Desain Penyerap Terahertz Ultra-Broadband Merdu Berdasarkan Beberapa Lapisan Pita Grafena
Abstrak
Kami mengusulkan dan mendemonstrasikan secara numerik penyerap metamaterial berbasis graphene ultra-broadband, yang terdiri dari graphene/dielektrik multi-lapisan pada SiO2 lapisan yang didukung oleh substrat logam. Hasil simulasi menunjukkan bahwa penyerap yang diusulkan dapat mencapai penyerapan hampir sempurna di atas 90% dengan bandwidth 4,8 Thz. Karena tunabilitas lembaran graphene yang fleksibel, status penyerap dapat diaktifkan dari (penyerapan> 90%) ke nonaktif (refleksi> 90%) dalam rentang frekuensi 3–7.8 Thz dengan mengontrol energi Fermi dari graphene. Selain itu, penyerap tidak peka terhadap sudut datang. Penyerapan broadband dapat dipertahankan lebih dari 90% hingga 50 °. Yang penting, desainnya dapat diskalakan untuk mengembangkan peredam terahertz yang dapat disetel lebih luas dengan menambahkan lebih banyak lapisan graphene yang mungkin memiliki aplikasi luas dalam pencitraan, sensor, fotodetektor, dan modulator.
Latar Belakang
Dalam beberapa tahun terakhir, pita terahertz telah menjadi salah satu platform yang paling menarik karena aplikasi besar dalam spektroskopi, pencitraan medis, modulator, keamanan, dan komunikasi [1,2,3]. Penyerap terahertz adalah cabang penting, yang dapat menemukan aplikasi praktis di bidang di atas [4,5,6]. Namun, bandwidth yang sempit, efisiensi penyerapan yang rendah, dan kinerja penyerapan yang tidak dapat disetel dari peredam sangat membatasi penerapannya dalam praktik. Untuk memperluas aplikasi penyerap terahertz dengan lebih baik, lebih banyak perangkat dan bahan baru sangat dibutuhkan. Grafena sebagai material dua dimensi dengan struktur honeycomb lattice menjadi salah satu material yang menjanjikan karena tunabilitas konduktivitasnya yang dikendalikan oleh medan listrik, medan magnet, tegangan gerbang, dan doping kimia [7,8,9,10 ,11,12,13,14]. Terutama, graphene dapat mendukung plasmon permukaan dalam kisaran terahertz. Dibandingkan dengan bahan plasmon permukaan tradisional, plasmon permukaan graphene memiliki keuntungan dari kerugian yang rendah, tunabilitas fleksibel dan sebagainya [15,16,17,18,19].
Karena keunggulan bahan graphene dalam peredam terahertz, ada beberapa peredam graphene yang telah diusulkan dan didemonstrasikan [20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33 ,34]. Analisis teoretis menegaskan bahwa satu lapisan graphene transparan secara optik dan memiliki penyerapan 2,3% [35,36,37]. Untuk meningkatkan kurungan energi elektromagnetik, struktur graphene berpola periodik telah dirancang seperti berbentuk jaring [20,21,22], anti-titik [23], dan berbentuk silang [32]. Namun, peredam ini sangat bergantung pada graphene terstruktur kompleks yang mengakibatkan kesulitan fabrikasi. Selain itu, pita yang tersedia untuk operasi sangat sempit, dan sebagian besar pekerjaan yang dilaporkan tidak memiliki bandwidth lebih dari 1,5 Thz [20,21,22,23,24,25,26,27,28]. Untuk memperluas bandwidth, beberapa struktur graphene multilayer telah diusulkan. Namun, struktur multilayer yang dilaporkan juga bergantung pada struktur graphene yang sangat kompleks, dan bandwidth operasinya tidak cukup panjang [32,33,34]. Selain itu, Zhao et al. merancang penyerap terahertz switchable untuk penerapan modulator amplitudo [25]. Dengan mengontrol potensi kimia graphene dari 0 hingga 0,3 eV, keadaan struktur yang dirancang dapat dialihkan dari penyerapan (> 90%) ke refleksi (> 82%) dalam rentang frekuensi 0,53-1,05 Thz. Tetapi intensitas switching tidak cukup tinggi, dan bandwidth modulasi sangat sempit, yang membatasi penerapannya lebih lanjut dalam praktik.
Dalam makalah ini, kami menyajikan penyerap terahertz berbasis graphene yang dapat disetel yang terdiri dari graphene multilayer yang dapat mencapai penyerapan ultra-broadband lebih dari 90% dalam rentang frekuensi 3–7.8 Thz. Rata-rata daya serap absorber lebih tinggi dari 96,7%. Selain itu, penyerap yang diusulkan memiliki intensitas switching yang lebih tinggi, amplitudo serapan dapat disetel dari penyerapan hampir sempurna (> 90%) ke refleksi tinggi (> 90%) dengan mengubah energi Fermi lapisan graphene di seluruh bandwidth 4,8 Thz. Ketika energi Fermi graphene adalah 0 eV, struktur yang diusulkan akan menjadi reflektor yang hampir sempurna dengan refleksi lebih dari 97% pada pita frekuensi tinggi (sekitar 5,5 Thz kemudian). Selain itu, penyerap tidak tergantung pada sudut datang dengan penyerapan lebih dari 90% hingga 50 °. Sepengetahuan kami, pertama-tama kami mengusulkan struktur graphene/dielektrik multi-lapisan dua dimensi untuk mewujudkan penyerapan ultra-broadband. Penyerap yang diusulkan sederhana yang tidak bergantung pada graphene berpola kompleks, dan desain memberikan kenyamanan besar untuk fabrikasi struktur graphene multilayer [38, 39]. Yang penting, desainnya dapat diskalakan untuk mengembangkan peredam terahertz merdu yang lebih luas dengan menambahkan lebih banyak lapisan graphene, yang mungkin memiliki aplikasi luas dalam perangkat optoelektronik terahertz.
Metode
Diagram struktur yang diusulkan ditunjukkan pada Gambar. 1, yang terdiri dari graphene multi-layer yang tertanam ke dalam dielektrik pada SiO2 lapisan dan pelat pemantul logam tebal di bagian bawah. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, di bagian atas, graphene dengan lebar berbeda (L ) tertanam dalam dielektrik pada celah tertentu t2 (t2 =2 m). Lebar W masing-masing graphene adalah 5, 5, 27, 4, 4, 2, 21, 21, dan 26 m, masing-masing (dari atas ke bawah). Setiap lapisan simetris tentang z -sumbu. Jarak t1 antara bagian bawah lapisan graphene dan SiO2 lapisan adalah 2 m. Ketebalan dielektrik adalah H1 . Lapisan tengah adalah SiO2 dengan ketebalan H2 . Bagian bawah adalah film metalik dengan ketebalan D . Periode satuannya adalah P. Nilai awal parameter struktur ini diatur ke H1 = 21 m, H2 = 7 m, D = 0,5 m, P =32 m. Bahan logam bawah adalah emas, dan permitivitasnya dapat direpresentasikan dengan baik oleh model Drude dalam kisaran terahertz sebagai berikut:
dimana nilai permitivitas konstan ε∞ , frekuensi plasma ωp , dan frekuensi tumbukan γ disetel ke 1, 1,38 × 10
16
rad/s, dan 1,23 × 10
13
s
− 1
, masing-masing. Permitivitas bahan dielektrik dan SiO2 materi diatur ke 3 dan 4, masing-masing.
a Diagram skema penyerap broadband berbasis graphene. b Penampang penyerap dengan parameter yang digunakan untuk perhitungan. c Skema rangkaian bias eksternal. Cabang-cabang tegangan (V1 ~~V9 ) terhubung ke lapisan graphene yang berbeda, masing-masing
Dalam simulasi, graphene diperlakukan sebagai film ultra-tipis yang tertanam di dielektrik. Konduktivitas permukaan graphene kompleks yang didominasi oleh kontribusi interband dan intraband dapat dihitung dengan menggunakan rumus Kubo [40]:
di mana \( {f}_d\left(\varepsilon \right)={\left({e}^{\left(\varepsilon -{E}_f\right)/{k}_BT}+1\right)} ^{-1} \) adalah distribusi Fermi-Dirac, w adalah frekuensi radian, ε adalah energi, kB adalah konstanta Boltzmann, τ adalah waktu relaksasi pembawa, T adalah suhu (T = 300 K dalam makalah kami), adalah konstanta Plank tereduksi, dan Ef adalah energi Fermi. Rumus Kubo (2) menunjukkan bahwa konduktivitas permukaan graphene yang kompleks dapat disesuaikan dengan energi Fermi Ef . Energi graphene Fermi dari setiap lapisan dapat dikontrol secara individual oleh tegangan bias, hubungan antara Ef dan tegangan bias dapat ditulis sebagai [41, 42]:
dimana vF = 0.9 × 10
6
m/s adalah kecepatan Femi, V0 adalah tegangan offset [41], \( {a}_0=\frac{\varepsilon_0{\varepsilon}_d}{ed} \), a0 adalah model kapasitif dari struktur, di mana ε0 adalah permitivitas dalam ruang hampa. εd adalah permitivitas dielektrik, d adalah ketinggian dielektrik, dan e adalah muatan elektron. Vn (V1 ~~V9 ), yaitu, tegangan yang diterapkan pada graphene dapat diperoleh dari rangkaian tambahan pada Gambar 1c. Menurut Rumus (2) dan (3), konduktivitas permukaan graphene dapat dikontrol oleh tegangan yang diberikan. Kemudian, berdasarkan hukum Ampere pada rezim stasioner dan hukum Ohm, permitivitas graphene dapat diperoleh sebagai [43]:
Di mana tg adalah ketebalan graphene, ε0 adalah permitivitas ruang hampa, dan σg adalah konduktivitas permukaan graphene. Menurut Rumus (4), permitivitas graphene dapat diperoleh dengan konduktivitas permukaan, yang juga dapat diperoleh dengan tegangan yang diberikan. Oleh karena itu, Rumus (2–4) menunjukkan bahwa sifat elektromagnetik graphene dapat dikontrol secara dinamis oleh tegangan yang diberikan, sehingga karakteristik penyerapan struktur juga dapat dikontrol secara dinamis.
Untuk menyelidiki kinerja penyerapan struktur yang dirancang, kami menerapkan simulasi numerik menggunakan FDTD dua dimensi. Dalam simulasi kami, kami mengatur struktur ke kondisi batas periodik dalam arah x. Seberkas gelombang bidang terahertz datang ke model secara normal sepanjang z arah dengan medan listriknya E sepanjang x arah. Kondisi batas Bloch diterapkan pada insiden miring dalam struktur periodik. Kami menggunakan 1-R-T untuk menghitung penyerapan model, di mana R dan T masing-masing mewakili reflektifitas dan transmisivitas. Karena ketebalan logam jauh lebih besar daripada kedalaman kulit cahaya datang dalam logam, maka transmisivitas T adalah nol. Jadi, kami menyederhanakan rumus perhitungan untuk 1-R.
Hasil dan Diskusi
Pertama, kami menyetel tegangan setiap lapisan graphene untuk mencapai penyerapan sempurna (dari atas ke bawah, kami menyesuaikan energi Fermi Ef dari setiap lapisan graphene menjadi 0.9, 0.9, 1.1, 0.8, 0.8, 1.1, 1.1, 0.9, dan 0.8 eV). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, dari 3 hingga 7,8 Thz, struktur yang diusulkan memiliki penyerapan broadband di atas 90% dalam bandwidth 4,8 Thz. FWHM dari penyerap adalah 5,4 Thz. Bandwidth sekitar \( \frac{BW}{f_0}\times 100\% \) = 88,8% dari frekuensi pusat (di sini, BW adalah bandwidth dan f0 adalah frekuensi pusat). Kami juga menghitung rata-rata absorptivitas absorber, yaitu setinggi 96,7%. Di sisi lain, dengan Ef = 0 eV, struktur yang diusulkan akan menjadi reflektor yang mendekati ideal dengan refleksi lebih dari 90% di seluruh bandwidth operasi, dan pada pita frekuensi tinggi (sekitar 5,5 Thz kemudian), pantulan bahkan lebih dari 97%. Tentu saja, kita juga dapat menyetel tegangan setiap lapisan graphene untuk mendapatkan amplitudo yang diinginkan yang mungkin memiliki aplikasi potensial di beberapa area.
Spektrum serapan yang dihitung dari penyerap yang diusulkan, di mana garis biru mewakili penyerapan dengan tegangan tinggi dan garis merah menunjukkan penyerapan tanpa tegangan yang diterapkan
Untuk menjelaskan penyerapan yang hampir sempurna dalam bandwidth ultra-lebar, pertama-tama, kami membahas situasi lapisan graphene tunggal. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, kami merancang struktur dengan hanya satu lapisan graphene tunggal yang tertanam ke dalam dielektrik. Berdasarkan plasmon permukaan graphene, kami menyelidiki pengaruh parameter terkait graphene pada kinerja penyerapan absorber, termasuk energi Fermi Ef , lebar W , dan posisi t dari grafena.
a Diagram skematis dari struktur graphene satu lapis. b –d Penyerapan energi Fermi lebar struktur berbeda Ef , lebar L , dan posisi t dari lembar graphene, masing-masing
Gambar 3b menunjukkan pengaruh energi graphene Fermi Ef pada spektrum absorpsi dengan W . tetap dan t . Seiring peningkatan Ef , resonansi plasmon permukaan graphene menjadi lebih kuat, penyerapan struktur juga lebih tinggi. Puncak penyerapan bahkan lebih dari 99% pada 4,3 Thz dengan Ef =1.1 eV. Dan puncak penyerapan resonansi bergerak ke frekuensi yang lebih tinggi, pergeseran biru. Demikian pula, Gambar 3c, d menunjukkan spektrum serapan struktur dengan W . yang berbeda atau t dengan E . yang tidak berubah f . Dengan memvariasikan W atau t dari lapisan graphene, amplitudo dan frekuensi puncak resonansi diubah masing-masing. Fenomena ini dapat dijelaskan dengan teori rangkaian [28]. Dalam teori ini, graphene digambarkan sebagai jalur masuk shunt, kemudian rangkaian ekivalen struktur dapat dimodelkan dengan jalur transmisi dan jalur masuk graphene. Menurut pekerjaan sebelumnya [28], penerimaan graphene dapat diubah dengan lebar W dan energi Fermi Ef dari grafena. Selain itu, penerimaan saluran transmisi yang sesuai dengan dielektrik berhubungan dengan ketebalan dielektrik. Dalam struktur kami, dielektrik dipisahkan oleh lapisan graphene. Jadi, posisi t lapisan graphene juga mempengaruhi penerimaan input struktur.
Seperti yang telah kita diskusikan di atas, karena pengaruh parameter terkait graphene pada penerimaan input struktur, puncak penyerapan resonansi model juga dipengaruhi. Jika penerimaan masukan struktur sesuai dengan penerimaan ruang bebas, penyerapan hampir sempurna pada frekuensi tertentu akan tercapai.
Kemudian, untuk mencapai penyerapan broadband, kita perlu mengizinkan puncak penyerapan resonansi yang mencapai pencocokan masuk yang berdekatan satu sama lain. Karena puncak absorpsi cukup dekat untuk bergabung, absorpsi pita lebar diperoleh. Oleh karena itu, kami menambahkan lapisan graphene untuk mendapatkan lebih banyak puncak penyerapan resonansi. Dan pada saat yang sama, kami menyesuaikan parameter yang memengaruhi puncak resonansi, termasuk Ef , A , dan t untuk menerapkan pencocokan masuk. Kami pertama-tama menambahkan dua lapisan graphene. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 4a, tiga lapisan graphene dengan lebar berbeda W tertanam dalam dielektrik. Ada interval tertentu t antara berbagai lapisan graphene atau graphene bawah dari dielektrik. Kami menyesuaikan parameter terkait graphene ke nilai yang sesuai, di mana kami mengatur t = 2 m, Ef = 0,9 eV, dan W = 26, 21, dan 20 m, masing-masing (dari bawah ke atas).
a Diagram skematis struktur graphene tiga lapis. b Spektrum serapan yang dihitung dari struktur graphene tiga lapis
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, struktur tersebut memiliki bandwidth penyerapan yang hampir sempurna sebesar 1,3 Thz dengan frekuensi pusat 5,25 Thz. Tiga puncak resonansi pada 4,7, 5,2, dan 5,7 Thz diperoleh sesuai dengan amplitudo penyerapan masing-masing 99,9, 99,9, dan 99,1%. Untuk mencapai penyerapan ultra-broadband, mirip dengan struktur graphene tiga lapis, kami menambahkan lebih banyak lapisan graphene dan menyesuaikan parameter graphene dari setiap lapisan graphene ke nilai yang sesuai. Kami berasumsi bahwa parameter struktural adalah tetap dan produksi selesai; kita dapat secara dinamis menyesuaikan energi Fermi dari graphene untuk mencapai penyerapan broadband. Berdasarkan prinsip pencocokan impedansi dan pengalaman penelitian struktur graphene tiga lapis, pertama-tama kita asumsikan bahwa tingkat Fermi setiap lapisan graphene adalah 1 eV. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5 (a), penyerapan sebagian besar pita lebih dari 90% kecuali untuk pita "1" dan "2". Gambar 5 (a–e) menunjukkan proses penyesuaian bertahap untuk penyerapan sempurna pita “1” dan “2”. Berdasarkan Gambar 6e, f, serapan pita terakhir “1” didominasi oleh lapisan keempat (dari bawah ke atas), jadi kami mengatur energi Fermi lapisan ini satu per satu. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 7, ketika energi Fermi adalah 0,8 eV, kinerja penyerapan yang terbaik. Ini karena energi Fermi mempengaruhi impedansi graphene, dan kemudian mempengaruhi impedansi input seluruh struktur. Energi Fermi yang lebih besar atau lebih kecil dari graphene akan menyebabkan ketidakcocokan impedansi. Dari a ke b, kami telah meningkatkan kinerja penyerapan pita "1" (di pita sebelum "1", kurva a dan b kira-kira tumpang tindih). Demikian pula, kami menemukan bahwa distribusi energi di pita "2" terutama terkonsentrasi pada lapisan ke-5, ke-8, dan ke-9. Kami pertama-tama mengatur energi Fermi dari lapisan graphene ke-8 dan ke-9 masing-masing menjadi 0,9 dan 0,8 eV. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5, dari b ke c, selain dip "3" dan "4", penyerapan pita yang tersisa di "2" lebih dari 90%. Kemudian, menurut Gambar. 6c, dip "3" terutama dipengaruhi oleh lapisan ke-5 dari graphene, kami mengatur energi Fermi menjadi 0,8 eV. Dari c ke d, kinerja penyerapan pada kemiringan "3" juga telah ditingkatkan. Namun, menurut Gambar 6d, kemiringan "4" dipengaruhi oleh semua lapisan graphene. Oleh karena itu, kami menyesuaikan energi Fermi dari lapisan graphene yang tersisa ke nilai yang sesuai. Dari d ke e, penyerapan broadband hampir sempurna tercapai. Dibandingkan dengan struktur graphene tiga lapis yang ditunjukkan pada Gambar. 4, lebih banyak puncak penyerapan resonansi diperoleh, puncak serapan dari frekuensi yang berbeda berdekatan satu sama lain dan ditumpangkan untuk membentuk penyerapan ultra-broadband di atas 90% dengan bandwidth 4,8 Thz.
(a)–(e) tunjukkan proses penyesuaian bertahap untuk penyerapan sempurna. Energi Fermi setiap lapisan graphene (dari bawah ke atas) ditetapkan sebagai (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, dan (e) [0.9, 0.9, 1.1, 0.8, 0.8, 1.1, 1.1, 0.9, 0.8] eV
a –f Distribusi amplitudo medan listrik (|E |) dari penyerap yang diusulkan pada frekuensi yang berbeda
Spektrum serapan dengan E different yang berbeda f dari lapisan keempat graphene dan dengan E . yang tidak berubah f lapisan graphene lainnya
Untuk memahami mekanisme fisik di balik penyerapan ultra-broadband hampir sempurna, kami juga memberikan perhitungan dan analisis terperinci tentang distribusi amplitudo medan listrik (|E|) dari struktur yang diusulkan pada frekuensi operasi yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, energi medan cahaya dibatasi antara lapisan graphene dan dielektrik yang berbeda, yang mengarah pada penyerapan yang kuat. Karakteristik distribusi medan listrik konsisten dengan spektrum penyerapan yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Pada frekuensi tertentu, misalnya, Gambar 6b menunjukkan kurungan medan listrik terutama disebabkan oleh kopling kuat graphene dan dielektrik karena eksitasi dari plasmon permukaan lokal (LSP), Gambar. 6d menunjukkan plasma permukaan graphene memainkan peran utama dalam kurungan medan listrik. Eksitasi plasmon permukaan lokal (LSP) dan plasma permukaan graphene berkontribusi pada penyerapan yang kuat bersama-sama. Gambar 6a, b, d dan Gambar 6c, e, f menunjukkan bahwa kopling kuat antara graphene dan dielektrik pada frekuensi tertentu dapat disebabkan oleh graphene multi-layer atau graphene monolayer, masing-masing. Penumpukan penyerapan tinggi pada frekuensi yang berbeda menciptakan penyerapan broadband di bawah aksi semua lapisan graphene.
Untuk lebih menggambarkan efek susun, misalnya, menurut Gambar 6e, f, penyerapan pita terakhir (sekitar 6,5 Thz kemudian) terutama didominasi oleh lapisan keempat graphene (dari bawah ke atas). Jadi, kami menyetel tegangan lapisan graphene ini. Seperti ditunjukkan pada Gambar 7, dengan peningkatan energi Fermi dari lapisan keempat graphene, amplitudo penyerapan pita setelah sekitar 6,5 Thz meningkat secara bertahap, tetapi hampir tidak ada perubahan pada pita sebelum 6,5 Thz. Demikian pula, kami juga dapat secara mandiri menyesuaikan pita tertentu yang terutama dipengaruhi oleh lapisan graphene lainnya. Semua pita yang dapat disesuaikan secara independen untuk penyerapan tinggi ditumpangkan untuk membentuk penyerapan broadband pada akhirnya. Seperti analisis Gambar 7, fenomena penyesuaian independen lebih lanjut menggambarkan bahwa efek penumpukan semua lapisan graphene mencapai penyerapan broadband yang hampir sempurna.
Seperti dibahas di atas, kopling kuat antara graphene dan dielektrik memainkan peran utama dalam penyerapan broadband. Dalam aplikasi praktis, kami berharap bahwa penyerapan broadband tidak sensitif terhadap sudut datang. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 8, kami menyelidiki pengaruh sudut datang pada penyerap. Dari Gambar 8, kita dapat menemukan bahwa penyerap yang diusulkan tidak peka terhadap sudut datang. Meskipun sudut datang telah berubah menjadi 30 °, kinerja penyerapan struktur hampir tidak terpengaruh. Saat sudut datang meningkat hingga 50 °, meskipun efisiensi penyerapan berkurang, penyerap masih mempertahankan penyerapan tinggi lebih dari 90% di seluruh bandwidth operasi. Oleh karena itu, penyerap dapat bekerja dengan baik dengan efisiensi penyerapan yang tinggi pada berbagai sudut datang.
Spektrum serapan yang dihitung dari penyerap dengan sudut datang yang berbeda
Akhirnya, dengan mempertimbangkan kesulitan struktur multi-lapisan dalam fabrikasi, kami membahas pengaruh parameter struktur yang relevan pada kinerja absorber. Gambar 9a, b menunjukkan spektrum serapan dari penyerap yang diusulkan dengan ketebalan lapisan dielektrik yang berbeda H1 dan dengan ketebalan yang berbeda dari SiO2 lapisan H2 , masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 9a, ketinggian dielektrik yang paling sesuai H1 adalah 21 mikron. Atas dasar ini, H1 naik atau turun 0,5 m, kinerja absorber hampir tidak berubah. Bahkan jika H1 berubah sebesar 1 m, penyerap masih mempertahankan penyerapan di atas 90% di sebagian besar pita kecuali pita sekitar 7 Thz. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9b, dibandingkan dengan H1 , absorber lebih sensitif terhadap ketinggian SiO2H2 . Bahkan dalam hal ini, selain pita sekitar 6 dan 7,1 Thz, penyerap juga mempertahankan kinerja yang baik di sebagian besar pita. Seperti dibahas di atas, kita dapat menemukan bahwa meskipun ketebalan lapisan dielektrik dan SiO2 lapisan diubah bahkan pada skala mikron, penyerap masih mempertahankan kinerja penyerapan yang baik di sebagian besar panjang gelombang yang akan sangat meningkatkan ketahanan penyerap dalam fabrikasi.
Spektrum serapan yang disimulasikan dari penyerap yang diusulkan dengan ketebalan lapisan dielektrik yang berbeda dan dengan ketebalan SiO yang berbeda2 lapisan yang sesuai dengan a dan b
Kesimpulan
Dalam makalah ini, kami mengusulkan penyerap terahertz berbasis graphene ultra-broadband yang dapat disetel yang terdiri dari multilayer graphene/dielectric. Penyerap yang diusulkan dapat mencapai penyerapan broadband lebih dari 90% dengan bandwidth 4,8 Thz melalui mengubah energi Fermi Ef lapisan graphene yang berbeda. Dengan Ef = 0 eV, desain yang diusulkan akan menjadi reflektor yang mendekati ideal dengan refleksi lebih dari 90% dalam keseluruhan bandwidth operasi 3–7.8 Thz. Penyerapan ultra-broadband dianggap berasal dari efek susun dari penyerapan resonansi yang kuat pada frekuensi berbeda yang dieksitasi oleh plasmon permukaan lokal (LSP) dan plasmon permukaan graphene. Selain itu, penyerap yang diusulkan tidak sensitif terhadap sudut datang, dan kami juga menemukan bahwa ketebalan lapisan dielektrik dan SiO2 lapisan memiliki sedikit efek pada kinerja penyerapan, yang lebih bermanfaat untuk aplikasi praktis. Selain itu, penyerap yang diusulkan sederhana yang tidak bergantung pada graphene terstruktur kompleks dan bandwidth dapat diperlebar dengan menambahkan lebih banyak lapisan graphene. Penyerap broadband yang dapat disetel ini mungkin memiliki aplikasi potensial yang besar dalam fotodetektor, pencitraan, dan modulator.
