Metasurface Terahertz yang Dapat Diubah: Penyerap dan Konverter Polarisasi Dual-Mode dengan Grafit dan Emas
Abstrak
Metasurface terahertz (THz) konvensional biasanya menyediakan satu fungsionalitas, baik menyerap radiasi insiden atau mengubah polarisasinya. Kami memperkenalkan perangkat multifungsi kompak dan rendah profil (MFD) yang dapat diubah antara penyerap >80 % dan elemen konversi polarisasi (PC) >90 % dengan menyesuaikan potensi kimia lapisan grafit. Struktur mengintegrasikan metasurface absorber berbasis grafit (AM) dengan metasurface konversi polarisasi berbasis emas (PCM). Dalam mode PC (μc = 0 eV), perangkat mencapai rasio konversi polarisasi (PCR) >0,9 pada 2,11–3,63 THz, mencapai puncak 53 % pada 2,87 THz. Dalam mode serapan (μc = 0,7 eV), daya serap melebihi 80 % pada 1,59–4,54 THz, mencapai 96,4 % pada 3,06 THz. Fisika di baliknya, mekanisme pengalihan, dan robustitas parametrik diperiksa, menekankan kesesuaian MFD untuk citra THz, sensing, fotodeteksi, dan modulasi.
Pendahuluan
Teknologi terahertz sangat bergantung pada perangkat yang dapat memanipulasi gelombang elektromagnetik. Penyerap멬lurhkan energi yang tidak diinginkan, sedangkan konverter polarisasi meresmangkan gelombang untuk citra, spektroskopi, dan komunikasi. Kemajuan terbaru dalam metasurface—struktur berpola di bawah panjang gelombang—telah menghasilkan penyerap hampir sempurna menggunakan resonan emas atau grafit. Namun, banyak desain ini sempit dan terbatas secara fungsional.
Grafit, dengan konduktivitas permukaan yang dapat diatur, mendukung polariton permukaan plasm (SPP) yang dapat dimodulasi melalui tegangan bias, memungkinkan serapan broadband. Demikian pula, pola L-bentuk dan cross berbasis emas telah menunjukkan konversi polarisasi yang efisien di atas rentang frekuensi yang luas. Namun, belum ada sistem yang dilaporkan yang secara bersamaan menawarkan serapan tinggi dan PC tinggi dalam satu platform yang dapat diubah.
Untuk menyelimahi kesenjangan ini, kami mengusulkan metasurface multifungsi yang beralih antara mode serapan dan konversi polarisasi dengan hanya memvariasi potensi kimia grafit. Desain tetap rata, kompak, dan dapat diproduksi dengan teknik litografi standar.
Metode
MFD terdiri dari tiga lapisan: PCM berbasis emas, AM berbasis grafit, dan bidang tanah refleksi berbasis emas. PCM adalah pola L-ganda emas yang dicetak pada substrat polimer TOPAS; AM terdiri dari array 3 × 3 pola cross-slot grafit yang dietch pada polimer yang sama. Kedua metasurface dipisahkan oleh celah dielectric h1, sementara ketebalan polimer di atas PCM adalah h0. Lapisan tanah emas (200 nm) menjamin transmisi nol, menyederhanakan analisis menjadi koefisien refleksi.
Konduktivitas permukaan kompleks grafit dijelaskan oleh rumus Kubo:
σs=σint(ω,μc,Γ,T)+σinter(ω,μc,Γ,T)
di mana μc adalah potensi kimia yang dapat diatur. Pada μc = 0 eV, grafit berperilaku sebagai dielectric lemah; pada μc = 0,7 eV, konduktivitas tinggi mengekscitate SPP, melokalkan medan secara kuat dalam AM.
Simulasi gelombang penuh (CST Studio Suite, solver domain frekuensi) memodelkan sel unit periodik dengan batas Floquet. Koefisien refleksi ryy dan rxy untuk insiden terpolarisasi y diekstrak untuk menghitung PCR dan daya serap:
Simulasi dilakukan pada 300 K dengan waktu relaksasi momentum τ = 0,1 ps. Parameter geometri yang dioptimalkan adalah h0 = 17 µm, h1 = 1,5 µm, periode sel p = 50 µm, dan dimensi fitur seperti yang tertera dalam desain asli.
Konfigurasi tipikal MFD
Hasil, Mekanisme Fisik, dan Pembahasan
Hasil
Kurva PCR dan daya serap yangディsimulasikan mengonfirmasi operasi dual-mode. Dalam mode PC (μc = 0 eV), PCR melebihi 0,9 dari 2,11 hingga 3,63 THz, sementara daya serap tetap di bawah 30 %. Dalam mode serapan (μc = 0,7 eV), daya serap melebihi 80 % antara 1,59 dan 4,54 THz, dengan puncak 96,4 % pada 3,06 THz.
Perhitungan PCR dan daya serap MFD yang diusulkan. a Model simulasi. b Hasil perhitungan untuk mode PC (biru) dan mode serapan (cyan). c Hasil untuk struktur tanpa AM (merah).
Mekanisme Fisik
Peta medan listrik dan arus mengilustrasikan perilaku pengalihan. Ketika μc = 0 eV, medan terkonsentrasi pada L-bentuk PCM, dan arus yang diinduksi menghasilkan polarisasi ortogonal, mengonfirmasi PC yang efisien. Sebaliknya, dengan μc = 0,7 eV, medan terkonsentrasi pada cross-slot grafit, menghasilkan SPP yang kuat yang menangkap dan멬lurhkan energi dalam AM, mengarah pada serapan tinggi.
Distribusi medan untuk mode PC (μc = 0 eV). a 2,56 THz. b 3,22 THz.
Distribusi medan untuk mode serapan (μc = 0,7 eV). a 1,7 THz. b 3,3 THz.
Studi Parametrik
Variasi μc dari 0 hingga 1 eV menyesuaikan perangkat antara regime PC dan serapan. PCR menurun seiring bertambahnya μc, sementara daya serap membaik, mencapai puncak pada μc = 0,7 eV. Analisis sudut polarisasi dan sudut insiden menunjukkan bahwa perangkat mempertahankan >80 % daya serap untuk sudut hingga 30° dan mempertahankan PCR tinggi untuk insiden s-terpolarisasi di bawah 40°. Penyesuaian celah vertikal h1 memiliki dampak yang tidak signifikan pada mode PC tetapi mempengaruhi serapan dengan mengubah coupling SPP.
Karakteristik MFD untuk berbagai potensi kimia (μc). a PCR. b Serapan.
Serapan vs sudut polarisasi. a Sudut φ1 dan φ2. b φ1. φ2.
PCR untuk insiden s- dan p-terpolarisasi vs sudut.
Serapan vs sudut untuk insiden s- dan p-terpolarisasi.
Efek celah vertikal h1 pada PCR (a) dan serapan (b).
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan metasurface kompak dan dapat diatur yang beralih secara lancar antara >80 % serapan dan >90 % konversi polarisasi pada band 1,6–4,6 THz dengan mengontrol potensi kimia grafit. Desain berprofil rendah, pembuatan sederhana, dan performa yang robust di berbagai sudut menjadikannya kandidat yang kuat untuk sistem citra, sensing, fotodeteksi, dan modulasi terahertz generasi mendatang.
