Metasurface graphene multifungsi untuk menghasilkan dan mengarahkan gelombang pusaran
Abstrak
Grafena, bahan 2D yang inovatif dengan ketebalan atom, adalah kandidat yang sangat menjanjikan dan telah menarik perhatian besar dalam berbagai aplikasi. Metasurface graphene memungkinkan kontrol dinamis dari berbagai muka gelombang, mencapai fungsionalitas yang berbeda. Fleksibilitas metasurface graphene memungkinkan untuk mengimplementasikan perangkat multifungsi dengan mudah. Dalam karya ini, desain baru dari metasurface graphene multifungsi, yang dapat menggabungkan fungsionalitas pembangkitan dan pengarah gelombang vortex, telah diusulkan. Metasurface graphene multifungsi terdiri dari array besar sel unit reflektif graphene. Setiap sel unit dikendalikan secara independen oleh ukurannya dan tegangan gerbang statis eksternal. Dengan meneliti sifat reflektif sel graphene, metasurface graphene dirancang untuk mewujudkan multi-fungsi. Hasil simulasi menunjukkan bahwa gelombang vortex dapat dibangkitkan dan dikendalikan. Karya ini dapat menetapkan metodologi untuk merancang metasurfaces graphene multifungsi, dan tunability graphene membuka gerbang ke desain dan fabrikasi perangkat graphene yang dapat dikonfigurasi ulang.
Pengantar
Graphene, bahan inovasi 2D dengan ketebalan atom, semakin menarik perhatian dalam biologi, optoelektronika, komunikasi terahertz, dll [1]. Dalam rezim terahertz, graphene memiliki kinerja yang lebih baik daripada logam mulia konvensional karena dukungan propagasi plasmon polariton permukaan (SPPs) [2], yang menjadikannya kandidat yang sangat menjanjikan dalam teknologi terahertz. Oleh karena itu, dalam beberapa tahun terakhir, muncul sejumlah besar perangkat berbasis graphene dalam rezim terahertz dan inframerah tengah, seperti modulator [3-6], detektor [7], penyerap [8, 9], dan laser [10, 11].
Sangat penting untuk merancang dan membuat metamaterial yang dapat dikonfigurasi ulang untuk mengontrol perilaku gelombang elektromagnetik [12, 13]. Oleh karena itu, banyak mekanisme penyetelan telah direalisasikan dalam berbagai rentang frekuensi yang berbeda [14], seperti metamaterial yang dapat dikonfigurasi ulang secara elektrik [15], metamaterial yang dapat dikonfigurasi ulang secara mekanis [16], material non-linier [17], kristal cair [18], mikrofluida [ 19], struktur semikonduktor [20], dan graphene [21]. Grafena, sebagai bahan inovasi, adalah kandidat yang menonjol di antara mereka, terutama karena konduktivitasnya yang dikendalikan listrik/magnetik, yang memungkinkan desain dan fabrikasi perangkat yang dapat dikontrol secara mini [14, 22]. Oleh karena itu, ia memiliki potensi besar untuk merancang metasurface yang dapat dikonfigurasi ulang, dan banyak aplikasi berdasarkan tunabilitasnya telah diusulkan dalam [23] dan [24]. Dengan menerapkan hukum Snell umum [25, 26], refleksi anomali dapat disetel dan direalisasikan oleh metasurfaces graphene [27]. Karya-karya ini dapat membuka jalan desain dan fabrikasi perangkat terahertz yang dapat disetel.
Dalam telekomunikasi, momentum sudut orbital (OAM) penting untuk meningkatkan kapasitas saluran karena dapat memberikan keadaan tak terbatas[28, 29]. Metamaterial tiga dimensi dapat digunakan untuk menghasilkan gelombang OAM [30]. Metasurface, yang dapat dianggap sebagai metamaterial dua dimensi, dapat menghadirkan kinerja luar biasa dalam ketebalan sub-panjang gelombang. Dalam rezim gelombang mikro, metasurface telah banyak digunakan untuk merancang dan membuat perangkat ukuran subwavelength untuk menghasilkan gelombang dengan berbagai polarisasi dan sifat gain [31-34]. Dalam rezim terahertz, metasurface graphene reflektif telah dilaporkan menghasilkan gelombang pusaran dengan tunability [35]. Metasurface graphene memiliki fleksibilitas untuk mengontrol muka gelombang [36]; oleh karena itu, desain yang layak, yang menggabungkan fungsionalitas pembangkitan gelombang vortex dan refleksi anomali, diharapkan dapat menyesuaikan arah gelombang vortex dengan presisi tinggi.
Dalam karya ini, berdasarkan penelitian kami sebelumnya tentang metasurface dalam optik mikro-nano [37-41], kami mempelajari mekanisme untuk menggabungkan fungsionalitas dua metasurfaces. Sebuah sel graphene dianalisis untuk mendapatkan hubungan antara koefisien refleksi dan potensi kimianya bersama dengan ukuran patchnya.
∘
. 360 penuh rentang fase refleksi dikalibrasi sebagai referensi untuk merancang metasurface graphene untuk menggabungkan fungsionalitas pembangkitan gelombang vortex dan refleksi anomali. Metasurface gabungan diwujudkan oleh sejumlah besar sel graphene reflektif. Hasil simulasi menunjukkan bahwa gelombang vortex dapat dihasilkan dan dikendalikan oleh sudut pantul tertentu.
Metode
Konduktivitas graphene terdiri dari transisi interband dan intraband. Transisi intraband mendominasi rezim terahertz dan inframerah, sedangkan transisi interband mendominasi rezim optik tampak. Di wilayah terahertz dan inframerah, konduktivitas dapat dimodelkan dengan model Drude [24],
dengan asumsi nilai khas suhu kamar T =300K , dan waktu relaksasi graphene τ =1 hal. Dalam karya ini, energi Fermi Ef dikendalikan oleh tegangan gerbang statis eksternal. Dalam simulasi, graphene tidak dimodelkan sebagai blok metamaterial 3D tetapi kondisi konduktif permukaan 2D karena ketebalan atom.
Metasurface graphene terdiri dari susunan besar sel graphene, yang menghasilkan perilaku plasmonik kolektif yang tereksitasi di permukaan, mewujudkan sifat elektromagnetik yang luar biasa. Frekuensinya adalah 1,3 THz; dengan demikian, karena perambatan gelombang lambat yang terkait dengan mode plasmonik, resonansi dapat terjadi pada ukuran yang sangat kecil, i. e., di bawah λ /10 [23, 42]. Untuk merancang metasurface sel graphene, grafik kalibrasi dari perilaku reflektif sel graphene diekstraksi untuk mempelajari pengaruh rinci setiap parameter dalam sel graphene tunggal.
Sebuah sel graphene unit khas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1, terdiri dari struktur multilayer dengan patch graphene ketebalan atom dipasang di atas. Patch graphene dengan ukuran wx ×dengany dipasang di tengah di atas tumpukan substrat persegi berlapis dengan panjang sisi p dari 14 mikron. Substrat kuarsa (εr =3.75,tanδ =0,0184) dengan ketebalan 25 m ditempatkan di atas lapisan tanah logam di bagian bawah. Tegangan DC bias eksternal diterapkan antara patch graphene dan lapisan silikon polikristalin dengan ketebalan 50 nm. Al2 . setebal 10 nm O3 (Alumina, \(\epsilon _{r}=8.9, \tan \delta =0.01\)) dimasukkan di antara sebagai pengatur jarak. Potensi kimia dapat diatur dari 0,01 hingga 1,0 eV, dengan mengontrol tegangan DC bias eksternal dari 0 hingga 14,7 V [23, 35]. Perlu disebutkan bahwa lapisan silikon polikristalin dan spacer Alumina tidak dimodelkan dalam simulasi dalam makalah ini dan alasannya adalah sebagai berikut. Pertama, simulasi 2D terpisah, yang jauh lebih murah, dilakukan untuk menunjukkan bahwa, karena ketebalan lapisan silikon polikristalin dan spacer Alumina jauh lebih sedikit daripada substrat kuarsa, pengaruhnya terhadap perilaku reflektif dapat diabaikan. Di sisi lain, dalam simulasi elemen hingga, jumlah elemen yang ekstrem diperlukan ketika berhadapan dengan objek yang berdekatan dengan perbedaan ukuran yang sangat besar. Akibatnya, simulasi 3D yang memodelkan dua lapisan ini akan menjadi sangat mahal.
Ilustrasi metasurface graphene dan konfigurasi sel. a Skema metasurface graphene, yang dapat mengarahkan gelombang elektromagnetik yang masuk dengan refleksi anomali. b Konfigurasi sel graphene, yang terdiri dari substrat berlapis-lapis dan patch graphene terpasang dengan ukuran wx ×dengany . Tegangan gerbang statis diterapkan antara patch graphene dan lapisan silikon untuk mengontrol potensi kimia
Untuk mempelajari sifat reflektif yang dipengaruhi oleh μc dan denganx , kondisi periodik ditetapkan di kedua x dan y arah. Gelombang menimpa secara normal dari atas dengan polarisasi paralel, yaitu medan listrik terpolarisasi di x -arah. Karena graphene setara dengan kondisi konduktansi permukaan yang kompleks, hanya wx dapat mempengaruhi konduktansi di x -arah secara signifikan, sementara wy memiliki pengaruh yang dapat diabaikan dan ditetapkan sebagai 4 m di semua simulasi dalam makalah ini.
Untuk meneliti pengaruh ukuran patch dan potensi kimia, kami menyapu wx dari 0,2 hingga 13,8 m dengan langkah 0,2 m, dan sapukan μc dari 0,01 hingga 1,00 eV dengan langkah 0,01 eV, dan frekuensinya ditetapkan pada 1,3 THz. Fase dan besarnya S11 diplot pada Gambar 2, yang disebut grafik kalibrasi karena nilai wx dan μc dapat dikalibrasi dari mereka. Untuk menjamin efisiensi metasurface, besarnya koefisien refleksi harus lebih besar dari 0,7; sehingga daerah yang tidak memenuhi syarat digali sebagai kosong. Dalam grafik kalibrasi, diperoleh cakupan penuh 360
∘
yang cukup untuk membangun metasurface graphene.
Diagram kalibrasi koefisien refleksi sel graphene. Koefisien refleksi sel graphene dipengaruhi oleh ukuran patch graphene wx dan potensi kimia μc , di mana daerah di mana besarnya refleksi lebih kecil dari 0,7 dikurangi. a fase dan b diagram besarnya
Diagram fase harus cukup halus untuk mengontrol fase dengan tepat. Untuk merancang parameter sel graphene untuk mencapai cakupan fase penuh dari 0
∘
hingga 360
∘
, tujuh kombinasi wx dan μc dipilih, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3.
Diagram desain sel graphene. 360
∘
. penuh cakupan fase dicapai oleh tujuh kelompok kombinasi a potensial kimia dan b ukuran tambalan
Hasil dan diskusi
Untuk merealisasikan berbagai fungsi, akan sangat berguna untuk menggabungkan fungsionalitas dari dua metasurface, atau menambahkan fungsi baru ke yang lain. Metodologi ini akan memberikan cara serbaguna untuk merancang metasurfaces baru. Kami menggabungkan fungsionalitas pembangkitan gelombang vortex dan defleksi gelombang oleh refleksi anomali dalam makalah ini.
Metodologi umum diusulkan berikut ini untuk menggabungkan dua metasurfaces MS1 dan MS2 menjadi satu MS metasurface multifungsit . Untuk mewujudkan kombinasi tersebut, kita mulai dengan hukum refleksi umum [25]. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 4, pertimbangkan gelombang bidang dengan panjang gelombang ruang bebas λ menimpa sudut datang θi , persamaan berikut menjelaskan hukum refleksi umum,
Ilustrasi hukum refleksi umum. Gelombang elektromagnetik menimpa dari atas dengan malaikat insiden θi , sedangkan dicerminkan oleh θr selain θi , karena diskontinuitas fase ϕ (x ) di sepanjang antarmuka
dimana θr adalah sudut pantul, ni adalah indeks bias di ruang atas, dan ϕ (x ) menggambarkan diskontinuitas fase di sepanjang antarmuka.
Pertimbangkan kasus yang disederhanakan bahwa gelombang menimpa secara normal, dan ruang atas adalah ruang bebas (ni =1), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, untuk dua metasurface pertama MS1 dan MS2 , Persamaan. 1 dapat disederhanakan lebih lanjut sebagai
Ilustrasi penggabungan dua metasurface menjadi satu metasurface multifungsi. Di bagian dalam, gelombang elektromagnetik menimpa secara normal dari ruang atas dengan indeks bias ni . a Metasruface 1 (MS1 ) dengan diskontinuitas fase ϕ1 (x ) dan b metasurface 2 (MS2 ) dengan diskontinuitas fase ϕ2 (x ) digabungkan menjadi c metasurface multifungsi yang diinginkan (MSt ) dengan diskontinuitas fase ϕt (x ). θr 1 (x ), θr 2 (x ) dan θrt (x ) adalah sudut refleksi anomali di sepanjang antarmuka metasurfaces, masing-masing, dan hubungan θrt (x )=θr 1 (x )+θr 2 (x ) berlaku di mana-mana di MSt
Untuk mendapatkan ϕt dari MSt , kami memilih segmen Dx sepanjang antarmuka, dan masalahnya menjadi sebagai berikut:asumsikan di xAx , memegang π /2<θr 1 (x )+θr 2 (x )<π /2, temukan ϕt , S. T. untuk xAx , itu
di mana suku integrasi menghitung kontribusi varians θri (x ) dan sebagian besar dapat dihitung secara numerik. Persamaan 5 memainkan peran penting untuk menggabungkan fungsionalitas dua metasurfaces.
Selanjutnya, jika sudut kemudi konstan, suku integrasi dalam Persamaan. 6 menghilang. Persamaan 5 dapat disederhanakan secara signifikan sebagai
Ini adalah persamaan yang mengatur untuk menggabungkan metasurfaces, dan distribusi fase dapat dihitung untuk menggabungkan pembangkitan gelombang vortex dan refleksi anomali.
Dalam makalah ini, MS1 adalah metasurface yang menghasilkan gelombang vortex, sedangkan MS2 adalah metasurface yang mengarahkan ombak.
Seperti yang diilustrasikan pada [35], gelombang pusaran dengan mode l dapat dihasilkan oleh sepiring N sektor dengan kenaikan berturut-turut dari pergeseran fasa. Pergeseran fase dari n sektor ke-ϕn dapat dihitung sebagai ϕn =ϕ0 +2πnl /T , di mana ϕ0 adalah pergeseran fasa dari sektor awal. Selain itu, untuk menghasilkan gelombang pusaran, harus dipenuhi bahwa N /2<l <T /2. Oleh karena itu, N =4 cukup untuk menghasilkan mode l =0, ±1.
Untuk menghasilkan gelombang pusaran dengan l =1, pelat dibagi menjadi empat sektor seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a. Kondisi fase ϕ1 (x ,y ) adalah fungsi konstanta piece-wise yang berkurang sebesar 90
∘
melalui sektor, berlawanan arah jarum jam.
Ilustrasi kombinasi fungsi diskontinuitas fasa. aϕ1 , distribusi diskontinuitas fase MS1 , yang menghasilkan gelombang elektromagnetik pusaran dengan l =1. bϕ2 , distribusi diskontinuitas fase MS2 , yang menghasilkan refleksi anomali. c Distribusi diskontinuitas fase gabungan dari MSt dihitung dengan Persamaan. 6
Kapan x -gelombang terpolarisasi menimpa secara normal dari atas, gelombang pusaran dengan l =1 akan dipantulkan. Perlu dicatat bahwa gelombang dipantulkan secara vertikal; oleh karena itu, sudut defleksi adalah 0
∘
, yaitu, θr 1 (x )=0
∘
.
Untuk menghasilkan refleksi anomali dengan sudut defleksi θr , Persamaan. 1 diterapkan. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 4, ketika gelombang menumbuk secara normal di ruang bebas, yaitu, θi =0
∘
dan ni =1, Persamaan. 1 dikurangi menjadi
Dalam karya ini, sudut defleksi ditetapkan sebagai θr =30
∘
. Dari persamaan di atas, dengan mengetahui bahwa periode sel satuan adalah 14 m, selisih pergeseran fasa antara patch yang berdekatan dihitung sebagai 10,9
∘
. Distribusi fase ditunjukkan pada Gambar. 6b.
Untuk menggabungkan MS1 dan MS2 , kami mengambil θr 1 (x )=0
∘
dan θr 2 (x )=30
∘
ke dalam Persamaan. 6 dan dapatkan rumus desain MSt ,
Dari rumus ini, seseorang dapat menghitung distribusi fasa, yang ditunjukkan pada Gambar. 6c. Menurut Gambar 3, dengan memilih potensial kimia μc dan ukuran patch wx dari setiap sel, metasurface graphene 32 × 32 dikonfigurasi. Gambar 1a menunjukkan tampilan atas penempatan sel graphene pada metasurface. Seseorang dapat melihat bahwa setiap sektor adalah subdomain 16 × 16, terdiri dari 16 kolom secara vertikal. Dan setiap kolom terdiri dari 16 patch graphene identik, di mana kombinasi tertentu dari wx dan μc ditugaskan.
Piring itu bersemangat oleh x -gelombang terpolarisasi menimpa dari atas. Medan listrik gelombang datang dinormalisasi, yaitu \( \vec {\mathrm {E}}_{\text {inc}}=\vec {x}\). Simulasi dilakukan menggunakan pemecah elemen hingga komersial COMSOL Multiphysics 5.2. Grafena memiliki ketebalan atom; namun, ketebalan substrat dalam skala mikrometer. Oleh karena itu, upaya komputasi akan luar biasa jika meshing tiga dimensi diterapkan pada patch graphene. Oleh karena itu, ketebalan patch graphene diabaikan, dan kondisi konduktivitas permukaan dua dimensi yang setara diterapkan sebagai kondisi batas transisi di COMSOL Multiphysics. Ada tambalan 32x32 di pelat, yang dibagi menjadi empat sektor. Di setiap sektor, ada patch 16x16 yang dikontrol secara independen berdasarkan ukuran dan potensi kimianya. Simulasi menggunakan 7,1 juta derajat kebebasan, yang dilakukan pada server 40 × 2,1 GHz thread dan memori 256 GB.
Gambar 7b menunjukkan besarnya medan listrik dari gelombang pantul yang dinormalisasi oleh gelombang datang. Metasurface graphene menghasilkan gelombang pusaran dengan l =1 dan dibelokkan sebesar 30
∘
menuju x -sumbu.
Hasil dari metasurface multifungsi. a Konfigurasi pelat dengan graphene reflectarray yang terdiri dari 36x36 patch graphene. Lebar (wy ) dari semua patch graphene diambil sebagai 4 m, dan nilai wx dipilih untuk mewujudkan kondisi diskontinuitas fase seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. b Besarnya medan listrik gelombang vortex yang dipantulkan l =1. Gelombang insiden adalah x -gelombang elektromagnetik terpolarisasi dengan medan listrik yang dinormalisasi, menumbuk secara normal dari atas. Gelombang dibelokkan sebesar 30
∘
menuju x -arah
Kesimpulan
Singkatnya, kami telah mempelajari prinsip desain metasurfaces graphene multifungsi. Metodologi menggabungkan dua metasurfaces diusulkan. Sebagai contoh, metasurface graphene dirancang untuk menggabungkan fungsionalitas menghasilkan gelombang vortex dan mengarahkan gelombang. Grafena adalah bahan tebal atom dua dimensi, yang secara dinamis dapat menyesuaikan kondisi fasa dengan menerapkan tegangan gerbang eksternal. Parameternya diteliti untuk mengkalibrasi perilaku reflektif sel graphene tunggal dan mendapatkan cakupan 360
∘
pergeseran fasa. Metasurface graphene yang terdiri dari sel unit 32 × 32 dirancang untuk mewujudkan refleksi anomali dan menghasilkan gelombang vortex THz secara bersamaan. Hasil simulasi menunjukkan bahwa gelombang pusaran dengan l =1 dihasilkan dan dikendalikan. Graphene menunjukkan banyak perilaku luar biasa dalam rezim terahertz, seperti mendukung SPP, efisiensi tinggi, dan tunability; oleh karena itu, ini adalah kandidat yang menjanjikan dalam teknologi terahertz. Penelitian ini menyelidiki pendekatan untuk menggabungkan fungsionalitas berbagai metasurfaces yang diterapkan oleh graphene, yang membuka gerbang metasurfaces multifungsi yang dikontrol secara dinamis dalam rezim terahertz.
Ketersediaan Data dan Materi
Kumpulan data yang dihasilkan selama dan/atau dianalisis selama studi saat ini tersedia dari penulis terkait atas permintaan yang wajar.