Multifunctioneel apparaat met schakelbare functies voor absorptie en polarisatieconversie op Terahertz-bereik

Methoden

Om het vermogen te verkrijgen om te schakelen tussen absorptie- en polarisatieconversie (PC)-modi, omvat de MFD twee categorieën meta-oppervlakken, zoals weergegeven in Fig. 1. Het ene type is het absorberende meta-oppervlak (AM) en het andere type is het PC-meta-oppervlak (PCM). Een typische configuratie van de MFD, zoals weergegeven in Fig. 1, omvat PCM-structuur, AM-structuur, metalen spiegel en isolatoren om ze te scheiden. Aangenomen wordt dat in de absorptiemodus de AM de invallende golf domineert en het invallende vermogen verdrijft, en de PCM heeft in deze modus geen zin. In de pc-modus moet de AM worden geneutraliseerd en speelt de PCM een hoofdrol; daarom wordt de polarisatietoestand van de invallende golf omgezet. Om de bovenstaande claims te bereiken, is het belangrijkste punt de neutralisatie van de AM in de pc-modus. Daarom moet het afstembare materiaal worden gebruikt om de AM te construeren, waarin de eigenschappen van de AM kunnen worden afgestemd. Gelukkig demonstreert het grafeen ultrahoge elektronische mobiliteit en afstembare geleidbaarheid door het dopingniveau of elektrisch rooster aan te passen [26, 27]. Daarom is het raadzaam om grafeen te gebruiken voor AM-ontwerpen. De geleidbaarheid van het grafeen kan worden uitgedrukt door Kubo-formule (1) en omvat intraband- en interbandbijdragen.

Typische configuratie van een MFD

waar e , , k _B , T , en μ _c vertegenwoordigen respectievelijk de lading van een elektron, de gereduceerde constante van Planck, de constante van Boltzmann, de temperatuur van Kelvin en de chemische potentiaal. De Γ is een fenomenologische verstrooiingssnelheid en wordt verondersteld onafhankelijk te zijn van energie ε . Dus de complexe geleidbaarheid σ _s kan worden aangepast door de chemische potentiaal af te stemmen (μ _c ) met voorspanning. Het is te vinden in vgl. (1) dat voor μ _c = 0 eV, de geleidbaarheid van het grafeen is erg klein vanwege de lage dragerdichtheid in dit geval. Daarom werkt het grafeen als een diëlektrisch substraat. Bovendien, omdat de grafeenlaag erg dun is, heeft deze weinig invloed op de verlichte EM-golven voor μ _c = 0 eV. De dragerdichtheid van het grafeen zou echter toenemen met een toenemend chemisch potentieel (μ _c ), en de complexe geleidbaarheid (σ _s ) van het grafeen wordt versterkt met toenemend chemisch potentieel (μ _c ) [26, 27]. Daarom ondersteunt het grafeen oppervlakteplasmonpolaritonen (SPP's) voor grote μ _c [26, 28,29,30], en de SPP's beperken de invallende golven. Om de SPP's verder te verbeteren en golfabsorptie in bepaalde frequenties te bereiken, moeten periodieke structuren in de grafeenlaag worden geëtst om een ​​meta-oppervlak te vormen, dat AM wordt genoemd. Daarom, door μ . in te stellen _c = 0, kan de AM worden beschouwd als een dun diëlektrisch substraat en is het bijna transparant voor EM-golven. Daardoor kan de invallende EM-golf worden geconcentreerd op de PCM-laag en werkt het apparaat in de pc-modus. Voor een passende grote μ _c , beperken de verbeterde SPP's van de AM het grootste deel van de invallende EM-golf, waardoor de PCM-laag nutteloos is. Daarbij worden de invallende EM-golven in de AM-laag gedissipeerd.

Volgens de bovenstaande discussie wordt een onopvallende MFD met op goud gebaseerde PCM en op grafeen gebaseerde AM voorgesteld, zoals weergegeven in figuur 2. Figuur 2a is een 3D-weergave van een cel. In de figuur is te zien dat één laag op goud gebaseerd PCM is gedrukt op de bovenkant van het substraat TOPAS-polymeer [31]. Het PCM-patroon is een dubbele L-vormige structuur met brede band en goede polarisatieconversie-eigenschappen [18, 19]. Zoals aangetoond in Fig. 2a, wordt een op grafeen gebaseerde AM ingevoegd in het TOPAS-polymeersubstraat met een afstand h ₁ naar de PCM. Om de op grafeen gebaseerde AM een dominante rol te geven in de absorptiemodus, moet de AM sterke SPP's hebben bij een bepaald chemisch potentieel (μ _c ) om het grootste deel van het invallende vermogen te beperken en de PCM te neutraliseren. Voor dit doel worden patronen van cross-slots geëtst in een grafeenlaag, zoals weergegeven in figuur 2b. Er wordt verondersteld dat de cross-slot patronen periodieke veranderingen teweegbrengen (σ = 0) naar de uniformiteitscomplex geleidbaarheid van het grafeen, wat leidt tot herschikking en focus van de ladingsdichtheid. Daarom worden SPP's gegenereerd en verbeterd. De cross-slot-structuur, zoals aangetoond in figuur 2b, is in staat om drager en velden rond de slots te concentreren, wat zorgt voor sterke SPP's. De slotlengtes van l ₁ en l ₂ ervoor kiezen om ervoor te zorgen dat de resonanties van de AM binnen de werkingssfeer van de PCM vallen; daarom heeft één cel van de AM 3 × 3 cross-slot patronen. Merk op dat de PCM en AM onafhankelijk bewegen en werken, aangezien hun aan-uit wordt geregeld door de chemische potentiaal (μ _c ); daarom kunnen het PCM-patroon en het AM-patroon andere architecturen zijn. Het TOPAS-polymeer is een uitstekend substraatmateriaal voor breedband terahertz-ontwerp en de brekingsindex is ongeveer 1,53 met een zeer laag verlies. Op de bodem van het TOPAS-polymeersubstraat is een goudlaag gedrukt voor totale reflectie. De goudlaag wordt ondersteund door een substraat, dat Si kan zijn. De dikte van het goud is 200 nm. Merk op dat het ondersteunende materiaal geen effect heeft op de prestaties op de MFD, aangezien er geen invallende golven zijn die de goudlaag binnendringen. Zoals aangetoond in een 3D-weergave van de array in Fig. 2c, kan de chemische potentiaal worden aangepast door de spanning voorin te stellen. De MFD kan worden vervaardigd door het groei- en overdrachtsproces te herhalen [32, 33]. Het grafeen AM zou T . moeten hebben = 300 K en momentum relaxatietijd τ = 0,1 ps. Voor pc-modus, μ _c = 0 eV. Het chemische potentieel voor absorptiemodus is μ _c = 0,7 eV. De geoptimaliseerde parameters van de MFD zijn h ₀ = 17 μm, h ₁ = 1,5 m, l ₀ = 24 μm, W ₀ = 2 μm, l ₁ = 14 μm, l ₂ = 19,8 m, en p = 50 m.

Schematische weergave van de voorgestelde MFD met absorptie- en polarisatieconversiemodi. een 3D-weergave van een cel. b Bovenaanzicht van het grafeen AM in één cel. c 3D-weergave van de array

Resultaten, fysieke mechanismen en discussie

Resultaten

De voorgestelde MFD werd gesimuleerd en de polarisatieconversieverhouding (PCR) en het absorptievermogen van de voorgestelde MFD werden berekend. Zoals getoond in Fig. 3a, worden de full-wave-analyses uitgevoerd in CST Studio Suite met frequentiedomeinoplosser. Daarom worden eenheidscelgrenzen aan de periferiezijden ingesteld en wordt een floquet-poort aan de bovenkant van het berekeningsgebied ingesteld. De PCR en het absorptievermogen van de structuur zonder AM zijn ter vergelijking ook uitgezet in de figuur. Merk op dat de PCR en het absorptievermogen kunnen worden berekend door de reflectiecoëfficiënten van de structuur, aangezien er geen transmissie is vanwege de goudlaag [34]. Hier worden de termen expliciet gedefinieerd volgens y -gepolariseerde verlichting. Het elektrische veld van de y -gepolariseerde incidentiegolf wordt gedefinieerd als E _iy , en de gereflecteerde golf bevat een y -gepolariseerd elektrisch veld (E _ry ) en x -gepolariseerd elektrisch gevlucht (E _rx ). Vervolgens worden de reflectiecoëfficiënten van co-polarisatie en kruispolarisatie gedefinieerd als r _yy =E _ry /E _iy en r _xy =E _rx /E _iy , respectievelijk. Daarom kunnen de PCR en het absorptievermogen worden berekend door Vgl. (2) en (3) respectievelijk. Merk op dat de PCR en het absorptievermogen van x -gepolariseerde incidentie kan analoog worden berekend volgens Vgl. (2) en (3).

PCR en absorptieberekening van de voorgestelde MFD. een Simulatie model. b Berekende resultaten van de pc-modus en absorptiemodus; de resultaten van de structuur zonder AM worden ook ter vergelijking gedemonstreerd. b De PCR en het absorptievermogen van de structuur zonder AM worden respectievelijk uitgezet als de rode curve met een volle cirkelmarkering en een karmijnrode curve met een halfvaste cirkelmarkering. Voor de pc-modus van de voorgestelde MFD worden de PCR en het absorptievermogen uitgezet als respectievelijk de blauwe curve met een ononderbroken vijfpuntige stermarkering en een cyaancurve met een halfvaste deltamarkering. Voor de absorptiemodus van de voorgestelde MFD wordt het absorptievermogen uitgezet als de verborgen blauwe curve met volledige bolmarkering

$$ \mathrm{PCR}={r^2}_{xy}/\left({r^2}_{yy}+{r^2}_{xy}\right) $$ (2) $$ \mathrm{Abs}.=1-{r^2}_{yy}-{r^2}_{xy} $$ (3)

Zoals getoond in Fig. 3b, werkt de MFD in pc-modus met μ _c = 0 eV, en het werkt in de absorptiemodus met μ _c = 0,7 eV. In de pc-modus werkt de structuur als een polarisatie-omzetter en roteert het een lineair gepolariseerde invallende golf naar zijn orthogonale polarisatiegolf. Voor de pc-modus is de PCR groter dan 0,9 in de 2,11–3,63-THz-band (53,0% bij 2,87 THz), terwijl het absorptievermogen klein is en varieert van 0,14 tot 0,27 in de band. Voor de structuur zonder AM heeft het bijna dezelfde PCR-band als de pc-modus, terwijl het absorptievermogen varieert van 0,06 tot 0,09. In de absorptiemodus wordt het grootste deel van de invallende golf geabsorbeerd in de band, zoals weergegeven in de afbeelding. Merk op dat de PCR-curve voor de absorptiemodus niet wordt weergegeven omdat deze betekenisloos is. Het absorptievermogen is groter dan 80% in de 1,59–4,54-THz-band (96,4% bij 3,06 THz). Daarom kan de voorgestelde structuur, door het chemische potentieel aan te passen, schakelen tussen pc-modus en absorptiemodus.

Fysieke mechanismen

Om de fysieke mechanismen van de schakelkarakteristieken van de twee modi verder te onthullen, worden de elektrische energiedichtheden in de pc-modus en de absorptiemodus van de structuur gepresenteerd in Fig. respectievelijk 4 en 5. De stroomverdelingen van de pc-modus zijn ook uitgezet in figuur 4 om de polarisatieconversiekarakteristiek aan te geven. De stroomverdelingen van de absorptiemodus zijn niet geïllustreerd omdat de stromen in deze modus worden verzwakt en gedissipeerd. Merk op dat de veldverdelingen worden verkregen onder y -gepolariseerde verlichting.

Veldverdelingen van de pc-modus (μ _c = 0 eV). een 2,56 THz. b 3,22 THz

Veldverdelingen van de absorptiemodus (μ _c = 0,7 eV). een 1,7 THz. b 3,3 THz

Voor de pc-modus (μ _c = 0 eV), worden twee frequenties van 2,56 THz en 3,22 THz gekozen om hun veldverdelingen in respectievelijk Fig. 4a en b weer te geven. De linkerdelen van de figuren zijn de elektrische energiedichtheden en de rechterdelen zijn de stromen. Zoals te zien is in de figuren, lijken de veldverdelingen van 2,56 THz en 3,22 THz erg op elkaar, wat een brede werkband impliceert. Van de elektrische energiedichtheden in de linker delen van Fig. 4a, b, zijn de energieën voornamelijk geconcentreerd op de L-vormige structuren (PCM). Er wordt aangegeven dat het PCM een leidende rol speelt voor μ _c = 0 eV. Van de stromen aan de rechterkant van figuur 4a, b, zijn de stromen van zowel 2,56 THz als 3,22 THz ook geconcentreerd op de PCM en zijn de stromen op de AM zwak. De pijlen met stippellijnen geven de vectoren van de stromen aan. De y -gepolariseerde verlichting genereert x -vectorstromen op de L-vormige structuren, die polarisatieconversie bereiken.

Voor de absorptiemodus (μ _c =0,7 eV), zijn de elektrische energiedichtheden van 1,7 THz en 3,3 THz weergegeven in respectievelijk Fig. 5a en b. Zoals te zien is in de afbeelding, zijn de elektrische energiedichtheden van de twee frequenties voornamelijk verdeeld over de AM. Er is ook gevonden dat de energieën zijn gefocust in de cross-slotpatronen; daarom worden SPP-effecten versterkt door de cross-slots op de AM. De sterke SPP-effecten leiden tot veldversterking op de AM, waardoor de AM een dominante rol krijgt. Daarbij worden de invallende golven beperkt en afgevoerd in de AM. Het is ook gebleken dat er nog steeds enkele energieën op de PCM zijn verspreid die geen perfecte absorptie maken, zoals 80-90% absorptievermogen in de band.

Discussie

Om de kenmerken van de voorgestelde MFD verder te onthullen, worden in deze sectie parametrische studies besproken. Figuur 6a en b geven respectievelijk de PCR- en absorptiekenmerken weer in termen van het chemische potentieel (μ _c ). Zoals getoond in Fig. 6a, een kleinere μ _c betekent een kleinere geleidbaarheid van de AM en de PCM heeft een sterkere rol. Daarom wordt een goede PCR waargenomen met μ _c = 0 eV, en het wordt slechter met toenemende μ _c . De absorptiekarakteristiek van de MFD vertoont een bijna tegengestelde tendens, zoals weergegeven in figuur 6b. Met μ _c verhoogd van 0 naar 1 eV, zijn de SPP's op de AM geïnspireerd en verbeterd. De invallende EM-golven worden dus opgesloten in de AM en het vermogen wordt geabsorbeerd. De μ _c = 0,7 eV is gekozen voor de breedste bandbreedte. In Fig. 6a wordt ook opgemerkt dat de PCR-waarden rond 1,85 THz groter zijn dan 80% voor 0,7 eV <μ _c < 1 eV; de meeste bevoegdheden gaan echter verloren voor deze μ _c s zoals aangegeven in Fig. 6b. Daarom is de chemische potentiaal (μ _c ) is een waardevolle parameter om de PCR- en absorptiekarakteristieken aan te passen.

Kenmerken van de voorgestelde MFD voor verschillende chemische potentialen (μ _c ). een PCR. b Absorptie

Het absorptievermogen van de absorptiemodus voor verschillende polarisatiehoeken (φ ₁ en φ ₂ ) is afgebeeld in Fig. 7. Zoals afgebeeld in Fig. 7a, is de φ ₁ en φ ₂ zijn de hoeken van de invallende elektrische velden ten opzichte van x - en y -assen, respectievelijk. Volgens de symmetrische structuur van de MFD is de φ ₁ en φ ₂ varieerde van 0 tot 45°. In Fig. 7b, als de φ ₁ nam toe van 0 tot 45°, het absorptievermogen in de band nam toe van 0,8 tot bijna 1, hoewel de band een beetje smaller werd met toenemende φ ₁ . Zoals getoond in Fig. 7c, de toename van φ ₂ verlaagt het absorptievermogen rond 2-3 THz, en twee absorptiebanden worden verkregen rond 1,7 THz en 4 THz.

De absorptiekenmerken van de absorptiemodus (μ _c = 0,7 eV) onder normale inval voor verschillende polarisatiehoeken (φ ). een De φ ₁ en φ ₂ zijn de hoek van het invallende elektrische veld ten opzichte van x- en y -assen, respectievelijk. b φ ₁ . c φ ₂

De prestaties van pc-modus en absorptiemodus in termen van invalshoek (θ ) worden weergegeven in Fig. 8 en 9, respectievelijk. Afbeelding 8a en b tonen de PCR-plots van s - en p -gepolariseerde invallende golven, respectievelijk, met een invalshoek van 0 tot 80°. Zoals blijkt uit de figuren, verslechterde de PCR met toenemende θ; er wordt echter ook een goede PCR-karakteristiek verkregen voor θ kleiner dan 40°. De PCR-bandbreedte is stabiel tot de invalshoek (θ ). Het is ook gebleken dat de PCR-prestaties van s -gepolariseerde inval is ongevoelig voor de invalshoek (θ ) voor de frequenties rond 2,1 THz.

De PCR-kenmerken van de pc-modus (μ _c = 0 eV) voor verschillende invalshoeken, verlicht door a s -gepolariseerd en b p -gepolariseerde golven

De absorptiekenmerken van de absorptiemodus (μ _c = 0,7 eV) voor verschillende invalshoeken, verlicht door a s -gepolariseerd en b p -gepolariseerde golven

Voor de absorptiemodus zijn de absorptiegrafieken van s - en p -gepolariseerde invallende golven zijn uitgezet in respectievelijk Fig. 9a en b, met de invalshoek (θ ) varieerde van 0 tot 80°. Over het algemeen is het absorptievermogen van de s -gepolariseerde incidentie neemt af met toenemende θ , en het absorptievermogen is groter dan 0,8 voor θ kleiner dan 30°. Het is interessant om te zien dat het absorptievermogen van p -gepolariseerde invallende EM-golf nam toe met toenemende θ .

De structuurparameter h ₁ wordt ook bestudeerd om de meerdere functies van het apparaat verder te onthullen. Als de h ₁ wordt aangepast, wordt de positie van de AM gewijzigd. Merk op dat andere structuurparameters hier voor de eenvoud niet worden besproken. Figuur 10a en b tonen de resultaten van respectievelijk de pc-modus en de absorptiemodus. Zoals weergegeven in het linkerdeel van Afb. 10a, in pc-modus, de h ₁ heeft weinig invloed op de PCR. In het rechterdeel van Fig. 10b zijn de absorpties ook stabiel gedurende h ₁ variërend van 0,5 tot 16,5 m, hoewel kleiner h ₁ heeft een grotere absorptie. De resultaten in Fig. 10a verifiëren de discussies in de sectie "Methoden", en de AM wordt gebruikt als dun substraat in pc-modus (μ _c = 0 eV). Voor de absorptiemodus (μ _c = 0,7 eV), speelt de AM een hoofdrol; daarom, de h ₁ is belangrijk in deze modus. Zoals weergegeven in het linkerdeel van Fig. 10a, neemt de toename van h ₁ het absorptievermogen verminderen. Het is omdat de meervoudige reflecties en superposities tussen de AM- en de goudlaag belangrijk zijn om de SPP's te inspireren en de velden op de AM te versterken [35]. In het rechterdeel van Fig. 10b wordt een goede PCR waargenomen voor grotere h ₁ . Daarom is bij het ontwerpen van de MFD de parameter h ₁ kan alleen worden overwogen in de absorptiemodus omdat het weinig invloed heeft op de pc-modus.

De PCR en absorptie in termen van h ₁ . een PC-modus (μ _c = 0 eV). b Absorptiemodus (μ _c = 0,7 eV)

Conclusies

Samenvattend wordt een onopvallende en eenvoudige MFD-structuur voorgesteld door op goud gebaseerde PCM en op grafeen gebaseerde AM te combineren. De chemische potentiaal (μ _c ) kan worden gebruikt om de op grafeen gebaseerde AM te activeren of te neutraliseren, en vervolgens kan de structuur worden getransformeerd van absorptiemiddel naar polarisatie-omzetter. Voor de pc-modus is de PCR groter dan 0,9 in de 2,11–3,63-THz-band (53,0% bij 2,87 THz). Voor de absorptiemodus is het absorptievermogen groter dan 80% in de 1,59–4,54-THz-band (96,4% bij 3,06 THz). Het ontwerp kan worden toegepast op terahertz-beeldvormings-, detectie-, fotodetectie- en modulatiesystemen.

Afkortingen

AM:

Absorberend meta-oppervlak

CP:

Circulaire polarisatie

EM:

Elektromagnetisch

LP:

Lineaire polarisatie

MFD:

Multifunctioneel apparaat

PC:

Polarisatie conversie

PCM:

Polarisatie conversie meta-oppervlak

PCR:

Polarisatie conversieverhouding

SPP's:

Oppervlakte plasmon polaritonen