Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Ontwerp van Quad-Band Terahertz Metamateriaal Absorber met behulp van een geperforeerde rechthoekige resonator voor detectietoepassingen

Abstract

Quad-band terahertz-absorber met een enkelvoudig metamateriaalontwerp gevormd door een geperforeerde rechthoekige resonator op een gouden substraat met een diëlektrische opening ertussen wordt onderzocht. De ontworpen metamateriaalstructuur maakt vier absorptiepieken mogelijk, waarvan de eerste drie pieken een grote absorptiecoëfficiënt hebben en de laatste piek een hoge Q (kwaliteitsfactor) waarde van 98,33. De onderliggende fysieke mechanismen van deze pieken worden onderzocht; blijkt dat hun near-field distributies verschillend zijn. Bovendien kan het cijfer van verdienste (FOM) van de laatste absorptiepiek 101,67 bereiken, wat veel hoger is dan die van de eerste drie absorptiemodi en zelfs absorptiebanden van andere werken die in de terahertz-frequentie werken. Het ontworpen apparaat met meerbandsabsorptie en hoge FOM zou tal van potentiële toepassingen kunnen bieden op terahertz-technologiegerelateerde gebieden.

Achtergrond

Metamaterialen met sub- of diepe subgolflengtestructuur hebben steeds meer aandacht gekregen omdat is bewezen dat ze exotische elektromagnetische (EM) eigenschappen [1,2,3] vertonen die niet direct kunnen worden verkregen onder natuurlijke omstandigheden. Naast deze fascinerende effecten hebben metamaterialen ook een breed scala aan toepassingen in functionele apparaten [4,5,6,7,8,9,10]. Metamateriaalabsorbers, als de speciale tak van de metamateriaalapparaten, hebben grote belangstelling gewekt bij onderzoekers omdat ze kunnen worden gebruikt om een ​​grote lichtabsorptie te bereiken [6, 11,12,13,14,15,16,17,18,19,20 ,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38].

In het jaar 2008 ontwierp een onderzoeksgroep van Boston College voor het eerst de metamateriaalabsorbeerder in het microgolfgebied door volledig gebruik te maken van de dissipatieverliezen van de sandwichstructuur die bestaat uit een elektrische ringresonator, een verliesgevende diëlektrische laag en de metalen gesneden draad [6 ]. Daarna zijn verschillende soorten onderzoeken bewezen op basis van verschillende vormen of afmetingen van metalen resonatoren. Bijvoorbeeld Yao et al. presenteerde een geminiaturiseerde metamateriaalabsorbeerder met behulp van een gevouwen lijnstructuur [17]. Kruisvormige terahertz-absorber werd gedemonstreerd in Ref. [18]. Helaas zijn deze gedemonstreerde absorbers van metamateriaal beperkt tot de enkelbandsabsorptie, wat hun praktische toepassingen sterk kan beperken. Om het probleem van de enkelbands absorptie op te lossen, zijn het ontwerp en de ontwikkeling van de meerbands en zelfs breedband lichtabsorbers noodzakelijk.

De resultaten tonen aan dat het mengen van meerdere resonatoren om coplanaire of gelaagde structuren te vormen de mogelijkheid kan hebben om de perfecte absorptie in meerdere frequentiebanden te bereiken (dwz de meerbandsabsorptie) [22,23,24,25,26,27,28 ,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38]. Coplanaire structuren bestonden bijvoorbeeld uit verschillende maten gesloten-ringresonatoren [22,23,24,25,26,27], vierkante vlakken [28, 29] en elektrische ringresonatoren [30,31,32,33] werden gepresenteerd om dual-band en triple-band absorptie te realiseren. Gelaagde structuurontwerpen werden voorgesteld om ook de meerbandsabsorptie-apparaten te verkrijgen [34,35,36,37,38]. In deze suggesties heeft elke metalen resonator slechts een enkele absorptiemodus, en daarom vereist het ontwerp van de meerbandsabsorptie-inrichtingen ten minste evenveel resonatoren als absorptiepieken. In ref. [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], vonden we duidelijk dat de dual-band, triple-band en zelfs quad-band metamateriaal-absorbers hebben inderdaad respectievelijk ten minste twee, drie en vier metalen resonatoren in een eenheidscel nodig. Dat wil zeggen, eerdere onderzoeken zijn voornamelijk gericht op het bereiken van meerbandsabsorptie door gebruik te maken van meerdere verschillende maten resonatoren, maar weinigen van hen zijn onderzocht of de resonator van één formaat het vermogen heeft om meerbandsabsorptiereacties te vertonen.

In dit artikel laten we zien dat een metalen resonator van één formaat quad-band absorptie mogelijk maakt, wat verschilt van eerdere ontwerpconcepten dat er meerdere resonatoren met verschillende afmetingen nodig zijn. Het ontwerp van de quad-band lichtabsorber bestaat uit een geperforeerde rechthoekige resonator op een gouden spiegel met daartussen een lossy diëlektrische laag. Numerieke resultaten geven duidelijk aan dat de ontworpen metamateriaalstructuur vier smalbandige absorptiepieken heeft, waarvan de eerste drie pieken een sterke absorptie hebben van gemiddeld 97,80%, terwijl de vierde piek Q heeft waarde van 98,33. Met behulp van de near-field distributies worden de onderliggende fysieke beelden van de quad-band absorptie geanalyseerd. De detectieprestaties van het voorgestelde lichtabsorptieapparaat worden ook besproken; resultaten bewijzen dat de detectiegevoeligheid (S ) van het apparaat, in het bijzonder van de S van de vierde absorptiepiek, kan 3,05 THz per brekingsindex bereiken; en het cijfer van verdienste (FOM; de definitie van de FOM is sensing gevoeligheid S gedeeld door de absorptiebandbreedte [44, 45]) van deze modus kan oplopen tot 101,67. De grote S en hoge FOM van het ontworpen lichtabsorptieapparaat zijn veelbelovend in sensorgerelateerde velden.

Methoden

Figuur 1a toont het zijaanzicht van de ontworpen quad-band lichtabsorber, het is samengesteld uit een geperforeerde rechthoekige resonator (zie figuur 1b), en een metalen plaat en een verliesgevende diëlektrische laag scheidde ze. De metalen lagen van de lichtabsorber zijn gemaakt van 0,4 μm goud en de geleidbaarheid is σ = 4.09 × 10 7 S/m. De lossy diëlektrisch gescheiden laag heeft de dikte van t = 9 μm en de diëlektrische constante met verlies van 3(1 + i 0,05), en dit soort verliesgevend diëlektrisch materiaal wordt veel gebruikt op het gebied van metamaterialen [46]. Het bovenaanzicht van de geperforeerde rechthoekige resonator is afgebeeld in figuur 1b, en de geometrische parameters zijn als volgt:de lengte en breedte van de rechthoekige resonator zijn l = 80 μm en w =40 μm, respectievelijk. De lengte en breedte van het geperforeerde luchtgat zijn l 1 = 25 μm en l 2 = 35 μm, respectievelijk. De afwijkingswaarde van het geperforeerde luchtgat is δ = 18 μm. De punten in P x en P y zijn respectievelijk 100 en 60 μm.

een en b zijn respectievelijk het zij- en bovenaanzicht van de gepresenteerde quad-band terahertz metamateriaal absorber

Hier willen we kort de ontwerpregels van het meta-oppervlak introduceren, d.w.z. de geperforeerde rechthoekige resonator van één formaat. Over het algemeen heeft de traditionele metalen resonator van één formaat (bijvoorbeeld een resonator met gesloten ring, vierkante patch en rechthoekige resonator) slechts één resonantie-absorptiepiek, en het ontwerp van de meerbandige lichtabsorptie-apparaten vereist minstens evenveel resonatoren als absorptiepieken. Zoals gegeven en gerapporteerd in Refs. [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38], de dual-band, triple-band en zelfs quad-band lichtabsorptie-apparaten hebben inderdaad respectievelijk ten minste twee, drie en vier metalen resonatoren in een eenheidscel nodig. Met andere woorden, eerdere werken zijn voornamelijk geconcentreerd op het bereiken van meerbands lichtabsorptie-apparaten met behulp van meerdere verschillende maten (of vormen) van de traditionele metalen resonatoren. het vermogen om meerbandsabsorptie te bereiken. Hier proberen we de meerbandsabsorptie te verkrijgen door de bres (d.w.z. het luchtgat) op de traditionele rechthoekige metalen resonator te introduceren. Het is te voorzien dat de introductie van het luchtgat op de traditionele rechthoekige resonator de symmetrie van de originele rechthoekige metalen resonator kan breken en de oorspronkelijke nabij-veldverdelingen kan breken (of de herschikking van de nabije-veldverdelingen in de geperforeerde rechthoekige resonator) , waardoor een aantal nieuwe resonantieabsorptiemodi worden geïntroduceerd (of gegenereerd). Zoals vermeld in figuur 4, kan de introductie van de bres (of het luchtgat) op de traditionele rechthoekige resonator inderdaad de near-field-distributies herschikken, wat resulteert in enkele nieuwe resonantie-absorptiepieken. Daarom zijn we van mening dat de lichte structuurvervorming van de traditionele metalen resonator een effectieve manier is om de meerbandsabsorptie te bereiken; dit soort ontwerpmethode heeft ongetwijfeld duidelijke voordelen in vergelijking met de eerdere ontwerpbenaderingen met behulp van meerdere resonatoren van verschillende grootte [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34, 35,36,37,38]. Bovendien kan voor de metamateriaalabsorbeerder de 100% absorptie ervan hoofdzakelijk worden afgeleid uit twee aspecten, het ohmse verlies in metalen lagen en de absorptie in de diëlektrische plaat met behulp van het verliesgevende diëlektricum. In de frequentiebanden van terahertz en microgolf [6, 18, 23,24,25, 39, 50] is het ohmse verlies in metallische lagen meestal kleiner dan de absorptie in de diëlektrische laag. Dat wil zeggen, het is onmogelijk om alleen het ohmse verlies te gebruiken om de 100% absorptie te bereiken. Daarom is het gewoonlijk nodig om het lossy diëlektricum te gebruiken als de diëlektrische plaat van de metamateriaalabsorbeerders [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36, 37].

De quad-band metamateriaalabsorbeerder wordt gesimuleerd door gebruik te maken van de commerciële software, FDTD Solutions, die is gebaseerd op de eindige-verschiltijddomeinmethode. In de berekening is een vlakke elektromagnetische golf met het elektrische veld in de richting van x -as wordt gebruikt als de lichtbron, die loodrecht wordt uitgestraald op de resonantiestructuur (van de geperforeerde resonator naar de lossy diëlektrische laag en de gouden spiegel) in de richting van de z -as (zie Fig. 1). De lichtbron heeft een frequentiebereik van (0,2~3,0) THz. Om de nauwkeurigheid van de berekeningsresultaten te garanderen, moet de grootte van de lichtbron iets groter zijn dan die van de herhaalde periode van de constructie, tegelijkertijd voldoende simulatietijden en de geschikte grenzen (periodieke grenzen in de richtingen van x - en y -as en perfect op elkaar afgestemde lagen in de richting van z -axis) moet worden gebruikt.

Resultaten en discussie

Figuur 2a geeft de absorptieprestaties van de gepresenteerde quad-band terahertz-metamateriaalabsorbeerder. Zoals onthuld, kan de voorgestelde structuur van eenvoudige grootte vier pieken hebben, de frequenties daarvan zijn respectievelijk 0,84 THz in punt A , 1,77 THz in punt B , 2,63 THz in punt C , en 2,95 THz in punt D . De eerste drie frequentiepunten (A , B , en C ) hebben de grote gemiddelde absorptiesnelheden van 97,80% en de absorptie van het frequentiepunt D bedraagt ​​ongeveer 60,86%. De bandbreedtes (volledige breedte op halve maximum, afgekort als FWHM) van de frequentiepunten A , B , C , en D zijn respectievelijk 0,13, 0,13, 0,10 en 0,03 THz. Over het algemeen is de Q (of kwaliteitsfactor, en de definitie van de Q is het resonantiefrequentiepunt gedeeld door de bandbreedte) waarde is een zeer belangrijke indicator bij het beoordelen van de prestaties van de resonantiemodus. Het kan direct weergeven of de resonantiemodus kan worden gebruikt in detectietoepassingen. Hoe hoger de Q waarde, hoe beter de detectieprestaties. Volgens de definitie van de Q waarde, de Q waarde van het frequentiepunt D kan oplopen tot 98,33, wat veel groter is dan die van de frequentiepunten A met Q van 6.46, B met Q van 13,62, en C met Q van 26.32. De grote Q waarde van het frequentiepunt D heeft potentiële toepassingen in sensorgerelateerde gebieden. Voor een gedetailleerde bespreking ervan, zie hieronder Afb. 5 en de tekstinstructies.

een is de absorptieprestatie van de gepresenteerde quad-band lichtabsorber. b toont de afhankelijkheid van het absorptievermogen van de uitgebreide frequentiebereiken

Om inzicht te krijgen in het fysieke mechanisme van de quad-band lichtabsorber, vergelijken we de absorptieprestaties van de geperforeerde rechthoekige resonator (dwz de voorgestelde structuur in Fig. 1) en de ongeperforeerde rechthoekige resonator (dwz zonder het luchtgat op de rechthoekige resonator), zoals weergegeven in Fig. 3a, b. Opgemerkt moet worden dat de geometrische parameters van deze twee soorten absorbers hetzelfde zijn, behalve zonder het luchtgat voor de ongeperforeerde rechthoekige resonator. Voor de absorptieprestaties van een ongeperforeerde rechthoekige resonator in figuur 3a, twee duidelijke absorptiepieken (gemarkeerd als modi E en F ) zijn bereikt, zijn de absorptiesnelheden van de twee frequentiepunten respectievelijk 93,95 en 82,08%. Door de absorptieprestaties van Fig. 3a, b te vergelijken, zagen we dat de eerste (A ) en de derde (C ) frequentiepunten van de quad-band lichtabsorber in figuur 3b liggen zeer dicht bij de frequentiepunten E en F van de ongeperforeerde rechthoekige resonator in figuur 3a. Deze kenmerken laten zien dat de absorptiemechanismen van de frequentiepunten A en C van de geperforeerde rechthoekige resonator moet respectievelijk consistent zijn met de mechanismen van de frequentiepunten E en F van de ongeperforeerde rechthoekige resonator. De kleine frequentieverschillen zouden te wijten zijn aan de introductie van het luchtgat in de rechthoekige resonator.

een en b zijn respectievelijk de absorptieprestaties van de ongeperforeerde en geperforeerde rechthoekige lichtabsorbers

Om het absorptiemechanisme van de frequentiepunten te onthullen E en F van de ongeperforeerde rechthoekige resonator geven we de elektrische (|E |) en magnetische (|H y|) veldverdelingen van de twee punten E en F , zoals weergegeven in Fig. 4a-d. Uit figuur 4b, d, blijkt dat de |H jij| veldverdelingen van de frequentiepunten E en F zijn beide voornamelijk geconcentreerd op de lossy diëlektrische laag. Deze distributiekenmerken laten zien dat de frequentiepunten E en F zijn de gelokaliseerde reacties van de ongeperforeerde rechthoekige resonator. De verdeling van het magnetische veld in de diëlektrische laag kan leiden tot accumulatie van lading (of elektrisch veld) in de randen van de ongeperforeerde rechthoekige resonator [28, 39]. De |E | velden getoond in Fig. 4a, c tonen duidelijk de excitatie van een elektrisch veld in de randen van de ongeperforeerde rechthoekige resonator. Bovendien, voor frequentiepunt E in Fig. 4b is er slechts één sterk veldaccumulatiegebied in de diëlektrische laag met verlies, wat betekent dat het frequentiepunt E is de eerste-orde gelokaliseerde resonantie van de ongeperforeerde rechthoekige resonator [40, 41]. Anders dan in het geval van figuur 4b, worden drie veldaccumulatiegebieden waargenomen voor frequentiepunt F in figuur 4d. Als resultaat wordt het frequentiepunt F zou de gelokaliseerde respons van de derde orde moeten zijn van de ongeperforeerde rechthoekige resonator [40,41,42,43]. Zoals vermeld aan het einde van de vorige paragraaf, is het mechanisme van de frequentiepunten A en C in de geperforeerde rechthoekige resonator moet hetzelfde zijn als die van de frequentiepunten E en F respectievelijk in de ongeperforeerde rechthoekige resonator. Daarom hebben we reden om aan te nemen dat de frequentiepunten A en C moeten respectievelijk de eerste-orde en derde-orde reacties van de geperforeerde rechthoekige resonator zijn. Om voldoende bewijs te leveren, moeten we hun veldverdelingen analyseren.

een en c toon de |E| veldverdelingen van de frequentiepunten E en F van respectievelijk de ongeperforeerde rechthoekige resonator. b en d geef de |H y| veldverdelingen van de frequentiepunten E en F van respectievelijk de ongeperforeerde rechthoekige resonator. e , g , ik , en (k ) toon de |E| veldverdelingen van de frequentiepunten A , B , C , en D respectievelijk de geperforeerde rechthoekige resonator. v , u , j , en l geef de |H y| veldverdelingen van de frequentiepunten A , B , C , en D van de geperforeerde rechthoekige resonator, respectievelijk

We geven nu de near-field distributies van de frequentiepunten A , B , C , en D van de geperforeerde rechthoekige resonator om de fysieke mechanismen van de quad-band lichtabsorber te onthullen, zoals weergegeven in Fig. 4e–l. Dit is te zien in figuur 4f van het frequentiepunt A dat er slechts één sterk magnetisch velddistributiegebied is in de diëlektrische laag van het voorgestelde quad-band absorptieapparaat. Drie accumulatiegebieden (twee sterke en een zwakke) in figuur 4j worden gevonden in de verliesgevende diëlektrische laag van het quad-band absorptieapparaat voor frequentiepunt C . Ondertussen, de |E | veldverdelingen van frequentiepunten A in Afb. 4e en C in Fig. 4i zijn beide voornamelijk gericht op de randen van de geperforeerde rechthoekige resonator. Daarom zijn de frequentiepunten A en C in Fig. 2a of Fig. 3b moeten respectievelijk de eerste-orde en derde-orde gelokaliseerde responsen van de geperforeerde rechthoekige resonator [40, 41] zijn. Deze veldverdelingen leveren voldoende bewijs om aan te tonen dat de fysieke mechanismen van de frequentiepunten A en C in Fig. 2a of 3b komen overeen met de frequentiepunten E en F respectievelijk in Fig. 3a.

Voor frequentiepunt B in Fig. 4h wordt slechts één zeer sterke veldverdeling waargenomen aan de rechterkant van de diëlektrische laag met verlies en de |E | veld van de absorptiemodus in figuur 4g is voornamelijk verzameld in beide randen van het rechter zijgedeelte van de geperforeerde rechthoekige resonator. Als resultaat wordt het frequentiepunt B moet de eerste-orde gelokaliseerde respons zijn van het rechter zijgedeelte van de geperforeerde rechthoekige resonator. Voor frequentiepunt D , zagen we dat het |Hy | velddistributie is voornamelijk gericht op de linkerkant van de verliesgevende diëlektrische laag (zie figuur 4l), wat aangeeft dat deze modus moet worden toegeschreven aan de eerste-orde gelokaliseerde respons van het linker zijgedeelte van de geperforeerde rechthoekige resonator. Op basis van bovenstaande analyse kan de introductie van het luchtgat op de rechthoekige resonator inderdaad een belangrijke rol spelen bij de herverdeling van de nabije-veldpatronen. De herverdeelde near-field distributies ontstaan ​​twee nieuwe absorptiemodi, de frequentiepunten B en D . Hierdoor kan in deze enigszins vervormde rechthoekige resonator een quad-band lichtabsorptie-inrichting worden gerealiseerd. Vergeleken met de traditionele ontwerpmethoden om de meerbandsabsorptie [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38] te verkrijgen, is de concept van het ontwerp heeft duidelijke voordelen, zoals vereenvoudigd structuurontwerp, goedkope en gemakkelijke fabricagestappen, enzovoort.

In dit manuscript gebruiken we het concept van de eerste-orde en derde-orde resonanties van de resonator om de meerbandsabsorptierespons te verkrijgen. Over het algemeen heeft elke resonator echter hogere-orde modi naast de eerste-orde respons (of fundamentele modus resonantie), dus vanuit de theorie kan deze verschillende absorptiebanden vertonen met hoge absorptiecoëfficiënten binnen een bepaald frequentiebereik. Als de gesimuleerde frequentiebereiken worden uitgebreid naar de hogere frequenties, kan men de andere modi van hoge orde vinden, en het aantal absorptiebanden met hoge absorptiecoëfficiënten zou idealiter oneindig moeten zijn. De werkelijke situatie is echter niet op deze voorspelling gebaseerd. Zelfs als de frequentiebereiken worden uitgebreid tot hogere frequenties, is het vrij moeilijk om veel (en zelfs oneindige) resonantiebanden te krijgen met de hoge absorptiecoëfficiënten, en typisch slechts een maximum van twee resonantiemodi van hoge orde en een fundamentele modusresonantie kan worden bereikt [40, 41, 47,48,49]. Twee soorten redenen kunnen dit fenomeen verklaren. Ten eerste is het moeilijk om gelijktijdig bijna perfecte absorptie te bereiken op meerdere verschillende frequentiebanden (> 3) vanwege de verschillende optimale diëlektrische diktes die vereist zijn voor de verschillende resonantiemodi. Met andere woorden, het is onmogelijk om de uitstekende absorptie (gelijktijdig> 90%) van de meerbandspieken te realiseren op basis van de superpositie van de fundamentele modus en verschillende (zelfs oneindige) hoge-ordemodi [40, 41, 46,47 ,48]. Ten tweede kunnen de diffractie-effecten van de resonantiestructuur ook de absorptiecoëfficiënten van de resonantiepieken in fundamentele modus en hoge-orde responsen aanzienlijk beïnvloeden en dus specifiek numeriek onderzoek van de hoge-orde modi om ervoor te zorgen dat diffractie-effecten hun absorptie niet significant beïnvloeden prestatie [47,48,49]. De twee punten zijn de belangrijkste redenen waarom het niet mogelijk is om oneindige bijna perfecte absorptiepieken te verkrijgen, ook al zijn de frequentiebereiken uitgebreid tot hogere frequenties. Bovendien is het belangrijk op te merken dat het buitengewoon moeilijk is om de even-orde resonantiemodi te verkrijgen onder de normale omstandigheden (zoals de verticaal uitgestraalde elektromagnetische golven) omdat het elektrische veld van het invallende licht verticale componenten moet hebben in het vlak van inval [49].

Om een ​​intuïtieve demonstratie te geven, wordt de afhankelijkheid van de absorptiespectra van de uitgebreide frequentiebereiken van het resonantieapparaat weergegeven in figuur 2b. Zoals getoond, zijn er slechts vier duidelijke resonantiemodi (d.w.z. de originele frequentiepunten A , B , C , en D ) met hoge absorptiecoëfficiënten wanneer de frequentiebereiken worden uitgebreid tot 4 THz, tot 6 THz en zelfs tot 8 THz. In de frequentiebereiken van (3~6) THz en (3~8) THz kunnen enkele lage absorptiesnelheden en onvoorspelbare resonantiemodi worden gevonden. Dit soort kenmerken geeft aan dat we niet meer resonantiemodi met hoge absorptiecoëfficiënten en de verwachte frequenties kunnen verkrijgen wanneer de frequentiebereiken worden uitgebreid naar hogere frequenties. Dat wil zeggen, het aantal absorptiebanden kan niet verder toenemen (en zelfs idealiter oneindig) met hoge absorptiecoëfficiënten wanneer de frequentiebereiken worden uitgebreid tot hogere frequenties, wat kan worden toegeschreven aan twee redenen voor de vorige paragraaf.

Verder vonden we dat de absorptiecoëfficiënten van deze frequentiepunten aanzienlijk kunnen worden beïnvloed wanneer de frequentiebereiken worden uitgebreid naar hogere frequenties. Uit de curven van donkergeel, blauw en rood van figuur 2b is te zien dat de absorptiecoëfficiënten van de eerste drie frequentiepunten aanzienlijk afnemen met de uitbreiding van de frequentiebereiken. Vooral wanneer het frequentiebereik wordt uitgebreid tot 8 THz, is de absorptie van het tweede frequentiepunt 67,69%; tegelijkertijd de gemiddelde absorptie van de eerste drie frequentiepunten A , B , en C is slechts ongeveer 77,56%, wat veel lager is dan de bijna perfecte (of 100%) absorptie van de eerste drie frequentiepunten in het frequentiebereik van de originele (0,2 ~ 3) THz. Daarom bespreken we in dit manuscript alleen de resonantiepieken (d.w.z. de modi A , B , C , en D ) met hoge absorptiecoëfficiënten van het frequentiebereik van (0.2~3) THz zonder rekening te houden met de gevallen van de lage absorptiecoëfficiënten en de onvoorspelbare frequenties van de modi in het frequentiebereik van (3~6) THz en (3~8) THz .

Vervolgens onderzoeken we of de ontworpen quad-band lichtabsorber in de sensor kan worden ingebouwd om de verandering van de brekingsindex (RI) van de omgeving, die boven de metalen resonator is bedekt, te detecteren of te volgen. Figuur 5a toont de afhankelijkheid van de absorptiespectra van de verandering van de RI van de bekledingsmaterialen. Het is te zien dat de frequentieverschuivingen van de frequentiepunten A en B zijn bijna afwezig (slechts 0,01 THz) wanneer de RI wordt gewijzigd van vacuüm n = 1.00 tot n = 1,04 in intervallen van 0,01, terwijl frequentieveranderingen van de frequentiepunten C en D zijn nogal opmerkelijk. De frequentieverandering van het frequentiepunt C is ongeveer 0,046 THz, en de verschuiving van de frequentie voor het frequentiepunt D kan tot 0,122 THz zijn. In feite is de gevoeligheid van de bulkbrekingsindex (S ) is een intuïtieve factor om de detectieprestaties van de resonantiestructuur te beschrijven, en de gevoeligheid S kan worden gedefinieerd als [44, 45]:S = Δfn , waarbij Δf is de verandering van de resonantiefrequentie en Δn is de verandering van de RI. Volgens de definitie is de S waarden van de frequentiepunten A , B , C , en D zijn respectievelijk 0,25, 0,25, 1,15 en 3,05 THz/RIU. Vergeleken met de S waarden van de frequentiepunten A , B , en C , de S verbeteringsfactoren voor het frequentiepunt D kan oplopen tot respectievelijk 12.2, 12.2 en 2.65. De grote S waarde van het frequentiepunt D heeft potentiële toepassingen in sensorgerelateerde gebieden.

een toont de afhankelijkheid van de absorptieprestaties van de quad-band lichtabsorbeerder van de verandering van de brekingsindex (n ) van de omgeving. b 1 en b 2 zijn respectievelijk de resonantiefrequenties van de modi C en D als functie van de brekingsindex n

Naast de detectiegevoeligheid S , is de FOM (cijfer van verdienste) een belangrijkere factor om de sensorkwaliteit te schatten en maakt een directe vergelijking van de detectieprestaties tussen verschillende sensoren mogelijk. De definitie van de FOM is [44, 45]:FOM = Δf /(Δn × FWHM) = S/ FWHM, waar S en FWHM zijn respectievelijk de detectiegevoeligheid en de volledige breedte op het halve maximum van de resonantiemodus. Gebaseerd op de S waarden en de FWHM van de vier resonantiemodi, de FOM's van de frequentiepunten A , B , C , en D zijn respectievelijk 1,92, 1,92, 11,5 en 101,67. De FOM van het frequentiepunt D is ongeveer 52,95, 52,95 en 8,84 keer groter dan die van de frequentiepunten A , B , en C , respectievelijk. Belangrijker is dat de FOM van het frequentiepunt D is veel groter dan eerdere werken die werden uitgevoerd in het terahertz-frequentiebereik met waarden van niet meer dan 5 [18, 48,49,50,51]. Vanwege deze uitstekende eigenschappen is het ontwerp van de meerbands lichtabsorber veelbelovend in sensorgerelateerde gebieden.

Conclusies

Concluderend wordt een quad-band terahertz-metamateriaalabsorbeerder met enkele afmetingen gedemonstreerd, die is ontworpen door een geperforeerde rechthoekige resonator op een verliesgevende diëlektrische laag die op een gouden bord is geplaatst. Vier discrete en smalbandige resonantiebanden worden bereikt in de resonator van één formaat, waarvan de eerste drie banden de hoge gemiddelde absorptiesnelheden van 97,80% hebben en de vierde band een hoge Q waarde van 98,33. De fysieke foto's van het ontworpen apparaat worden onderzocht; het blijkt dat de corresponderende near-field distributies van de vier banden verschillend zijn. Bovendien wordt de afhankelijkheid van de absorptie van de verandering van de brekingsindex van de omgeving (die zijn bedekt boven de resonator van één formaat) onderzocht om de detectieprestaties van het apparaat te onderzoeken. De FOM van de vierde band kan 101,67 bereiken, wat veel groter is dan die van de eerste drie modi en zelfs eerdere werken [18, 50.51.52.53]. Deze superieure functies, waaronder een hoge Q waarde en grote FOM, zal gunstig zijn voor het ontwerp en de ontwikkeling van eenvoudige sensoren voor gasdetectie en -bewaking, materiaaldetectie en biomedische diagnostiek.

Afkortingen

EM:

Elektromagnetisch

FOM:

Cijfer van verdienste

Q :

Kwaliteitsfactor

S :

Gevoeligheidsgevoeligheid


Nanomaterialen

  1. 5 ontwerpprincipes voor het toepassen van robuuste interconnects voor data-intensieve toepassingen
  2. Overwegingen voor circuitbescherming, controle en detectie voor Smart Home Security-toepassingen
  3. Ontwerp van een afstembare ultrabreedband Terahertz-absorber op basis van meerdere lagen grafeenlinten
  4. Effectieve lichtabsorptie met behulp van de dubbelzijdige piramideroosters voor dunne-film silicium zonnecel
  5. High-Q Fano-resonantie in Terahertz-frequentie gebaseerd op een asymmetrische metamateriaalresonator
  6. Ultra-breedband en polarisatie-ongevoelige Perfect Absorber met behulp van meerlaagse metamaterialen, geklonterde weerstanden en sterke koppelingseffecten
  7. Coupled Resonance Enhanced Modulation voor een met grafeen geladen metamateriaalabsorber
  8. De voordelen van het gebruik van Robotic Vision voor automatiseringstoepassingen
  9. 5 grote voordelen van het gebruik van roestvrijstalen kleppen voor industriële toepassingen
  10. Geperforeerd plaatwerk gebruiken voor ventilatie
  11. Grafeen-gebaseerde fotonica-apparaten voor teledetectie