Terahertz (THz)-teknologi er nyttig i applikasjoner som biomedisinsk bildebehandling, telekommunikasjon og avanserte sensorsystemer. På grunn av den unike naturen til elektromagnetiske bølger i området 0.1 til 10 terahertz, har det imidlertid vært vanskelig å utvikle komponenter med høy ytelse som viser det sanne potensialet til terahertz-teknologi. Selv utformingen av i det vesentlige komponentløse deler som filtre og absorbere er fortsatt en stor utfordring.
Heldigvis kan fremveksten av metamaterialer føre til innovative løsninger på disse problemene. Takket være fremskritt innen fabrikasjons- og prosesseringsteknologier er det nå mulig å fremstille todimensjonale (2D) mønstrede mikrostrukturer med unike elektromagnetiske egenskaper i terahertz-området, noe som tillater enestående kontroll av signaler ved disse frekvensene.
Selv om en rekke 2D-metamaterialer (eller "hypersurfaces") har blitt foreslått for bølgeabsorberende materialer, har de fleste av dem fortsatt alvorlige begrensninger. Et vanlig problem er at når de strukturelle modusene til et hyperoverflateabsorberende materiale er identifisert og fremstilt, er dets elektromagnetiske egenskaper fikset.
Denne ikke-avstemmingsmuligheten begrenser mulige anvendelser av slike enheter. På den annen side, selv om det finnes avstembare metallbaserte hypersurface-absorbere, frarådes bruken av tynne metalllag. Dette skyldes flere ulemper, slik som vanskeligheten med å fremstille de nødvendige strukturene og den dårlige ytelsen på grunn av de iboende egenskapene til metaller.
I denne sammenhengen har Dr. Wenhan Caos team ved Shanghai University of Science and Technology utviklet en ny karbonbasert justerbar metasurface-absorber med en ultrabred justerbar båndbredde i terahertz-området. Denne forskningen ledet av Dr. Wenhan Cao ble nylig publisert i Advanced Photonics Nexus.
"Kjernen i absorberen bruker grafen- og grafittmikrostrukturer som resonatorer og grafittlag som bakreflekterende overflater." Dr. Wenhan Cao forklarer, "De repeterende underenhetene (eller 'cellene') i denne terahertz-metasurface-absorberen har blitt strategisk utformet for å optimere absorpsjonseffektiviteten basert på fire hovedfaktorer: geometri, materialegenskaper, polarisasjonsfølsomhet og innstillingsmekanisme."
Geometrimessig består absorberen av tre tynne lag. Det øverste laget er et mønstret ledende lag som inneholder konsentriske grafittringer forbundet med grafentråder; det andre laget er et enkelt dielektrikum som hjelper til med å spre uønskede elektromagnetiske bølger; og det tredje laget er et absorberende lag som hindrer terahertz-bølger i å trenge direkte gjennom enheten, og dermed maksimere absorpsjonseffektiviteten.
Materialvalget og den geometriske utformingen av absorberen er optimalisert ved numerisk analyse og simulering, noe som bidrar til dens bemerkelsesverdige absorpsjon i terahertz-området. Spesielt er en nøkkelegenskap til den foreslåtte absorberen dens tunbarhet, som stammer fra de justerbare Fermi-energinivåene. Denne parameteren er avgjørende i materialer og halvlederteknologi da den bestemmer fordelingen av elektroner i forskjellige energinivåer.
Ved å legge en spenning på et grafenlag er det mulig å endre Fermi-energinivået og dermed enkelt finjustere absorpsjonsbåndbredden. Dr. Wenhan Cao understreket: "Ved et Fermi-energinivå på 1 eV kan den foreslåtte absorberen oppnå en forbløffende bred båndbredde på 8,99 THz, og gir mer enn 90 % absorpsjon i frekvensområdet 7,24 til 16,23 THz, med to distinkte resonanstopper ved 8,35 THz og 14,70 THz."
En annen betydelig fordel med den foreslåtte utformingen er dens ufølsomhet for polarisasjonsvinkelen til den innfallende strålingen. Bruken av konsentriske sirkler i cellen til absorberen gir naturlig nok denne gunstige egenskapen. Sirkelen, som har en perfekt symmetrisk form, lar absorberen opprettholde en høy absorpsjonshastighet ved innfallsvinkler opp til 50 grader.
Kort sagt, de mange fordelene med den foreslåtte designen kombinert med dens enkelhet representerer et sant gjennombrudd innen terahertz-teknologi." Den foreslåtte absorberen tilbyr en ultratynn, enkel metallfri struktur med en bred justerbar absorpsjonsbåndbredde ved lav tykkelse, som i stor grad forbedrer dens anvendelighet Disse fordelene overgår andre rapporterte absorbere.
I nær fremtid vil terahertz-enheter bli en del av hverdagsteknologi, spesielt innen områder som medisin og kommunikasjon, samt mer forskningsorienterte felt som materialvitenskap og biologi.
