Perangkat Multifungsi dengan Fungsi Penyerapan dan Konversi Polarisasi yang Dapat Dialihkan pada Rentang Terahertz

Metode

Untuk mendapatkan kapasitas perpindahan antara mode penyerapan dan konversi polarisasi (PC), MFD mencakup dua kategori metasurfaces seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Salah satu jenis menyerap metasurface (AM), dan jenis lainnya adalah PC metasurface (PCM). Konfigurasi khas MFD, seperti yang disajikan pada Gambar. 1, termasuk struktur PCM, struktur AM, cermin logam, dan isolator untuk memisahkannya. Diperkirakan bahwa, pada mode penyerapan, AM mendominasi gelombang yang menimpa dan menghilangkan daya yang datang, dan PCM tidak berguna pada mode ini. Pada mode PC, AM harus dinetralkan dan PCM memainkan peran utama; oleh karena itu, keadaan polarisasi gelombang datang diubah. Untuk mencapai klaim di atas, poin kuncinya adalah netralisasi AM pada mode PC. Oleh karena itu, bahan yang dapat disetel harus digunakan untuk membangun AM, di mana sifat-sifat AM dapat disetel. Untungnya, graphene menunjukkan mobilitas elektronik ultra-tinggi dan konduktivitas yang dapat disetel dengan menyesuaikan tingkat doping atau kisi listriknya [26, 27]. Oleh karena itu, disarankan untuk menggunakan graphene untuk perancangan AM. Konduktivitas graphene dapat dinyatakan dengan rumus Kubo (1), yang mencakup kontribusi intraband dan interband.

Konfigurasi khas MFD

dimana e , , k _B , T , dan μ _c masing-masing mewakili muatan elektron, konstanta Planck tereduksi, konstanta Boltzmann, suhu Kelvin, dan potensial kimia. Γ adalah laju hamburan fenomenologis, dan diasumsikan tidak bergantung pada energi ε . Jadi, konduktivitas kompleks σ _s dapat disesuaikan dengan menyetel potensial kimia (μ _c ) dengan tegangan bias. Hal ini ditemukan dalam Persamaan. (1) bahwa untuk μ _c = 0 eV, konduktivitas graphene sangat kecil karena kerapatan pembawa yang rendah pada kasus ini. Oleh karena itu, graphene beroperasi sebagai substrat dielektrik. Selain itu, karena lapisan graphene sangat tipis, pengaruhnya kecil pada gelombang EM yang disinari untuk μ _c =0 eV. Namun, kerapatan pembawa graphene akan meningkat dengan meningkatnya potensi kimia (μ _c ), dan konduktivitas kompleks (σ _s ) dari graphene didorong dengan meningkatnya potensi kimia (μ _c ) [26, 27]. Oleh karena itu, graphene mendukung polariton plasmon permukaan (SPP) untuk μ . besar _c [26, 28,29,30], dan SPP membatasi gelombang datang. Untuk lebih meningkatkan SPP dan mencapai penyerapan gelombang pada frekuensi tertentu, struktur periodik harus tergores di lapisan graphene untuk membentuk metasurface, yang disebut AM. Oleh karena itu, dengan mengatur μ _c = 0, AM dapat dianggap sebagai substrat dielektrik tipis, dan hampir transparan terhadap gelombang EM. Dengan demikian, gelombang EM yang datang dapat dikonsentrasikan pada lapisan PCM, dan perangkat beroperasi dalam mode PC. Untuk μ . besar yang sesuai _c , SPP AM yang ditingkatkan membatasi sebagian besar gelombang EM yang datang, yang membuat lapisan PCM tidak berguna. Dengan demikian, gelombang EM yang datang dihamburkan di lapisan AM.

Menurut diskusi di atas, MFD low-profile dengan PCM berbasis emas dan AM berbasis graphene diusulkan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2. Gambar 2a adalah tampilan 3D sel. Ditemukan pada gambar bahwa satu lapisan PCM berbasis emas dicetak di atas substrat polimer TOPAS [31]. Pola PCM adalah struktur berbentuk L ganda dengan pita lebar dan karakteristik konversi polarisasi yang baik [18, 19]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, AM berbasis graphene dimasukkan ke dalam substrat polimer TOPAS dengan jarak h ₁ ke PCM. Untuk memberi AM berbasis graphene peran dominan pada mode penyerapan, AM harus memiliki SPP yang kuat pada potensi kimia tertentu (μ _c ) untuk membatasi sebagian besar kekuatan insiden dan menetralisir PCM. Untuk tujuan ini, pola celah-silang diukir dalam lapisan graphene, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Diperkirakan bahwa pola celah silang membawa perubahan periodik (σ = 0) ke konduktivitas kompleks keseragaman graphene, yang mengarah pada penataan ulang dan pemfokusan kerapatan muatan. Oleh karena itu, SPP dibuat dan ditingkatkan. Struktur cross-slot, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, mampu memusatkan pembawa dan bidang di sekitar slot, yang memastikan SPP yang kuat. Panjang slot l ₁ dan l ₂ memilih untuk memastikan resonansi AM masuk ke dalam lingkup operasi PCM; oleh karena itu, satu sel AM memiliki pola celah silang 3 × 3. Perhatikan bahwa PCM dan AM bergerak dan beroperasi secara independen karena on-offnya dikendalikan oleh potensi kimia (μ _c ); oleh karena itu, pola PCM dan pola AM dapat berupa arsitektur lain. Polimer TOPAS adalah bahan substrat yang sangat baik untuk desain terahertz broadband, dan indeks refraksinya sekitar 1,53 dengan kehilangan yang sangat rendah. Lapisan emas dicetak di bagian bawah substrat polimer TOPAS untuk refleksi total. Lapisan emas didukung oleh substrat, yang dapat berupa Si. Ketebalan emas adalah 200 nm. Perhatikan bahwa bahan pendukung tidak berpengaruh pada kinerja pada MFD karena tidak ada gelombang yang menembus lapisan emas. Seperti yang ditunjukkan dari tampilan 3D dari susunan pada Gambar. 2c, potensi kimia dapat disesuaikan melalui bias tegangan. MFD dapat dibuat dengan mengulangi proses pertumbuhan dan transfer [32, 33]. Grafena AM seharusnya memiliki T = 300 K dan waktu relaksasi momentum τ = 0,1 hal. Untuk mode PC, μ _c =0 eV. Potensi kimia untuk mode absorpsi adalah μ _c =0,7 eV. Parameter MFD yang dioptimalkan adalah h ₀ = 17 m, h ₁ = 1,5 m, l ₀ = 24 m, A ₀ = 2 m, l ₁ = 14 m, l ₂ = 19,8 m, dan p = 50 m.

Tampilan skema MFD yang diusulkan dengan mode konversi absorbansi dan polarisasi. a Tampilan 3D dari sebuah sel. b Tampilan atas dari graphene AM dalam satu sel. c Tampilan 3D larik

Hasil, Mekanisme Fisik, dan Diskusi

Hasil

MFD yang diusulkan disimulasikan, dan rasio konversi polarisasi (PCR) dan absorptivitas dari MFD yang diusulkan dihitung. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, analisis gelombang penuh dilakukan di CST Studio Suite dengan pemecah domain frekuensi. Oleh karena itu, batas sel satuan ditetapkan di sisi periferal, dan port floquet diatur di bagian atas wilayah kalkulasi. PCR dan absorptivitas struktur tanpa AM juga diplot pada gambar untuk perbandingan. Perhatikan bahwa PCR dan absorptivitas dapat dihitung melalui koefisien refleksi struktur karena tidak ada transmisi karena lapisan emas [34]. Di sini, istilah secara eksplisit didefinisikan menurut y -iluminasi terpolarisasi Medan listrik y -gelombang insiden terpolarisasi didefinisikan sebagai E _iy , dan gelombang pantul termasuk y -medan listrik terpolarisasi (E _ry ) dan x -listrik terpolarisasi melarikan diri (E _rx ). Kemudian, koefisien refleksi ko-polarisasi dan polarisasi silang didefinisikan sebagai r _yy =E _ry /E _iy dan r _xy =E _rx /E _iy , masing-masing. Oleh karena itu, PCR dan absorptivitas dapat dihitung dengan Persamaan. (2) dan (3), masing-masing. Perhatikan bahwa PCR dan absorptivitas x -kejadian terpolarisasi dapat dihitung secara analog menurut Persamaan. (2) dan (3).

PCR dan perhitungan absorptivitas dari MFD yang diusulkan. a Model simulasi. b Hasil yang dihitung dari mode PC dan mode penyerapan; hasil struktur tanpa AM juga ditunjukkan untuk perbandingan. b PCR dan absorptivitas struktur tanpa AM diplot masing-masing sebagai kurva merah dengan tanda lingkaran padat dan kurva carmine dengan tanda lingkaran setengah padat. Untuk mode PC dari MFD yang diusulkan, PCR dan absorptivitas masing-masing diplot sebagai kurva biru dengan tanda bintang berujung lima dan kurva cyan dengan tanda delta semi-padat. Untuk mode penyerapan MFD yang diusulkan, absorptivitas diplot sebagai kurva biru tersembunyi dengan tanda bola penuh

$$ \mathrm{PCR}={r^2}_{xy}/\left({r^2}_{yy}+{r^2}_{xy}\right) $$ (2) $$ \mathrm{Abs}.=1-{r^2}_{yy}-{r^2}_{xy} $$ (3)

Seperti ditunjukkan pada Gambar. 3b, MFD beroperasi pada mode PC dengan μ _c = 0 eV, dan bekerja pada mode penyerapan dengan μ _c =0,7 eV. Pada mode PC, struktur beroperasi sebagai konverter polarisasi, dan memutar gelombang insiden terpolarisasi linier ke gelombang polarisasi ortogonalnya. Untuk mode PC, PCR lebih besar dari 0,9 pada pita 2,11–3,63-THz (53,0% pada 2,87 THz), sedangkan absorptivitasnya kecil dan berkisar antara 0,14 hingga 0,27 pada pita. Untuk struktur tanpa AM, memiliki pita PCR yang hampir sama dengan mode PC sedangkan absorptivitasnya berkisar antara 0,06 hingga 0,09. Dalam mode penyerapan, sebagian besar gelombang datang diserap dalam pita seperti yang ditunjukkan pada gambar. Perhatikan bahwa kurva PCR untuk mode absorpsi tidak disajikan karena tidak ada artinya. Daya serap lebih besar dari 80% pada pita 1,59–4,54-THz (96,4% pada 3,06 THz). Oleh karena itu, dengan menyesuaikan potensi kimia, struktur yang diusulkan dapat beralih antara mode PC dan mode penyerapan.

Mekanisme Fisik

Untuk lebih mengungkapkan mekanisme fisik dari karakteristik switching dari dua mode, kepadatan energi listrik pada mode PC dan mode penyerapan struktur disajikan pada Gambar. 4 dan 5, masing-masing. Distribusi mode PC saat ini juga diplot pada Gambar. 4 untuk menyatakan karakteristik konversi polarisasi. Distribusi arus dari mode penyerapan tidak diilustrasikan karena arus dilemahkan dan dihamburkan pada mode ini. Perhatikan bahwa distribusi bidang diperoleh di bawah y -iluminasi terpolarisasi.

Distribusi lapangan dari mode PC (μ _c = 0 eV). a 2,56 THz. b 3,22 THz

Distribusi medan dari mode penyerapan (μ _c = 0,7 eV). a 1,7 THz. b 3,3 THz

Untuk mode PC (μ _c = 0 eV), dua frekuensi 2,56 THz dan 3,22 THz dipilih untuk mempresentasikan distribusi medannya masing-masing pada Gambar 4a dan b. Bagian kiri gambar adalah rapat energi listrik, dan bagian kanan adalah arus. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, distribusi medan 2,56 THz dan 3,22 THz sangat mirip satu sama lain, yang menyiratkan pita operasi yang lebar. Dari rapatan energi listrik di bagian kiri Gambar 4a, b, energi terutama terkonsentrasi pada struktur berbentuk L (PCM). Hal ini menunjukkan bahwa PCM memainkan peran utama untuk μ _c =0 eV. Dari arus di bagian kanan Gambar 4a, b, arus 2,56 THz dan 3,22 THz juga terkonsentrasi pada PCM, dan arus pada AM lemah. Panah garis putus-putus menunjukkan vektor arus. y -iluminasi terpolarisasi menghasilkan x -arus vektor pada struktur berbentuk L, yang mencapai konversi polarisasi.

Untuk mode penyerapan (μ _c = 0,7 eV), rapat energi listrik 1,7 THz dan 3,3 THz masing-masing dilukiskan pada Gambar 5a dan b. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, rapat energi listrik dari dua frekuensi terutama didistribusikan pada AM. Ditemukan juga bahwa energi terfokus pada pola celah silang; oleh karena itu, efek SPP ditingkatkan oleh slot silang pada AM. Efek SPP yang kuat menyebabkan peningkatan medan pada AM, yang memberikan peran dominan pada AM. Dengan demikian, gelombang datang dibatasi dan dihamburkan di AM. Ditemukan juga bahwa masih ada beberapa energi yang tersebar di PCM, yang membuat penyerapan tidak sempurna, seperti penyerapan 80–90% di pita.

Diskusi

Untuk lebih mengungkapkan karakteristik MFD yang diusulkan, studi parametrik dibahas di bagian ini. Gambar 6a dan b menyajikan karakteristik PCR dan penyerapan, masing-masing, dalam hal potensi kimia (μ _c ). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 6a, μ . yang lebih kecil _c berarti konduktivitas AM yang lebih kecil, dan PCM memiliki peran yang lebih kuat. Oleh karena itu, PCR yang baik diamati dengan μ _c = 0 eV, dan itu memburuk dengan meningkatnya μ _c . Karakteristik penyerapan MFD menyajikan kecenderungan yang hampir berlawanan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b. Dengan μ _c meningkat dari 0 menjadi 1 eV, SPP pada AM terinspirasi dan ditingkatkan. Dengan demikian, gelombang EM yang datang terbatas pada AM, dan daya diserap. μ _c = 0,7 eV dipilih untuk bandwidth terluas. Juga terlihat pada Gambar 6a bahwa nilai PCR sekitar 1,85 THz lebih besar dari 80% untuk 0,7 eV <μ _c < 1 eV; namun, sebagian besar kekuatan dihamburkan untuk ini μ _c s seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b. Oleh karena itu, potensial kimia (μ _c ) adalah parameter yang berharga untuk menyesuaikan karakteristik PCR dan penyerapan.

Karakteristik MFD yang diusulkan untuk potensi kimia yang berbeda (μ _c ). a PCR. b Penyerapan

Penyerapan mode penyerapan untuk sudut polarisasi yang berbeda (φ ₁ dan φ ₂ ) digambarkan pada Gambar. 7. Seperti yang digambarkan pada Gambar 7a, φ ₁ dan φ ₂ adalah sudut medan listrik datang relatif terhadap x - dan y -sumbu, masing-masing. Menurut struktur simetris dari MFD, φ ₁ dan φ ₂ bervariasi dari 0 sampai 45°. Pada Gambar 7b, sebagai φ ₁ meningkat dari 0 menjadi 45°, absorptivitas dalam pita meningkat dari 0,8 menjadi hampir 1, meskipun pita sedikit menyempit dengan bertambahnya φ ₁ . Seperti ditunjukkan pada Gambar. 7c, peningkatan φ ₂ menurunkan absorptivitas sekitar 2-3 THz, dan dua pita serapan diperoleh sekitar 1,7 THz dan 4 THz.

Karakteristik penyerapan dari mode penyerapan (μ _c = 0,7 eV) di bawah insiden normal untuk sudut polarisasi yang berbeda (φ ). a φ ₁ dan φ ₂ adalah sudut medan listrik datang relatif terhadap x- dan y -sumbu, masing-masing. b φ ₁ . c φ ₂

Performa mode PC dan mode penyerapan dalam hal sudut datang (θ ) disajikan pada Gambar. 8 dan 9, masing-masing. Gambar 8a dan b menunjukkan plot PCR dari s - dan p - gelombang datang terpolarisasi, masing-masing, dengan sudut datang berkisar dari 0 hingga 80 °. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, PCR memburuk dengan meningkatnya θ; namun, karakteristik PCR yang baik juga diperoleh untuk θ lebih kecil dari 40°. Bandwidth PCR stabil terhadap sudut datang (θ ). Juga ditemukan bahwa kinerja PCR s - kejadian terpolarisasi tidak peka terhadap sudut datang (θ ) untuk frekuensi sekitar 2,1 THz.

Karakteristik PCR dari mode PC (μ _c = 0 eV) untuk sudut datang yang berbeda, diterangi oleh a s -terpolarisasi dan b p -gelombang terpolarisasi

Karakteristik penyerapan mode penyerapan (μ _c = 0,7 eV) untuk sudut datang yang berbeda, diterangi oleh a s -terpolarisasi dan b p -gelombang terpolarisasi

Untuk mode penyerapan, plot absorptivitas s - dan p -gelombang insiden terpolarisasi diplot pada Gambar. 9a dan b, masing-masing, dengan sudut datang (θ ) berkisar antara 0 hingga 80 °. Secara umum, absorptivitas s -insiden terpolarisasi berkurang dengan meningkatnya θ , dan absorptivitas lebih besar dari 0,8 untuk θ lebih kecil dari 30°. Sangat menarik untuk menemukan bahwa absorptivitas p - Gelombang EM insiden terpolarisasi meningkat dengan meningkatnya θ .

Parameter struktur h ₁ juga dipelajari untuk lebih mengungkapkan berbagai fungsi perangkat. Sebagai h ₁ disesuaikan, posisi AM diubah. Perhatikan bahwa parameter struktur lainnya tidak dibahas di sini untuk kesederhanaan. Gambar 10a dan b masing-masing menunjukkan hasil mode PC dan mode penyerapan. Seperti yang ditunjukkan di bagian kiri Gambar 10a, pada mode PC, h ₁ memiliki sedikit dampak pada PCR. Di bagian kanan Gambar 10b, penyerapan juga stabil untuk h ₁ mulai dari 0,5 hingga 16,5 m, meskipun lebih kecil h ₁ memiliki daya serap yang lebih besar. Hasil pada Gambar 10a memverifikasi diskusi di bagian "Metode", dan AM dioperasikan sebagai substrat tipis pada mode PC (μ _c = 0 eV). Untuk mode penyerapan (μ _c = 0,7 eV), AM memainkan peran utama; oleh karena itu, h ₁ penting pada mode ini. Seperti yang ditunjukkan di bagian kiri Gambar 10a, peningkatan h ₁ menurunkan daya serap. Hal ini karena beberapa refleksi dan superposisi antara AM dan lapisan emas penting untuk menginspirasi SPP dan meningkatkan medan pada AM [35]. Di bagian kanan Gambar 10b, PCR yang baik diamati untuk h . yang lebih besar ₁ . Oleh karena itu, dalam perancangan MFD, parameter h ₁ hanya dapat dipertimbangkan dalam mode penyerapan karena pengaruhnya kecil pada mode PC.

PCR dan penyerapan dalam hal h ₁ . a Modus PC (μ _c = 0 eV). b Mode penyerapan (μ _c = 0,7 eV)

Kesimpulan

Singkatnya, MFD struktur sederhana dan profil rendah diusulkan dengan menggabungkan PCM berbasis emas dan AM berbasis graphene. Potensi kimia (μ _c ) dapat digunakan untuk mengaktifkan atau menetralkan AM berbasis graphene, dan kemudian, strukturnya dapat diubah dari penyerap menjadi konverter polarisasi. Untuk mode PC, PCR lebih besar dari 0,9 pada pita 2,11–3,63-THz (53,0% pada 2,87 THz). Untuk mode absorpsi, absorptivitas lebih besar dari 80% pada pita 1,59–4,54-THz (96,4% pada 3,06 THz). Desainnya dapat diterapkan pada sistem pencitraan, penginderaan, deteksi foto, dan modulasi terahertz.

Singkatan

AM:

Menyerap metasurface

CP:

Polarisasi melingkar

EM:

Elektromagnetik

LP:

Polarisasi linier

MFD:

Perangkat multi-fungsi

PC:

Konversi polarisasi

PCM:

Metasurface konversi polarisasi

PCR:

Rasio konversi polarisasi

SPP:

Polariton plasmon permukaan

Ultra-wideband and Polarization-Insensitive Perfect Absorber Menggunakan Multilayer Metamaterials, Lumped Resistor, dan Efek Kopling Kuat Efek Suhu pada Sifat Mekanik Nanofiber PU Electrospun