研究人員利用碳基超材料開發(fā)出寬帶可調(diào)諧吸收器，有望實現(xiàn)新的應(yīng)用。

太赫茲（THz）技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像、電信和先進(jìn)傳感系統(tǒng)等應(yīng)用上大有用武之地。然而，由于0.1至10太赫茲范圍內(nèi)電磁波的獨特性質(zhì)，要開發(fā)出能展示太赫茲技術(shù)真正潛力的高性能元件十分困難。即使是濾波器和吸收器等基本無件的設(shè)計，也仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

幸運(yùn)的是，超材料的興起可能會帶來解決這些問題的創(chuàng)新方法。得益于制造和加工技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在有可能在太赫茲范圍內(nèi)制造出具有獨特電磁特性的二維（2D）圖案微結(jié)構(gòu)，從而對這些頻率下的信號進(jìn)行前所未有的控制。

盡管已經(jīng)提出了各種2D超材料（或“超表面”）吸波材料，但其中大多數(shù)仍然存在嚴(yán)重的局限性。一個常見的問題是，一旦確定并制造出超表面吸波材料的結(jié)構(gòu)模式，其電磁性能就會固定下來。

這種不可調(diào)性限制了此類器件的可能應(yīng)用。另一方面，雖然存在可調(diào)諧的金屬基超表面吸收器，但不鼓勵使用薄金屬層。這是因為存在幾個缺點，如制造必要結(jié)構(gòu)的難度以及金屬固有特性導(dǎo)致的性能不佳。

在此背景下，上?？萍即髮W(xué)曹文翰博士團(tuán)隊開發(fā)出了一種新型碳基可調(diào)元表面吸收器，它在太赫茲范圍內(nèi)具有超寬可調(diào)帶寬。曹文翰博士指導(dǎo)的這項研究最近發(fā)表在《Advanced Photonics Nexus（先進(jìn)光子學(xué)）》上。

“該吸收器的核心是使用石墨烯和石墨微結(jié)構(gòu)作為諧振器，石墨層作為背反射面?！辈芪暮膊┦拷忉屨f：“這種太赫茲元表面吸收器中的重復(fù)子單元（或稱'單元格'）經(jīng)過戰(zhàn)略性設(shè)計，主要基于四個因素來優(yōu)化吸收效率：幾何形狀、材料特性、偏振靈敏度和調(diào)諧機(jī)制?！?/p>

就幾何形狀而言，吸收器由三層薄層組成。最上面一層是圖案化的導(dǎo)電層，包含由石墨烯導(dǎo)線相互連接的同心石墨環(huán)；第二層是簡單的電介質(zhì)，有助于消散不需要的電磁波；第三層是吸收層，可防止太赫茲波直接穿透器件，從而最大限度地提高吸收效率。

吸收器的材料選擇和幾何設(shè)計都是通過數(shù)值分析和模擬進(jìn)行優(yōu)化的，這有助于其在太赫茲范圍內(nèi)的顯著吸收。值得注意的是，所提出的吸收器的一個關(guān)鍵特性是其可調(diào)諧性，這源于可調(diào)節(jié)的費米能級。這一參數(shù)在材料和半導(dǎo)體技術(shù)中至關(guān)重要，因為它決定了電子在不同能級的分布。

通過對石墨烯層施加電壓，就可以改變其費米能級，進(jìn)而輕松地微調(diào)吸收帶寬。曹文翰博士強(qiáng)調(diào)說：“在費米能級為1 eV時，所提出的吸收器可以達(dá)到驚人的8.99 THz寬頻帶，在7.24至16.23THz的頻率范圍內(nèi)提供超過90%的吸收率，在8.35THz和14.70THz有兩個明顯的共振峰?！?/p>

所提出的設(shè)計的另一個顯著優(yōu)點是其對入射輻射的偏振角不敏感。在吸收器的單元格中使用同心圓自然會產(chǎn)生這一有利特性。圓形作為一種完全對稱的形狀，使吸收器在入射角度高達(dá) 50° 時仍能保持較高的吸收率。

總之，所提出的設(shè)計的諸多優(yōu)點與其簡潔性相結(jié)合，代表了太赫茲技術(shù)的真正突破。"所提出的吸收器提供了一種超薄、簡單的無金屬結(jié)構(gòu)，在厚度較低的情況下具有較寬的可調(diào)吸收帶寬，這大大提高了其適用性。這些優(yōu)勢超越了其他已報道的吸收器。

不久的將來，太赫茲設(shè)備將成為日常技術(shù)的一部分，尤其是在醫(yī)學(xué)和通信等領(lǐng)域，以及材料科學(xué)和生物學(xué)等更具研究性的領(lǐng)域。

曹文翰，博士，上?？萍即髮W(xué)信息學(xué)院助理教授、研究員、博導(dǎo)。2015年于復(fù)旦大學(xué)信息學(xué)院獲得本科學(xué)位，2020年于美國波士頓大學(xué)獲得博士學(xué)位，2021年入選上海市海外高層次人才計劃。曹文翰博士于2021年加入上?？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院后摩爾器件與集成系統(tǒng)中心，主持國家自然科學(xué)基金等多項項目，并擔(dān)任全國納米技術(shù)標(biāo)委會低維納米委員會委員、中國光學(xué)工程學(xué)會高級會員、中國通信學(xué)會第一屆太赫茲通信委員會委員。他的研究領(lǐng)域主要包括柔性電子器件、軟體機(jī)器人、太赫茲超表面器件、多層級微納傳感器件等。研究論文以第一作者或通訊作者發(fā)表在Nature Communications、Nano Letters以及IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics等學(xué)術(shù)期刊上；授權(quán)美國專利1項，授權(quán)國家發(fā)明專利3項。擔(dān)任中國激光雜志社Chinese Optics Letters雜志青年編委。