Desain Penyerap Metamaterial Terahertz Quad-Band Menggunakan Resonator Persegi Panjang Berlubang untuk Aplikasi Penginderaan
Abstrak
Penyerap terahertz quad-band dengan desain metamaterial berukuran tunggal yang dibentuk oleh resonator persegi berlubang pada substrat emas dengan celah dielektrik di antaranya diselidiki. Struktur metamaterial yang dirancang memungkinkan empat puncak penyerapan, di mana tiga puncak pertama memiliki koefisien penyerapan yang besar sedangkan puncak terakhir memiliki Q yang tinggi. (faktor kualitas) nilai 98,33. Mekanisme fisik yang mendasari puncak ini dieksplorasi; ditemukan bahwa distribusi medan dekat mereka berbeda. Apalagi, angka merit (FOM) puncak serapan terakhir bisa mencapai 101,67, jauh lebih tinggi dari tiga modus penyerapan pertama dan bahkan pita serapan karya lain yang dioperasikan dalam frekuensi terahertz. Perangkat yang dirancang dengan penyerapan multi-pita dan FOM tinggi dapat menyediakan banyak aplikasi potensial di bidang terkait teknologi terahertz.
Latar Belakang
Metamaterial dengan ukuran struktur sub-panjang atau sub-panjang gelombang dalam semakin banyak mendapat perhatian karena terbukti menunjukkan sifat-sifat elektromagnetik (EM) yang eksotik [1,2,3] yang tidak dapat diperoleh secara langsung dalam kondisi alami. Selain efek menarik ini, metamaterial juga memiliki berbagai aplikasi dalam perangkat fungsional [4,5,6,7,8,9,10]. Penyerap metamaterial, sebagai cabang khusus dari perangkat metamaterial, telah membangkitkan minat besar para peneliti karena dapat digunakan untuk mencapai penyerapan cahaya yang besar [6, 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20 ,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38].
Pada tahun 2008, sebuah kelompok riset dari Boston College pertama kali merancang penyerap metamaterial di wilayah gelombang mikro dengan memanfaatkan sepenuhnya kerugian disipasi struktur sandwich yang terdiri dari resonator cincin listrik, lapisan dielektrik lossy, dan kawat potong logam [6 ]. Setelah itu, berbagai jenis penyelidikan telah dibuktikan berdasarkan berbagai bentuk atau ukuran resonator logam. Misalnya, Yao et al. menyajikan penyerap metamaterial miniatur dengan menggunakan struktur garis terlipat [17]. Penyerap terahertz berbentuk silang ditunjukkan dalam Ref. [18]. Sayangnya, penyerap metamaterial yang ditunjukkan ini terbatas pada penyerapan pita tunggal, yang dapat sangat membatasi aplikasi praktisnya. Untuk mengatasi masalah penyerapan pita tunggal, desain dan pengembangan penyerap cahaya pita ganda dan bahkan pita lebar diperlukan.
Hasil menunjukkan bahwa pencampuran beberapa resonator untuk membentuk struktur koplanar atau berlapis dapat memiliki kemampuan untuk mencapai penyerapan sempurna di beberapa pita frekuensi (yaitu, penyerapan beberapa pita) [22,23,24,25,26,27,28 ,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38]. Misalnya, struktur coplanar terdiri dari beberapa ukuran yang berbeda dari resonator cincin tertutup [22,23,24,25,26,27], patch persegi [28, 29], dan resonator cincin listrik [30,31,32,33] disajikan untuk mewujudkan penyerapan dual-band dan triple-band. Desain struktur berlapis disarankan untuk juga mendapatkan perangkat penyerapan pita ganda [34,35,36,37,38]. Dalam saran ini, setiap resonator logam hanya memiliki mode absorpsi tunggal, dan oleh karena itu, desain perangkat absorpsi multi-pita memerlukan setidaknya resonator sebanyak puncak absorpsi. Dalam Referensi [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], kami dengan jelas menemukan bahwa dual-band, triple-band, dan bahkan penyerap metamaterial quad-band memang membutuhkan setidaknya dua, tiga, dan empat resonator logam dalam sel satuan, masing-masing. Artinya, penelitian sebelumnya terutama difokuskan pada bagaimana mencapai penyerapan pita ganda dengan memanfaatkan berbagai ukuran resonator yang berbeda, beberapa dari mereka diselidiki apakah resonator berukuran tunggal memiliki kemampuan untuk menunjukkan respons penyerapan pita ganda.
Dalam makalah ini, kami menunjukkan bahwa resonator logam berukuran tunggal memungkinkan penyerapan quad-band, yang berbeda dari konsep desain sebelumnya yang membutuhkan beberapa resonator dengan ukuran berbeda. Desain penyerap cahaya quad-band terdiri dari resonator persegi panjang berlubang pada cermin emas dengan lapisan dielektrik lossy di antaranya. Hasil numerik dengan jelas menunjukkan bahwa struktur metamaterial yang dirancang memiliki empat puncak serapan pita sempit, di mana tiga puncak pertama memiliki penyerapan kuat rata-rata 97,80% sedangkan puncak keempat memiliki Q nilai 98,33. Dengan bantuan distribusi medan dekat, gambar fisik yang mendasari penyerapan quad-band dianalisis. Kinerja penginderaan dari perangkat penyerapan cahaya yang disarankan juga dibahas; hasil membuktikan bahwa sensitivitas penginderaan (S ) perangkat, khususnya S dari puncak serapan keempat, dapat mencapai 3,05 Tz per indeks refraksi; dan sosok yang pantas (FOM; definisi FOM adalah kepekaan penginderaan S dibagi dengan bandwidth penyerapannya [44, 45]) dari mode ini bisa sampai 101,67. S . yang besar dan FOM tinggi dari perangkat penyerapan cahaya yang dirancang menjanjikan di bidang yang berhubungan dengan sensor.
Metode
Gambar 1a menunjukkan tampilan samping dari peredam cahaya quad-band yang dirancang, terdiri dari resonator persegi panjang berlubang (lihat Gambar 1b), dan papan logam serta lapisan dielektrik lossy memisahkannya. Lapisan logam penyerap cahaya terbuat dari emas 0,4 m, dan konduktivitasnya σ = 4.09 × 10
7
S/m. Lapisan yang dipisahkan dielektrik lossy memiliki ketebalan t = 9 μm dan konstanta dielektrik lossy 3(1 + i 0,05), dan jenis material dielektrik lossy ini banyak digunakan dalam bidang metamaterial [46]. Tampilan atas resonator persegi panjang berlubang digambarkan pada Gambar 1b, dan parameter geometrisnya adalah sebagai berikut:panjang dan lebar resonator persegi panjang l = 80 μm dan w = 40 μm, masing-masing. Panjang dan lebar lubang udara berlubang l1 = 25 μm dan l2 = 35 μm, masing-masing. Nilai deviasi lubang udara berlubang adalah δ = 18 m. Periode dalam P x dan P y masing-masing adalah 100 dan 60 μm.
a dan b masing-masing adalah tampilan samping dan atas dari penyerap metamaterial terahertz quad-band yang disajikan
Di sini, kami ingin memperkenalkan secara singkat aturan desain metasurface, yaitu, resonator persegi panjang berlubang berukuran tunggal. Secara umum, resonator logam berukuran tunggal tradisional (misalnya, resonator cincin tertutup, patch persegi, dan resonator persegi panjang) hanya memiliki satu puncak penyerapan resonansi, dan desain perangkat penyerapan cahaya multi-pita membutuhkan setidaknya banyak resonator. sebagai puncak absorpsi. Seperti yang diberikan dan dilaporkan dalam Refs. [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], dual-band, triple-band, dan bahkan quad-band perangkat penyerapan cahaya memang membutuhkan setidaknya dua, tiga, dan empat resonator logam dalam sel satuan, masing-masing. Dengan kata lain, karya-karya sebelumnya terutama terkonsentrasi pada bagaimana mencapai perangkat penyerapan cahaya multi-band menggunakan berbagai ukuran (atau bentuk) dari resonator logam tradisional, beberapa dari mereka diselidiki apakah resonator berukuran tunggal dengan sedikit deformasi struktur memiliki kemampuan untuk mencapai penyerapan multi-band. Di sini, kami mencoba untuk mendapatkan penyerapan multi-pita dengan memperkenalkan pelanggaran (yaitu, lubang udara) pada resonator logam persegi panjang tradisional. Dapat diperkirakan bahwa pengenalan lubang udara pada resonator persegi panjang tradisional dapat merusak simetri resonator logam persegi panjang asli dan dapat merusak distribusi medan dekat asli (atau penataan ulang distribusi medan dekat pada resonator persegi berlubang) , sehingga memperkenalkan (atau menghasilkan) beberapa mode penyerapan resonansi baru. Seperti disebutkan pada Gambar. 4, pengenalan pelanggaran (atau lubang udara) pada resonator persegi panjang tradisional memang dapat mengatur ulang distribusi medan dekat, menghasilkan beberapa puncak penyerapan resonansi baru. Oleh karena itu, kami percaya bahwa sedikit deformasi struktur resonator logam tradisional adalah cara yang efektif untuk mencapai penyerapan multi-pita; metode desain semacam ini pasti memiliki keunggulan yang jelas dibandingkan dengan pendekatan desain sebelumnya menggunakan beberapa resonator berukuran berbeda [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38]. Selain itu, untuk penyerap metamaterial, penyerapan 100% dapat terutama berasal dari dua aspek, kehilangan ohmik di lapisan logam dan penyerapan di pelat dielektrik menggunakan dielektrik yang hilang. Pada pita frekuensi terahertz dan gelombang mikro [6, 18, 23,24,25, 39, 50], rugi-rugi ohmik pada lapisan logam biasanya lebih kecil daripada absorpsi pada lapisan dielektrik. Artinya, tidak mungkin hanya menggunakan kerugian ohmik untuk mencapai penyerapan 100%. Oleh karena itu, biasanya perlu menggunakan dielektrik lossy sebagai pelat dielektrik dari penyerap metamaterial [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36, 37].
Penyerap metamaterial quad-band disimulasikan dengan menggunakan perangkat lunak komersial, FDTD Solutions, yang didasarkan pada metode domain waktu perbedaan hingga. Dalam perhitungan, gelombang elektromagnetik bidang dengan medan listrik sepanjang arah x -sumbu digunakan sebagai sumber cahaya, yang disinari tegak lurus ke struktur resonansi (dari resonator berlubang ke lapisan dielektrik lossy dan cermin emas) sepanjang arah z -sumbu (lihat Gbr. 1). Sumber cahaya memiliki rentang frekuensi (0,2~3,0) THz. Untuk memastikan keakuratan hasil perhitungan, ukuran sumber cahaya harus sedikit lebih besar dari periode berulang struktur, pada saat yang sama waktu simulasi yang cukup dan batas yang sesuai (batas periodik dalam arah x - dan y -sumbu dan lapisan yang sangat cocok dengan arah z -axis) harus digunakan.
Hasil dan Diskusi
Gambar 2a memberikan kinerja penyerapan penyerap metamaterial terahertz quad-band yang disajikan. Seperti yang diungkapkan, struktur berukuran sederhana yang disarankan dapat memiliki empat puncak, frekuensinya masing-masing adalah 0,84 THz di titik A , 1,77 THz dalam poin B , 2,63 THz dalam poin C , dan 2,95 THz dalam poin D . Tiga titik frekuensi pertama (A , B , dan C ) memiliki tingkat penyerapan rata-rata besar 97,80%, dan penyerapan titik frekuensi D adalah sekitar 60,86%. Bandwidth (lebar penuh pada setengah maksimum, disingkat FWHM) dari titik frekuensi A , B , C , dan D masing-masing adalah 0,13, 0,13, 0,10, dan 0,03 THz. Secara umum, Q (atau faktor kualitas, dan definisi Q adalah titik frekuensi resonansi dibagi dengan bandwidthnya) nilai merupakan indikator yang sangat penting dalam menilai kinerja mode resonansi. Ini dapat secara langsung mencerminkan apakah mode resonansi dapat digunakan dalam aplikasi penginderaan. Semakin tinggi Q nilai, semakin baik kinerja penginderaan. Menurut definisi Q nilai, Q nilai titik frekuensi D bisa sampai 98,33, yang jauh lebih besar dari titik frekuensi A dengan Q dari 6,46, B dengan Q dari 13,62, dan C dengan Q dari 26.32. Q large yang besar nilai titik frekuensi D memiliki aplikasi potensial di bidang terkait sensor. Untuk pembahasan detailnya, lihat Gambar 5 di bawah dan petunjuk teksnya.
a adalah kinerja penyerapan dari penyerap cahaya quad-band yang disajikan. b menunjukkan ketergantungan kinerja penyerapan pada rentang frekuensi yang diperluas
Untuk memahami mekanisme fisik dari penyerap cahaya quad-band, kami membandingkan kinerja penyerapan resonator persegi berlubang (yaitu, struktur yang disarankan pada Gambar. 1) dan resonator persegi tidak berlubang (yaitu, tanpa lubang udara pada persegi panjang resonator), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, b. Perlu diperhatikan bahwa parameter geometrik dari kedua jenis absorber tersebut adalah sama, kecuali tanpa lubang udara untuk resonator segi empat tidak berlubang. Untuk kinerja penyerapan resonator persegi panjang tidak berlubang pada Gambar. 3a, dua puncak serapan yang jelas (ditandai sebagai mode E dan F ) dicapai, tingkat penyerapan dari dua titik frekuensi masing-masing adalah 93,95 dan 82,08%. Dengan membandingkan kinerja penyerapan Gambar. 3a, b, kami mengamati bahwa yang pertama (A ) dan yang ketiga (C ) titik frekuensi penyerap cahaya quad-band pada Gambar. 3b sangat dekat dengan titik frekuensi E dan F dari resonator persegi panjang tidak berlubang pada Gambar. 3a. Karakteristik ini menunjukkan bahwa mekanisme penyerapan titik frekuensi A dan C dari resonator persegi berlubang masing-masing harus konsisten dengan mekanisme titik frekuensi E dan F dari resonator persegi panjang tidak berlubang. Sedikit perbedaan frekuensi seharusnya disebabkan oleh masuknya lubang udara di resonator persegi panjang.
a dan b masing-masing adalah kinerja penyerapan peredam cahaya persegi panjang yang tidak berlubang dan berlubang
Untuk mengungkapkan mekanisme penyerapan titik frekuensi E dan F dari resonator persegi panjang tidak berlubang, kami memberikan listrik (|E |) dan magnet (|H y|) distribusi medan dari dua titik E dan F , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a–d. Dapat dilihat dari Gambar. 4b, d bahwa |H y| distribusi medan dari titik frekuensi E dan F keduanya terutama terkonsentrasi pada lapisan dielektrik lossy. Fitur distribusi ini menunjukkan bahwa titik frekuensi E dan F adalah respons terlokalisasi dari resonator persegi panjang tidak berlubang. Distribusi medan magnet di lapisan dielektrik dapat menyebabkan akumulasi muatan (atau medan listrik) di tepi resonator persegi panjang yang tidak berlubang [28, 39]. |E | bidang yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, c dengan jelas menunjukkan eksitasi medan listrik di tepi resonator persegi panjang yang tidak berlubang. Selanjutnya, untuk titik frekuensi E pada Gbr. 4b, hanya ada satu area akumulasi medan kuat di lapisan dielektrik lossy, yang berarti bahwa titik frekuensi E adalah resonansi lokal orde pertama dari resonator persegi tidak berlubang [40, 41]. Berbeda dari kasus Gambar. 4b, tiga area akumulasi medan diamati untuk titik frekuensi F pada Gambar. 4d. Akibatnya, titik frekuensi F harus menjadi respon lokal orde ketiga dari resonator persegi panjang tidak berlubang [40,41,42,43]. Seperti disebutkan di akhir paragraf sebelumnya, mekanisme titik frekuensi A dan C di resonator persegi panjang berlubang harus sama dengan titik frekuensi E dan F di resonator persegi panjang tidak berlubang, masing-masing. Oleh karena itu, kami memiliki alasan untuk percaya bahwa titik frekuensi A dan C harus masing-masing merupakan respons orde pertama dan orde ketiga dari resonator persegi berlubang. Untuk memberikan bukti yang cukup, kita perlu menganalisis distribusi lapangan mereka.
a dan c tunjukkan |E| distribusi medan dari titik frekuensi E dan F dari resonator persegi panjang tidak berlubang, masing-masing. b dan d berikan |H y| distribusi medan dari titik frekuensi E dan F dari resonator persegi panjang tidak berlubang, masing-masing. e , g , i , dan (k ) tampilkan |E| distribusi medan dari titik frekuensi A , B , C , dan D dari resonator persegi panjang berlubang, masing-masing. f , h , j , dan l berikan |H y| distribusi medan dari titik frekuensi A , B , C , dan D dari resonator persegi panjang berlubang, masing-masing
Kami sekarang menyediakan distribusi medan dekat dari titik frekuensi A , B , C , dan D dari resonator persegi berlubang untuk mengungkapkan mekanisme fisik dari penyerap cahaya quad-band, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4e–l. Dapat dilihat dari Gbr.4f titik frekuensi A bahwa hanya ada satu area distribusi medan magnet yang kuat di lapisan dielektrik dari perangkat penyerap quad-band yang disarankan. Tiga area akumulasi (dua kuat dan satu lemah) pada Gambar 4j ditemukan di lapisan dielektrik lossy dari perangkat penyerapan quad-band untuk titik frekuensi C . Sementara itu, |E | distribusi bidang titik frekuensi A pada Gambar. 4e dan C pada Gambar. 4i keduanya terutama difokuskan pada tepi resonator persegi berlubang. Oleh karena itu, titik frekuensi A dan C pada Gbr. 2a atau Gbr. 3b masing-masing merupakan respons terlokalisasi orde pertama dan orde ketiga dari resonator persegi berlubang [40, 41]. Distribusi medan ini memberikan bukti yang cukup untuk menunjukkan bahwa mekanisme fisik dari titik frekuensi A dan C dalam Gambar. 2a atau 3b konsisten dengan titik frekuensi E dan F pada Gambar. 3a, masing-masing.
Untuk titik frekuensi B pada Gambar. 4h, hanya satu distribusi medan yang sangat kuat yang diamati di sisi kanan lapisan dielektrik lossy dan |E | bidang mode penyerapan pada Gambar. 4g terutama dikumpulkan di kedua tepi bagian sisi kanan resonator persegi berlubang. Akibatnya, titik frekuensi B harus menjadi respons terlokalisasi orde pertama dari bagian sisi kanan resonator persegi panjang berlubang. Untuk titik frekuensi D , kami mengamati bahwa |Hy | distribusi medan terutama difokuskan pada sisi kiri lapisan dielektrik lossy (lihat Gambar 4l), menunjukkan mode ini harus dikaitkan dengan respons lokal orde pertama dari bagian sisi kiri resonator persegi berlubang. Berdasarkan analisis di atas, pengenalan lubang udara pada resonator persegi panjang memang dapat memainkan peran penting dalam redistribusi pola medan dekat. Distribusi medan dekat yang didistribusikan kembali menjadi dua mode penyerapan baru, titik frekuensi B dan D . Akibatnya, perangkat penyerapan cahaya quad-band dapat diwujudkan dalam resonator persegi panjang yang sedikit terdeformasi ini. Dibandingkan dengan metode desain tradisional untuk mendapatkan penyerapan pita ganda [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], konsep desain memiliki keunggulan yang jelas, seperti desain struktur yang disederhanakan, langkah fabrikasi yang murah dan mudah, dan sebagainya.
Dalam naskah ini, kami menggunakan konsep resonansi orde pertama dan orde ketiga dari resonator untuk mendapatkan respons penyerapan pita ganda. Namun, secara umum, setiap resonator memiliki mode orde tinggi selain respons orde pertama (atau resonansi mode fundamental), jadi dari teorinya, ia dapat menunjukkan beberapa pita absorpsi dengan koefisien absorpsi tinggi dalam rentang frekuensi tertentu. Jika rentang frekuensi yang disimulasikan diperluas ke frekuensi yang lebih tinggi, seseorang dapat menemukan mode orde tinggi lainnya, dan jumlah pita absorpsi dengan koefisien absorpsi tinggi idealnya tidak terbatas. Namun, situasi sebenarnya tidak didasarkan pada prediksi ini. Bahkan jika rentang frekuensi diperluas ke frekuensi yang lebih tinggi, cukup sulit untuk mendapatkan banyak (dan bahkan tak terbatas) pita resonansi yang memiliki koefisien penyerapan tinggi, dan biasanya hanya maksimal dua mode resonansi orde tinggi dan mode resonansi fundamental. dapat dicapai [40, 41, 47,48,49]. Dua macam alasan dapat menjelaskan fenomena ini. Pertama, sulit untuk secara bersamaan mencapai penyerapan yang hampir sempurna pada beberapa pita frekuensi yang berbeda (> 3) karena ketebalan dielektrik optimal yang berbeda yang diperlukan untuk mode resonansi yang berbeda. Dengan kata lain, tidak mungkin untuk mewujudkan penyerapan yang sangat baik (simultan> 90%) dari puncak pita ganda berdasarkan superposisi mode fundamental dan beberapa mode orde tinggi (bahkan tak terbatas) [40, 41, 46,47 ,48]. Kedua, efek difraksi dari struktur resonansi juga dapat sangat mempengaruhi koefisien penyerapan puncak resonansi dalam mode fundamental dan respons orde tinggi dan dengan demikian penyelidikan numerik spesifik dari mode orde tinggi untuk memastikan bahwa efek difraksi tidak secara signifikan mempengaruhi penyerapannya. kinerja [47,48,49]. Kedua titik tersebut adalah alasan utama untuk tidak dapat memperoleh puncak serapan yang hampir sempurna tanpa batas meskipun rentang frekuensi diperluas ke frekuensi yang lebih tinggi. Selain itu, penting untuk dicatat bahwa sangat sulit untuk mendapatkan mode resonansi orde genap di bawah kondisi normal (seperti gelombang elektromagnetik yang disinari secara vertikal) karena medan listrik dari cahaya datang harus memiliki komponen vertikal dalam bidang datang. [49].
Untuk memberikan demonstrasi intuitif, ketergantungan spektrum penyerapan pada rentang frekuensi yang diperluas dari perangkat resonansi disediakan pada Gambar. 2b. Seperti yang ditunjukkan, hanya ada empat mode resonansi yang jelas (yaitu, titik frekuensi asli A , B , C , dan D ) dengan koefisien penyerapan tinggi saat rentang frekuensi diperpanjang hingga 4 THz, hingga 6 THz, dan bahkan hingga 8 THz. Dalam rentang frekuensi (3~6) THz dan (3~8) THz, beberapa tingkat penyerapan rendah dan mode resonansi tak terduga dapat ditemukan. Fitur semacam ini menunjukkan bahwa kita tidak dapat memperoleh lebih banyak mode resonansi dengan koefisien penyerapan tinggi dan frekuensi yang diharapkan ketika rentang frekuensi diperluas ke frekuensi yang lebih tinggi. Artinya, jumlah pita penyerapan tidak dapat meningkat lebih jauh (dan bahkan idealnya tak terbatas) dengan koefisien penyerapan yang tinggi ketika rentang frekuensi diperluas ke frekuensi yang lebih tinggi, yang dapat dikaitkan dengan dua alasan untuk paragraf sebelumnya.
Selanjutnya, kami menemukan bahwa koefisien penyerapan titik frekuensi ini dapat dipengaruhi secara signifikan ketika rentang frekuensi diperluas ke frekuensi yang lebih tinggi. Dapat dilihat dari kurva kuning tua, biru, dan merah pada Gambar 2b bahwa koefisien penyerapan dari tiga titik frekuensi pertama berkurang secara signifikan dengan perluasan rentang frekuensi. Khususnya, jika rentang frekuensi diperpanjang hingga 8 THz, penyerapan titik frekuensi kedua adalah 67,69%; pada saat yang sama, penyerapan rata-rata dari tiga titik frekuensi pertama A , B , dan C hanya sekitar 77,56%, yang jauh lebih rendah daripada penyerapan hampir sempurna (atau 100%) dari tiga titik frekuensi pertama dalam rentang frekuensi aslinya (0,2~3) THz. Oleh karena itu, dalam naskah ini, kita hanya membahas puncak resonansi (yaitu, mode A , B , C , dan D ) dengan koefisien absorpsi tinggi pada rentang frekuensi (0,2~3) THz tanpa mempertimbangkan kasus koefisien absorpsi rendah dan frekuensi tak terduga dari mode dalam rentang frekuensi (3~6) THz dan (3~8) THz .
Kami selanjutnya menyelidiki apakah peredam cahaya quad-band yang dirancang dapat dimasukkan ke dalam sensor untuk mendeteksi atau memantau perubahan indeks bias (RI) lingkungan, yang tercakup di atas resonator logam. Gambar 5a menunjukkan ketergantungan spektrum serapan pada perubahan RI bahan penutup. Dapat dilihat bahwa pergeseran frekuensi dari titik frekuensi A dan B hampir tidak ada (hanya 0,01 THz) saat RI diubah dari vakum n = 1,00 sampai n = 1,04 dalam interval 0,01, sedangkan frekuensi berubah dari titik frekuensi C dan D cukup luar biasa. Perubahan frekuensi titik frekuensi C adalah sekitar 0,046 THz, dan pergeseran frekuensi untuk titik frekuensi D dapat mencapai 0,122 THz. Faktanya, sensitivitas indeks refraksi massal (S ) adalah faktor intuitif untuk menggambarkan kinerja penginderaan dari struktur resonansi, dan sensitivitas S dapat didefinisikan sebagai [44, 45]:S = Δf /Δn , di mana f adalah perubahan frekuensi resonansi dan n adalah perubahan RI. Menurut definisi, S nilai titik frekuensi A , B , C , dan D berturut-turut adalah 0,25, 0,25, 1,15, dan 3,05 THz/RIU. Dibandingkan dengan S nilai titik frekuensi A , B , dan C , S faktor peningkatan untuk titik frekuensi D bisa setinggi 12.2, 12.2, dan 2.65, masing-masing. S . yang besar nilai titik frekuensi D memiliki aplikasi potensial di area terkait sensor.
a menunjukkan ketergantungan kinerja penyerapan penyerap cahaya quad-band pada perubahan indeks bias (n ) dari lingkungan. b1 dan b2 masing-masing adalah frekuensi resonansi dari mode C dan D sebagai fungsi dari indeks bias n
Selain sensitivitas penginderaan S , FOM (figur prestasi) adalah faktor yang lebih signifikan untuk memperkirakan kualitas sensor dan memungkinkan perbandingan langsung kinerja penginderaan di antara sensor yang berbeda. Definisi FOM adalah [44, 45]:FOM = Δf /(Δn × FWHM) = S/ FWHM, di mana S dan FWHM masing-masing adalah sensitivitas penginderaan dan lebar penuh pada setengah mode resonansi maksimum. Berdasarkan S nilai dan FWHM dari empat mode resonansi, FOM dari titik frekuensi A , B , C , dan D masing-masing adalah 1,92, 1,92, 11.5, dan 101,67. FOM dari titik frekuensi D sekitar 52,95, 52,95, dan 8,84 kali lebih besar dari titik frekuensi A , B , dan C , masing-masing. Lebih penting lagi, FOM dari titik frekuensi D jauh lebih besar dari pekerjaan sebelumnya yang dioperasikan pada rentang frekuensi terahertz yang memiliki nilai tidak melebihi 5 [18, 48,49,50,51]. Karena karakteristik yang sangat baik ini, desain penyerap cahaya multi-pita menjanjikan di bidang yang berhubungan dengan sensor.
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, penyerap metamaterial terahertz quad-band berukuran tunggal ditunjukkan, yang dirancang oleh resonator persegi panjang berlubang pada lapisan dielektrik lossy yang ditempatkan di papan emas. Empat pita resonansi diskrit dan pita sempit dicapai dalam resonator berukuran tunggal, di mana tiga pita pertama memiliki tingkat penyerapan rata-rata yang besar sebesar 97,80% dan pita keempat memiliki Q yang tinggi nilai 98,33. Gambar fisik perangkat yang dirancang dieksplorasi; ditemukan bahwa distribusi medan-dekat yang bersesuaian dari empat pita berbeda. Selain itu, ketergantungan penyerapan pada perubahan indeks bias lingkungan (yang tercakup di atas resonator berukuran tunggal) diselidiki untuk mengeksplorasi kinerja penginderaan perangkat. FOM dari band keempat bisa mencapai 101,67, yang jauh lebih besar dari tiga mode pertama dan bahkan karya-karya sebelumnya [18, 50,51,52,53]. Fitur unggulan ini, termasuk Q high yang tinggi nilai dan FOM yang besar, akan bermanfaat untuk desain dan pengembangan sensor sederhana untuk penginderaan dan pemantauan gas, deteksi material, dan diagnostik bio-medis.
