為設計緊湊的太赫茲調製器件提供了理論指導。

超材料中的等離子體響應耦合可以模擬電磁誘導透明(EIT)效應，其物理機制可以用等離子體共振解釋，因此被稱為等離子體誘導透明(PIT)。在太赫茲(THz)範圍內，坑效應所帶來的波速延遲和高折射率靈敏度等電磁特性，意味著坑超材料可以有效地用於太赫茲緩衝器件和折射率傳感器中。但值得注意的是，這些器件大多是被動的，人們希望在此基礎上實現更主動可控的太赫茲坑器件。近年來，有報導將可控的有源介質集成到諧振腔結構中，用於凹坑超材料的主動調製。目前，石墨烯作為一種新型的活性材料引起了研究人員的廣泛關注。

石墨烯作為二維材料的典型代表，由於其獨特的力學、熱學和電磁性能，在物理、化學、能源、材料等諸多領域得到了廣泛的研究。在太赫茲波段，石墨烯的電導率取決於帶內躍遷。通過靜電門控和化學摻雜移動費米能量，可以改變石墨烯的電導率，從而靈活調節其對太赫茲波的電磁響應。基於石墨烯在太赫茲波段電導率的顯著可調性，許多太赫茲控制器件被提出，石墨烯作為活性材料。石墨烯與金屬超材料的結合，以及基於圖紋石墨烯結構的超材料設計，可以成為構建可調凹坑超材料的基礎。然而，由於石墨烯諧振器的表面電導率難以調節，限制了這些可調節方法在實際應用中的可擴展性。

本文提出了一種在太赫茲雜化金屬-石墨烯超材料中主動控制凹坑共振的方法。混合坑狀超材料由一對經典的裂環諧振器(SRRs)陣列組成，其中一個無圖案的石墨烯帶被直接放置在金屬超材料的明亮元素下。在雜化結構中，通過改變石墨烯的費米能量來控制明模諧振腔的電磁響應，可以獲得可調諧的凹坑行為。與普通暗模式控制方案相比，主要優點是更大的光譜範圍，可以主動控制太赫茲波，它是由透明峰旁邊的兩個共振波峰調製的。因此，這項工作為太赫茲超快實時控制功能器件的設計開闢了新的途徑。

材料結構和仿真方法

圖1生動地說明了基於兩個正交扭曲SRRs的所提出的超材料的典型單元胞。該超原子單元由鋁(Al)製成，厚度為200 nm，底部組裝了折射率為3.42的矽襯底。金屬-石墨烯超材料的概念可以通過不同類型的結構實現，但在本文中，選擇這種簡單的SRR結構是因為其裂縫與活性石墨烯層材料之間存在完美的電相互作用。採用沿負z方向的線性y偏振平面波作為入射光貫穿整張紙。左右SRRs分別稱為SRR1和SRR2。SRR1作為亮諧振腔，與入射太赫茲波強耦合。然而，SRR2由於其關於激發電場的對稱結構而不受入射波的激發，因此起著暗諧振腔的作用。通過近場耦合，在SRR1和SRR2組成的單元單元中，明暗模之間的破壞性幹涉獲得明顯的坑共振。為了調諧凹坑共振，在SRR1的劈裂間隙下放置了一個連續的單層石墨烯帶。

圖1.(a)可調諧等離子體誘導透明(PIT)超材料和法向入射平面波結構的示意圖。(b)頂視圖(z軸)單元胞元的幾何結構參數為:Px = 100μm, Py = 50μm, l = 36μm, w = 6μm, s = 1μm, g = 2μm。

本文採用時域有限差分(FDTD)方法對結構的可調諧性進行了數值研究。在x-y平面的周期性邊界條件下模擬了單元胞。z方向採用完全匹配的層邊界條件，保持計算收斂性。在計算中，網格精度4是為了在模擬時間、內存需求和精度之間保持平衡。模擬時間設置為800皮秒。為了檢測傳輸特性，在基片下放置了一個頻域功率監視器。模擬是在一個小型計算工作站進行的，該工作站有64千兆內存和16個中央處理單元。表徵THz頻率下光學性質的Al，εAl(ω)的介電常數可用Drude模型確定：

其中，對於等離子體頻率和阻尼常數分別取ωp=2π×3.57×1015 s−1和γ=2π×1.98×1013 s−1。在太赫茲範圍內，石墨烯的表面電導率σgra(ω)與角頻率ω的關係可用類德魯德模型描述:

其中e是基本單位,h是普朗克常數降低,uEF /τ= (ev2F)是一個參數描述承運人弛豫時間,EF是石墨烯的費米能級。本文假設Fermi速度vF=1.1×106 m/s，載流子遷移率u=3000 cm2/(V⋅s)，這對單層石墨烯材料是可行的。因此，如圖2所示，石墨烯的電導率可以隨著費米能量的函數而調整。利用上述策略，可以通過改變石墨烯層的光學電導率來實現對諧振腔響應的電氣控制。

圖2.不同費米能量的頻率依賴性石墨烯表面電導率:(a)實部和(b)虛部。

結果和討論

通過修改SRRs的長度參數和相對距離來實現凹坑共振的可調性已被許多研究小組廣泛研究。圖3a給出了不同的分裂間隙g的透射光譜。不同的陣列，由分裂間隙g識別，在太赫茲區域表現出寬的諧振範圍。隨著分裂間隙由1μm增大到4μm，透明峰由0.47 THz藍移至0.54 THz藍，透明峰振幅由0.86減小到0.80。在SRRs的電感-電容(LC)共振中，裂縫存在電容效應。隨著間隙的增大，電容效應減小。由表達式分析可知，對應的共振頻率增大。透射峰高的減小表明由於間隙中電容效應的減小，光與暗模式之間的耦合減小。

圖3.該凹坑超材料的可調諧透射光譜:(a)不同間隙g = 1、2、3、4μm;(b)數值模擬和(c)不同費米能量的解析計算。

理論計算結果如圖3c所示，除了與超材料的周期性有關的影響稍有偏差外，與模擬結果吻合較好。通過擬合參數，如圖4a所示，γ2、δ和κ基本恆定，而γ1隨EF的增大而顯著增大。因此，PIT共振的調製特性可以由通過石墨烯層的亮諧振腔中的阻尼率的變化來決定。這說明在間隙中具有高導電性的石墨烯層傾向於縮短SRR1電路，增強了亮模諧振器的阻尼。隨著石墨烯費米能量的增加，增大的阻尼導致SRR1中的LC共振減小，抑制亮模SRR1和暗模SRR2之間的破壞性幹涉。最後，由於γ- 1的阻尼率過大，無法維持入射光的亮模激發，導致PIT效應消失。耦合雙粒子模型和耦合電路模型描述了相同的物理本質。隨著亮模阻尼率的增加，石墨烯的感應損耗電阻RDamp會逐漸增大，從而抑制了亮模共振。分析模型雖然簡單，但計算結果反映了石墨烯層在超材料結構中的作用，可用於設計金屬-石墨烯雜化器件。

圖4.(a)不同費米能量的擬合參數。(b)不同費米能量坑結構吸收光譜的模擬。

結論

一般而言，基於單層石墨烯和耦合諧振器陣列之間相互作用的凹坑可調諧器件已在低太赫茲範圍內得到了數值演示。這種緊湊的結構通過改變石墨烯的費米能量來調節亮模諧振腔的共振，在透明峰附近表現出了完美的傳輸係數調製。根據經典的雙粒子耦合模型，凹坑的可調行為可歸因於超材料單元中bright模式的阻尼率的增加。此外，電場分布揭示了石墨烯可調諧的物理機制在於石墨烯的可調諧導電效應。在本研究中，單層石墨烯作為一種可調諧導電膜，可以直接應用於其他耦合結構，包括具有電容效應的劈裂間隙，進一步展示其獨特的電磁特性。該方案不僅展示了金屬-石墨烯雜化超材料中有趣的可控光物質相互作用，而且提供了一種適合太赫茲功能器件需求的主動超快調製。

論文連結：

https://www.mdpi.com/2076-3417/10/16/5550/htm

文章來源：賢集網

原標題：《【科研進展】石墨烯和超材料的組合，可實現對電磁波進行超快實時控制！》

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