超材料吸收器及石墨烯

超材料（Metamaterial）作為一種具備超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合材料，近年來在電磁領(lǐng)域的研究中備受關(guān)注。超材料吸收器（Metamaterial Absorbers，MMAs）作為超材料功能器件的重要組成部分，如何在有限 的亞波長(zhǎng)尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)多個(gè)表面等離激元諧振來增加吸收帶寬，如何設(shè)計(jì)厚度小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制作的高吸收率吸收器結(jié)構(gòu)，已成為超材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

石墨烯作為一種零帶隙半導(dǎo)體，具有可調(diào)諧性、超寬帶光學(xué)響應(yīng)、高載流子遷移率等非線性光學(xué)特性，在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。石墨烯的載流子濃度和費(fèi)米能級(jí)通過化學(xué)氣相沉積或者靜電摻雜等方式，在太赫茲和紅外頻率下能夠大范圍改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)超材料光學(xué)特性的調(diào)制。PAPASIMAKISN等的研究表明，厚度不到1nm的石墨烯就可以使超材料的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生明顯的變化，在共振波長(zhǎng)附近單層石墨烯只損失2.3%的透過率，同時(shí)會(huì)極大地增強(qiáng)光與石墨烯的相互作用。此外，石墨烯獨(dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu)賦予它非常良好的線性光學(xué)特性，如低損耗的極化控制和中紅外到太赫茲頻率范圍內(nèi)的探測(cè)。石墨烯優(yōu)異的光學(xué)和電學(xué)性能，使其在可調(diào)完美吸收器、偏振器和濾波器等新型光學(xué)器件上的應(yīng)用上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

結(jié)構(gòu)及討論

下圖為基于單層石墨烯的可調(diào)諧寬帶超材料吸收器的單元結(jié)構(gòu)示意，其中單層石墨烯僅有約0.34nm，遠(yuǎn)小于入射波長(zhǎng)，厚度可忽略不計(jì)。該吸收器包括三層：頂層采用優(yōu)化的液相化學(xué)氣相沉積工藝，制造的單層圖案化石墨烯，介質(zhì)層采用無損耗介質(zhì)材料聚四氟乙烯，其相對(duì)介電常數(shù)設(shè)為εPTFE=2，厚度設(shè)為t=14μm，基底選擇電導(dǎo)率σ=4.56×107S/m的金，厚度設(shè)為h=0.2μm。為了實(shí)現(xiàn)寬帶吸收，采用了多共振結(jié)構(gòu)，保證它們之間能夠產(chǎn)生強(qiáng)耦合。

研究?jī)煞N常見的基本結(jié)構(gòu)在正入射條件下的吸收性能，分別為一個(gè)孤立的十字結(jié)構(gòu)和四個(gè)矩形組成的陣列，結(jié)果見下圖：由吸收頻譜可以看出，這兩個(gè)結(jié)構(gòu)都無法滿足寬帶要求且吸收效率不高，接著考慮將兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)?a href="http://m.1cnz.cn/v/tag/899/" target="_blank">拆解組合，最終設(shè)計(jì)出由四個(gè)直臂和四個(gè)矩形組成的、中間為鏤空十字的結(jié)構(gòu)，從綠色曲線可以看出該組合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了寬帶吸收，其低頻吸收峰和高頻吸收峰和上述兩個(gè)結(jié)構(gòu)的吸收峰相互對(duì)應(yīng)，但吸收性能依舊較低，因此在其四周增加了四個(gè)直角石墨烯結(jié)構(gòu)，通過共振效應(yīng)來提高吸收效率，最終經(jīng)過仿真和參數(shù)優(yōu)化得到了完美吸收曲線。從黑色曲線可以看出，吸收率在90%以上的帶寬達(dá) 到了2.9THz，對(duì)應(yīng)的相對(duì)帶寬達(dá)到了77.3%。同時(shí)，可以看到有兩個(gè)吸收峰在f1=2.56 THz和f2=4.6THz頻率處的吸收率分別達(dá)到了97%和98.9%。基于以上結(jié)論，充分證明利用石墨烯圖案間的耦合效應(yīng)可極大地提升吸收器的吸收性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)寬帶吸收。

下圖為在正入射波下的頻率和不同費(fèi)米能級(jí)的函數(shù)關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)費(fèi)米能級(jí)從0逐漸增加到0.9eV，步長(zhǎng)為0.3eV時(shí)，峰值吸光度從12%增加到98%以上，同時(shí)，隨著費(fèi)米能量的增加，工作帶寬也隨之變寬。因此，這意味著通過改變石墨烯的費(fèi)米能級(jí)，在特定頻率范圍內(nèi)可使所提吸收器的工作狀態(tài)在反射與吸收之間自由切換，大大增強(qiáng)了其實(shí)用價(jià)值。

下圖為不同偏振角?以20°步長(zhǎng)從0°變化到80°時(shí)的吸收光譜，可以發(fā)現(xiàn)隨著偏振角度的改變，所提吸收器的吸收性能幾乎沒有發(fā)生變化，吸收率仍然高于90%。實(shí)際上，幾何結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性是吸收器能夠產(chǎn)生完美偏振無關(guān)的根本原因。

審核編輯 ：李倩