基于图案化石墨烯的宽带太赫兹超材料吸收器

超材料吸收器及石墨烯

超材料（Metamaterial）作为一种具备超常物理性质的人工复合材料，近年来在电磁领域的研究中备受关注。超材料吸收器（Metamaterial Absorbers，MMAs）作为超材料功能器件的重要组成部分，如何在有限 的亚波长尺寸内实现多个表面等离激元谐振来增加吸收带宽，如何设计厚度小、结构简单、易于制作的高吸收率吸收器结构，已成为超材料领域的研究热点。

石墨烯作为一种零带隙半导体，具有可调谐性、超宽带光学响应、高载流子迁移率等非线性光学特性，在电子学、光学、磁学、生物医学和传感器等领域的应用前景广阔。石墨烯的载流子浓度和费米能级通过化学气相沉积或者静电掺杂等方式，在太赫兹和红外频率下能够大范围改变，实现对超材料光学特性的调制。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学性质发生明显的变化，在共振波长附近单层石墨烯只损失2.3%的透过率，同时会极大地增强光与石墨烯的相互作用。此外，石墨烯独特的电子能带结构赋予它非常良好的线性光学特性，如低损耗的极化控制和中红外到太赫兹频率范围内的探测。石墨烯优异的光学和电学性能，使其在可调完美吸收器、偏振器和滤波器等新型光学器件上的应用上具有得天独厚的优势。

结构及讨论

下图为基于单层石墨烯的可调谐宽带超材料吸收器的单元结构示意，其中单层石墨烯仅有约0.34nm，远小于入射波长，厚度可忽略不计。该吸收器包括三层：顶层采用优化的液相化学气相沉积工艺，制造的单层图案化石墨烯，介质层采用无损耗介质材料聚四氟乙烯，其相对介电常数设为εPTFE=2，厚度设为t=14μm，基底选择电导率σ=4.56×107S/m的金，厚度设为h=0.2μm。为了实现宽带吸收，采用了多共振结构，保证它们之间能够产生强耦合。

研究两种常见的基本结构在正入射条件下的吸收性能，分别为一个孤立的十字结构和四个矩形组成的阵列，结果见下图：由吸收频谱可以看出，这两个结构都无法满足宽带要求且吸收效率不高，接着考虑将两种结构进行适当的拆解组合，最终设计出由四个直臂和四个矩形组成的、中间为镂空十字的结构，从绿色曲线可以看出该组合结构表现出了宽带吸收，其低频吸收峰和高频吸收峰和上述两个结构的吸收峰相互对应，但吸收性能依旧较低，因此在其四周增加了四个直角石墨烯结构，通过共振效应来提高吸收效率，最终经过仿真和参数优化得到了完美吸收曲线。从黑色曲线可以看出，吸收率在90%以上的带宽达 到了2.9THz，对应的相对带宽达到了77.3%。同时，可以看到有两个吸收峰在f1=2.56 THz和f2=4.6THz频率处的吸收率分别达到了97%和98.9%。基于以上结论，充分证明利用石墨烯图案间的耦合效应可极大地提升吸收器的吸收性能，进而实现宽带吸收。

下图为在正入射波下的频率和不同费米能级的函数关系。结果表明，当费米能级从0逐渐增加到0.9eV，步长为0.3eV时，峰值吸光度从12%增加到98%以上，同时，随着费米能量的增加，工作带宽也随之变宽。因此，这意味着通过改变石墨烯的费米能级，在特定频率范围内可使所提吸收器的工作状态在反射与吸收之间自由切换，大大增强了其实用价值。

下图为不同偏振角ϕ以20°步长从0°变化到80°时的吸收光谱，可以发现随着偏振角度的改变，所提吸收器的吸收性能几乎没有发生变化，吸收率仍然高于90%。实际上，几何结构的对称性是吸收器能够产生完美偏振无关的根本原因。

审核编辑 ：李倩