本文提出一種基于單層石墨烯的太赫茲（THz）頻段可調(diào)帶寬吸收器，通過調(diào)節(jié)石墨烯化學(xué)勢(shì)實(shí)現(xiàn)帶寬動(dòng)態(tài)控制。吸收器由單層石墨烯、介質(zhì)層和金屬反射器組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且偏振無關(guān)。數(shù)值模擬顯示，在0.1-1.0 THz范圍內(nèi)吸收率超90%，帶寬可調(diào)范圍達(dá)0.23-0.83 THz。
圖1.吸收體的晶胞結(jié)構(gòu)。
圖2。(a) 圓形石墨烯的吸收光譜 (b) 框架石墨烯的吸收光譜。
圖3。 (a) 吸收體的吸收光譜 (b) 吸收體的相對(duì)阻抗。
圖4。(a) 不同E的吸收光譜 (b) (a)的局部放大圖。
圖5。(a) 吸收劑在弛豫時(shí)間內(nèi)的掃描光譜。
圖6。吸收劑的電場(chǎng)分布 (a) TE模式 3.7 THz (b) TE模式 4.8 THz (c) TE模式 5.7 THz (d) TM模式 3.7 THz (e) TM模式 4.8 THz (f) TM模式 5.7 THz。
圖7。(a) D2的掃描光譜 (b) R的掃描光譜 (c) T的掃描光譜
圖8。 (a) 不同入射角度的吸收光譜 (b) 不同偏振狀態(tài)下的吸收光譜。
研究背景
THz技術(shù)在通信、成像及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域潛力巨大，但受限于功能器件匱乏。傳統(tǒng)吸收器存在帶寬固定、調(diào)節(jié)復(fù)雜等問題。石墨烯因其可調(diào)化學(xué)勢(shì)（通過電學(xué)/光學(xué)方法調(diào)控）及優(yōu)異光電性能，成為實(shí)現(xiàn)可調(diào)THz吸收器的理想材料。
結(jié)構(gòu)與性能
吸收器采用三層設(shè)計(jì)：?jiǎn)螌邮ㄕ{(diào)控核心）、介質(zhì)層（介電常數(shù)可優(yōu)化）、金屬反射層（全反射基底）。通過有限元法模擬驗(yàn)證，化學(xué)勢(shì)升高時(shí)吸收峰向高頻移動(dòng)，帶寬隨之?dāng)U展。例如，化學(xué)勢(shì)從0.2 eV增至0.8 eV時(shí)，帶寬由0.23 THz擴(kuò)展至0.83 THz，且對(duì)入射光偏振狀態(tài)無敏感響應(yīng)。
應(yīng)用價(jià)值
該設(shè)計(jì)兼具高吸收率、寬動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)范圍及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)器件功能單一、制備復(fù)雜等問題，為THz通信、成像等場(chǎng)景提供了高效可調(diào)的器件方案。
創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)
1.動(dòng)態(tài)帶寬調(diào)控機(jī)制
通過調(diào)節(jié)石墨烯的化學(xué)勢(shì)（電學(xué)/光學(xué)方法），實(shí)現(xiàn)吸收器帶寬在 0.23–0.83 THz 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，突破傳統(tǒng)固定帶寬吸收器的限制，提供靈活的太赫茲（THz）波管理方案。
2.偏振無關(guān)特性
吸收器對(duì)入射光偏振狀態(tài)無敏感響應(yīng)，解決了傳統(tǒng)器件因偏振依賴性導(dǎo)致的適用場(chǎng)景受限問題，適用于復(fù)雜偏振環(huán)境（如無線通信、成像）。
3.單層石墨烯簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)
僅采用單層石墨烯結(jié)合介質(zhì)層和金屬反射器的三層設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于制備，降低傳統(tǒng)多層級(jí)聯(lián)或復(fù)雜材料結(jié)構(gòu)的工藝成本。
4.高性能吸收效率
在 0.1–1.0 THz 頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)超過 90% 的吸收率，兼顧寬頻帶與高吸收性能，滿足THz技術(shù)對(duì)高效器件的需求。
5.化學(xué)勢(shì)驅(qū)動(dòng)的頻移效應(yīng)
創(chuàng)新性地利用化學(xué)勢(shì)調(diào)節(jié)石墨烯電導(dǎo)率，使吸收峰隨化學(xué)勢(shì)升高向高頻移動(dòng)，同步擴(kuò)展帶寬，為動(dòng)態(tài)光譜控制提供新方法。
6.全反射基底優(yōu)化
金屬反射器（如金/銀）通過全反射增強(qiáng)吸收效率，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)諧振腔或周期性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)復(fù)雜性。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
