Технологията Terahertz (THz) е полезна в приложения като биомедицински изображения, телекомуникации и усъвършенствани сензорни системи. Въпреки това, поради уникалната природа на електромагнитните вълни в диапазона 0.1 до 10 терахерца, беше трудно да се разработят компоненти с висока производителност, които демонстрират истинския потенциал на терахерцовата технология. Дори проектирането на по същество безкомпонентни части като филтри и абсорбери остава огромно предизвикателство.
За щастие, възходът на метаматериалите може да доведе до иновативни решения на тези проблеми. Благодарение на напредъка в технологиите за производство и обработка, сега е възможно да се произвеждат двуизмерни (2D) шарени микроструктури с уникални електромагнитни свойства в терагерцовия диапазон, което позволява безпрецедентен контрол на сигналите на тези честоти.
Въпреки че различни 2D метаматериали (или „хиперповърхности“) са предложени за материали, поглъщащи вълни, повечето от тях все още имат сериозни ограничения. Често срещан проблем е, че след като структурните режими на хиперповърхностно абсорбиращия материал са идентифицирани и произведени, неговите електромагнитни свойства се фиксират.
Тази нерегулируемост ограничава възможните приложения на такива устройства. От друга страна, въпреки че съществуват регулируеми хиперповърхностни абсорбери на метална основа, използването на тънки метални слоеве не се препоръчва. Това се дължи на няколко недостатъка, като трудността при изработването на необходимите структури и лошото представяне поради присъщите свойства на металите.
В този контекст екипът на д-р Wenhan Cao в Шанхайския университет за наука и технологии разработи нов въглероден регулируем метаповърхностен абсорбер с ултраширока регулируема честотна лента в терахерцовия диапазон. Това изследване, ръководено от д-р Wenhan Cao, беше публикувано наскоро в Advanced Photonics Nexus.
„Ядрото на абсорбера използва графен и графитни микроструктури като резонатори и графитни слоеве като обратно отразяващи повърхности.“ Д-р Wenhan Cao обяснява: „Повтарящите се субединици (или „клетки“) в този терагерцов метаповърхностен абсорбер са стратегически проектирани да оптимизират ефективността на абсорбция въз основа на четири основни фактора: геометрия, свойства на материала, поляризационна чувствителност и механизъм за настройка.“
По отношение на геометрията, абсорберът се състои от три тънки слоя. Най-горният слой е шарен проводящ слой, съдържащ концентрични графитни пръстени, свързани помежду си с графенови жици; вторият слой е прост диелектрик, който помага за разсейването на нежеланите електромагнитни вълни; и третият слой е абсорбиращ слой, който предотвратява проникването на терахерцови вълни директно през устройството, като по този начин увеличава ефективността на абсорбиране.
Изборът на материал и геометричният дизайн на абсорбера са оптимизирани чрез числен анализ и симулация, което допринася за неговата забележителна абсорбция в терахерцовия диапазон. По-специално, ключово свойство на предложения абсорбер е неговата регулируемост, която произтича от регулируемите енергийни нива на Ферми. Този параметър е от решаващо значение в технологията на материалите и полупроводниците, тъй като определя разпределението на електроните в различни енергийни нива.
Чрез прилагане на напрежение към графенов слой е възможно да се промени неговото енергийно ниво на Ферми и по този начин лесно да се прецизира широчината на абсорбционната лента. Д-р Wenhan Cao подчертава: „При ниво на енергия на Ферми от 1 eV, предложеният абсорбер може да постигне удивително широка честотна лента от 8,99 THz, осигурявайки повече от 90% абсорбция в честотния диапазон от 7,24 до 16,23 THz, с два различни резонансни пика при 8,35 THz и 14,70 THz."
Друго значително предимство на предложения дизайн е неговата нечувствителност към поляризационния ъгъл на падащото лъчение. Използването на концентрични кръгове в клетката на абсорбера естествено дава това благоприятно свойство. Кръгът, който е с идеално симетрична форма, позволява на абсорбера да поддържа висока степен на абсорбция при ъгли на падане до 50 градуса.
Накратко, многото предимства на предложения дизайн, съчетани с неговата простота, представляват истински пробив в терагерцовата технология." Предложеният абсорбер предлага ултратънка, проста структура без метал с широка регулируема честотна лента на поглъщане при ниска дебелина, което значително подобрява приложимостта й. Тези предимства превъзхождат други докладвани абсорбери.
В близко бъдеще терагерцовите устройства ще станат част от ежедневните технологии, особено в области като медицина и комуникации, както и в по-ориентирани към изследвания области като науката за материалите и биологията.
