双重调控的超材料太赫兹智能器件
文摘
科学
2024-10-15 10:02
山东
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6G的发展是时代所需。太赫兹波段作为6G技术的关键波段将重点满足特定场景的短距离大容量需求。为了形成良好的太赫兹生态系统，太赫兹无线通信技术的基础是不可忽视的。由于传统材料对太赫兹波的响应有限，所以由人工自主设计结构的超材料就成为了人们设计太赫兹器件的首选材料。石墨烯作为一种二维材料，其内部的碳原子以sp2杂化轨道成键，所以石墨烯可以支持表面等离子体激元（SPs），以此来对电磁波进行诱导。但是，只由单一的石墨烯超材料所设计出的太赫兹器件的性能往往是单一且确定的。无法实现器件的多功能用途。由热致相变材料VO2所组成的智能热控器件因无需能源消耗而自主调控器件在不同温度下对太赫兹波的响应而受到更多的关注。同时因为二氧化钒的电导率可在T=334
K和340
K之间直接跨越5个数量级，所以由其所设计的太赫兹器件还具有很高的灵敏度。为此，西南科技大学的光电器件团队报道提出了一种双重调控的超材料太赫兹智能可调器件，特性表现为高温下（345K）的大宽带吸收电磁波以及低温下（323K）的大宽带透射与吸收互补波段的智能热控制太赫兹器件。相关成果以“Terahertz
smart devices based on phase change material VO2 and metamaterial
graphene that combine thermally adjustable absorption and selective
transmission”为题发表在《Optics
and Laser Technology》上，文章链接https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0030399224013860。
在本文中，作者们报道了一种由二氧化钒和石墨烯组合成的具有比例特征的太赫兹智能器件。其结构是经典的3层结构，即石墨烯-介质-二氧化钒。表面的石墨烯微结构被设计为带有比列的结构，这可以更好的控制结构的具体大小，以提高生产过程中的材料利用率。该器件可以实现在高温（T=345 K）时，对2.46
THz - 6.85 THz（4.39）波段范围内有着大于等于90%的吸收效益，这跨越了将近半个太赫兹波段。在低温（T=323 K）时，对在3.04
THz - 5.64 THz波段内有着大于77.3%的吸收，同时也可实现在0.01 THz - 2.32 THz和6.82
THz - 10.00 THz波段内的平均透射率分别为69.61%和69.79%。作者们先从VO2的内部变化来解释了这种性能转换。接着分析了该器件在两种温度下的表面电场以理解其背后的物理机理。然后作者们又探究了该器件各部分的结构参数及石墨烯的费米能对其性能的影响，说明了该器件具有物理协调性，制造容忍性以及动态调节的能力。作者们研究了外部电磁波不同的入射角度对该器件性能的影响，发现其在很宽的角度范围内仍能保持其良好的性能，这对于实现该器件的实际使用具有很重要的参考意义。最后，作者们也探究了若采用Drued模型来描述太赫兹波段的二氧化硅材料会给器件带来的影响。这为设计太赫兹智能器件提供了思路，也在通信，军事，医疗，成像等方面展现出了巨大的潜力。![]()
图1 所设计的太赫兹智能器件及各部分的参数标注
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图2. 该太赫兹智能器件在升温和降温过程中不同温度下的吸收光谱（a）;太赫兹智能器件在T=345 K下的TE和TM吸收光谱（b）
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图3. 该太赫兹智能器件在T=323 K下的TE和TM吸收光谱（a）;该太赫兹智能器件在T=323 K下的TE和TM传输光谱（b）
图(4)和图(5)通过比较不同温度下器件的表面电场强度分布，对比分析了石墨烯表面被激发的等离子体对该器件吸收与透射背后的物理机理。
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图4. 该太赫兹智能器件在f = 2.85
THz，f
= 3.85THz和f
= 6.27 THz处xy表面的电场分布（VO2温度T=345 K）。
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图5.该太赫兹智能器件在f = 3.98
THz和f
= 4.76 THz处该器件的表面的电场分布（VO2温度T=323 K）。
在图6和图7中，在其它参数保存最优的情况下，作者们将分别探讨该器件的各项参数对其性能的影响。最优参数将在图中用红色曲线表示。结果表明了该器件具有物理协调性与制造容忍性。在正文中，作者们也详细分析了器件具有这些性质的原因。
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图6.太赫兹智能器件在T=345 K时结构参数对吸收效益的影响。底部VO2的厚度H1对吸收效益的影响（a）;中间二氧化硅的厚度对吸收效益的影响（b）；该太赫兹智能器件的单元结构P对吸收效益的影响（c）。
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图7.太赫兹智能器件在T=345 K时顶部石墨烯微结构的参数对吸收效益的影响。中心矩形块的长度L1对吸收效益的影响（a）;外部方形块的边长W2对吸收效益的影响（b）；中心矩形块的宽W3对吸收效益的影响（c）。
作者们通过外部施加偏置电压来去改变石墨烯的费米能，发现该器件还具有动态调节的能力。这意味着，针对于该器件的不同性能，作者们可以通过调节温度和石墨烯的费米能以满足不同的需要。![]()
图8. T=345 K的时候。顶部石墨烯不同的费米能对该器件吸收效益的影响。
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图9. T=323 K的时候。顶部石墨烯不同的费米能对该器件吸收效益的影响（a）；顶部石墨烯不同的费米能对该器件传输效益的影响（b）。
外部电磁波以不同的角度入射到该器件表面，改太赫兹智能器件在很宽的角度范围内仍能保持其良好的性能对于实现该器件的实际使用具有很重要的参考意义。![]()
图10：不同入射角在T=318 K时对该太赫兹智能器件吸收效益的影响（a）；不同入射角在T=345K时对该太赫兹智能器件吸收效益的影响（b）
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图11：采用drued模型来描述二氧化硅的太赫兹智能器件在T=345 K下的TE和TM吸收光谱。
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图12：采用drued模型来描述二氧化硅的太赫兹智能器件在T=323K下的TE和TM吸收光谱（a）;该太赫兹智能器件在T=323
K下的TE和TM传输光谱（b）。
综上所述，本论文提出了一个由二氧化钒和石墨烯组合成的等比列太赫兹智能器件。其等比列的结构可以更好的改变其结构大小，从而提高生产过程中的材料利用率。作者们可以通过改变温度来实现对该器件的吸收调节与其选择性的透射。在高温（T=345 K）时，该器件可在2.46 THz - 6.85 THz（4.39）波段范围内实现大于等于90%的吸收效益，这跨越了将近半个太赫兹波段。在低温（T=323 K）时，该器件可在3.04 THz - 5.64 THz波段内大于77.3%的吸收，同时也可实现在0.01 THz - 2.32 THz和6.82 THz - 10.00 THz波段内的平均透射率分别为69.61%和69.79%。作者们先是从VO2的热相变特性来解释了上述结果。接着又分析了该器件在两种温度下的表面电场，利用等离子体激元（SPs）解释了这背后的物理机理，然后作者们探究了该器件各部分的结构参数对其性能的影响，说明了该器件具有物理协调性与制造容忍性。通过外部施加偏置点来去改变石墨烯的费米能，发现该器件还具有动态调节的能力。作者们研究了外部电磁波不同的入射角度对该器件性能的影响，发现其在很宽的角度范围内仍能保持其良好的性能，这对于实现该器件的实际使用具有很重要的参考意义。最后，作者们也探究了若采用drued模型来描述太赫兹波段的二氧化硅材料会给器件带来的影响。这样看来的话，该太赫兹智能器件在通信，军事，医疗，成像等方面具有很大的潜力，也为设计太赫兹智能器件提供了思路。
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