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)的人工復合材料，近年來在電磁領域的研究中備受關注。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 的亞波長尺寸內(nèi)實現(xiàn)多個表面等離激元諧振來增加吸收帶寬，如何設計厚度小、結(jié)構(gòu)簡單、易于制作的高吸收率吸收器結(jié)構(gòu)，已成為超材料領域的研究熱點。

石墨烯作為一種零帶隙半導體，具有可調(diào)諧性、超寬帶光學響應、高載流子遷移率等非線性光學特性，在電子學、光學、磁學、生物醫(yī)學和傳感器等領域的應用前景廣闊。石墨烯的載流子濃度和費米能級通過化學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，實現(xiàn)對超材料光學特性的調(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性質(zhì)發(fā)生明顯的變化，在共振波長附近單層石墨烯只損失2.3%的透過率，同時會極大地增強光與石墨烯的相互作用。此外，石墨烯獨特的電子能帶結(jié)構(gòu)賦予它非常良好的線性光學特性，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。石墨烯優(yōu)異的光學和電學性能，使其在可調(diào)完美吸收器、偏振器和濾波器等新型光學器件上的應用上具有得天獨厚的優(yōu)勢。

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，遠小于入射波長，厚度可忽略不計。該吸收器包括三層：頂層采用優(yōu)化的液相化學氣相沉積工藝，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，其相對介電常數(shù)設為εPTFE=2，厚度設為t=14μm，基底選擇電導率σ=4.56×107S/m的金，厚度設為h=0.2μm。為了實現(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)生強耦合。

研究兩種常見的基本結(jié)構(gòu)在正入射條件下的吸收性能，分別為一個孤立的十字結(jié)構(gòu)和四個矩形組成的陣列，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)進行適當?shù)?a href="http://www.1cnz.cn/v/tag/899/" target="_blank">拆解組合，最終設計出由四個直臂和四個矩形組成的、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結(jié)構(gòu)的吸收峰相互對應，但吸收性能依舊較低，因此在其四周增加了四個直角石墨烯結(jié)構(gòu)，通過共振效應來提高吸收效率，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 到了2.9THz，對應的相對帶寬達到了77.3%。同時，可以看到有兩個吸收峰在f1=2.56 THz和f2=4.6THz頻率處的吸收率分別達到了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可極大地提升吸收器的吸收性能，進而實現(xiàn)寬帶吸收。

下圖為在正入射波下的頻率和不同費米能級的函數(shù)關系。結(jié)果表明，當費米能級從0逐漸增加到0.9eV，步長為0.3eV時，峰值吸光度從12%增加到98%以上，同時，隨著費米能量的增加，工作帶寬也隨之變寬。因此，這意味著通過改變石墨烯的費米能級，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，大大增強了其實用價值。

下圖為不同偏振角?以20°步長從0°變化到80°時的吸收光譜，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%。實際上，幾何結(jié)構(gòu)的對稱性是吸收器能夠產(chǎn)生完美偏振無關的根本原因。

審核編輯 ：李倩