Penyerap Metamaterial Terahertz Empat-Pita dengan Resonator Persegi Panjang Berlubang untuk Pencitraan Tinggi

Latar Belakang

Metamaterial dengan fitur sub- atau deep sub-panjang gelombang telah membuka respons elektromagnetik yang tidak dapat diberikan oleh material alami [1,2,3]. Respons yang dirancang ini mendasari spektrum luas perangkat, dari pelindung hingga penyerap sempurna [4–10]. Penyerap metamaterial, khususnya, telah menarik minat intens karena kemampuannya untuk mencapai absorpsi hampir sempurna di seluruh rentang frekuensi yang luas [6,11–38].

Kerja awal oleh kelompok Boston College mempionirkan penyerap pita mikrogelombang menggunakan dielektrik lossy yang ditempelkan antara resonator cincin listrik dan kawat potong logam [6]. Studi selanjutnya menjelajahi berbagai geometri resonator—garis lipat, berbentuk silang, patch persegi—namun sebagian besar desain menunjukkan absorpsi satu pita, yang membatasi utilitas praktis. Penyerap multi-pita muncul dengan menggabungkan beberapa resonator dalam konfigurasi coplanar atau berlapis, mencapai performa dual-, triple-, atau quad-pita [22–38]. Namun, pendekatan ini biasanya memerlukan ukuran resonator yang berbeda untuk setiap pita, meningkatkan kompleksitas desain dan biaya pembuatan.

Di sini kami menunjukkan bahwa resonator tunggal ukuran, yang diubah dengan lubang yang dirancang dengan hati-hati, dapat mendukung absorpsi empat pita. Resonator persegi panjang berlubang di atas cermin emas, yang dipisahkan oleh dielektrik lossy, menunjukkan empat puncak sempit dengan absorpsi tinggi dan faktor Q luar biasa. Kami menganalisis fisika yang mendasarinya melalui distribusi medan dekat dan mengevaluasi kemampuan sensor perangkat, mengungkapkan sensitivitas indeks refraksi massal sebesar 3,05 THz/RIU dan FOM sebesar 101,67 untuk mode Q tertinggi.

Metode

Gambar 1a menunjukkan tampilan sisi sel unit: resonator persegi panjang berlubang (Gambar 1b) berada di atas dielektrik lossy 9 µm tebal (ε = 3(1 + 0,05 i)) dan substrat emas 0,4 µm (σ = 4,09 × 10⁷ S/m). Dimensi resonator adalah l = 80 µm, w = 40 µm; lubangnya mengukur l₁ = 25 µm, l₂ = 35 µm dengan deviasi δ = 18 µm. Konstanta jaring adalah P_x = 100 µm dan P_y = 60 µm.

a dan b adalah tampilan sisi dan atas penyerap metamaterial terahertz empat-pita.

Simulasi beda hingga waktu-domain dilakukan dengan FDTD Solutions. Gelombang datar insiden normal (E sepanjang sumbu x) diusap dari 0,2 hingga 3,0 THz menerangi struktur. Batas periodik diterapkan di arah x dan y, dan lapisan cocok sempurna digunakan di sepanjang sumbu z.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 2a menampilkan spektrum absorpsi: empat puncak berbeda muncul pada 0,84 THz (A), 1,77 THz (B), 2,63 THz (C), dan 2,95 THz (D). Tiga puncak pertama menampilkan rata-rata absorpsi 97,80 %; puncak keempat mencapai 60,86 % absorpsi dengan lebar pita (FWHM) 0,03 THz, menghasilkan faktor Q sebesar 98,33. Puncak lainnya memiliki faktor Q sebesar 6,46, 13,62, dan 26,32, masing-masing.

a menunjukkan performa absorpsi penyerap; b mengilustrasikan spektrum ketika rentang frekuensi diperpanjang.

Membandingkan resonator berlubang dengan sejenisnya yang tidak berlubang (Gambar 3a,b) menunjukkan bahwa lubang memperkenalkan dua mode Q tambahan (B dan D) sambil mempertahankan mode dasar dan ketiga (A dan C). Plot medan dekat (Gambar 4) mengonfirmasi bahwa mode A dan C sesuai dengan resonansi lokalisasi pertama dan ketiga dari struktur berlubang, sedangkan mode B dan D muncul dari asimetri yang diperkenalkan oleh lubang, melokalkan medan pada bagian kanan dan kiri resonator, masing-masing.

a dan b adalah spektrum absorpsi resonator yang tidak berlubang dan berlubang.

Distribusi medan (Gambar 4) menunjukkan bahwa mode pertama (A) dan mode ketiga (C) konsentrasi medan listrik di sepanjang tepi resonator, sedangkan mode baru (B dan D) melokalkan medan pada bagian kanan dan kiri, masing-masing. Pengaturan ulang medan dekat ini adalah mekanisme kunci yang memungkinkan respons empat-pita dengan geometri resonator tunggal.

a–d menunjukkan peta medan untuk mode E dan F dari resonator yang tidak berlubang; e–l menggambarkan medan yang sesuai untuk mode A–D dari resonator berlubang.

Memperluas simulasi hingga 8 THz (Gambar 2b) mengonfirmasi bahwa tidak ada puncak absorpsi tinggi tambahan yang muncul di luar empat mode yang diidentifikasi, yang menekankan keandalan desain resonator tunggal empat-pita.

Untuk menilai performa sensor, penyerap dilapisi dengan media dengan indeks refraksi yang bervariasi (Gambar 5a). Mode C dan D bergeser secara nyata dengan n, sementara mode A dan B hampir tetap. Sensitivitas adalah 1,15 THz/RIU untuk mode C dan 3,05 THz/RIU untuk mode D. FOM yang sesuai, dihitung sebagai S/FWHM, adalah 11,5 dan 101,67 untuk mode C dan D, masing-masing—jauh melebihi nilai yang dilaporkan untuk penyerap terahertz [18,48–51]. FOM tinggi ini, dikombinasikan dengan faktor Q tinggi dari mode D, menjadikan struktur ideal untuk sensor gas, material, dan biomedis.

a menunjukkan spektrum absorpsi ketika indeks refraksi di sekitarnya bervariasi; b₁ dan b₂ memplot frekuensi resonansi mode C dan D versus n.

Kesimpulan

Kami telah menyajikan penyerap terahertz empat-pita tunggal ukuran berdasarkan resonator persegi panjang berlubang pada substrat emas dengan pengikat dielektrik lossy. Perangkat menyediakan empat resonansi pita sempit, dengan tiga puncak melebihi 97,80 % absorpsi dan puncak keempat mencapai faktor Q sebesar 98,33. Analisis medan dekat mengatribusikan setiap mode pada resonansi lokalisasi yang berbeda, mengonfirmasi peran lubang dalam menghasilkan pita tambahan. Penyerap menunjukkan sensitivitas indeks refraksi massal sebesar 3,05 THz/RIU dan FOM sebesar 101,67 untuk mode Q tertinggi, mengungguli sensor terahertz yang ada. Atribut ini—Q tinggi, FOM besar, dan desain yang kompak—membuat struktur sangat cocok untuk aplikasi dalam deteksi gas, karakterisasi material, dan diagnostik biomedis.

Singkatan

EM:

Elektromagnetik

FOM:

Figure of merit

Q:

Faktor kualitas

S:

Sensitivitas sensor