Multifunktionales Gerät mit schaltbaren Funktionen der Absorption und Polarisationsumwandlung im Terahertz-Bereich

Einführung

Absorber und Polarisationswandler, die elektromagnetische (EM) Wellen regulieren können, sind zwei entscheidende Geräte für die Terahertz-Technologie. Sie haben bedeutende Anwendungen in Sensoren, Fotodetektoren und Modulatoren und sind unverzichtbar in der medizinischen Bildgebung/Diagnostik, Umgebungsüberwachung und -überwachung, chemischer Spektroskopie, hochauflösendem Radar und Hochgeschwindigkeitskommunikation [1,2,3,4]. Die Absorber werden verwendet, um die auftreffende EM-Welle zu absorbieren und abzuleiten, während die Polarisationswandler die Fähigkeit haben, den Polarisationszustand der Beleuchtungswelle zu regulieren. Diese Geräte wurden in den letzten Jahren umfassend untersucht [4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24 ].

Metaoberflächen weisen eine perfekte Absorption im Terahertz-Wellenbereich auf [5,6,7,8]. Diese Metaoberfläche kann durch Goldmuster oder Graphenmuster konstruiert werden. Die Goldmuster umfassen einen gekoppelten Ringresonator und eine kreuzförmige Struktur [5], einen kreuzförmigen Goldresonator [6] und dreischichtige kreuzförmige Goldresonatoren [9]. Allerdings sind die Bandbreiten dieser Goldmetaoberflächenabsorber recht schmal. Graphen, das Oberflächenplasmonen im Terahertz-Bereich unterstützt [10, 11], ist ein gutes Material, um Absorber auf Metaoberflächenbasis mit großer Bandbreite zu entwickeln. Das Fischnetz-Graphenmuster erreicht eine Bandbreite von 59,4% bei 3,2 THz [12], die Doppelringstruktur mit hybridisierten plasmonischen Resonanzen erreicht eine Bandbreite von 1,18–1,64 THz (32,6%) [13], die neun Schichten unterschiedlich großer Graphenbänder realisiert eine gute Absorption von 3 bis 7,8 THz (88,9%) [14], und die dreischichtigen, asymmetrisch strukturierten Graphenstreifen, die mit Löchern in [15] geätzt sind, haben eine Bandbreite von 84,6% (4,7–11,6 THz). Obwohl die Monoschicht aus Übergangsmetall-Dichalkogeniden und einem periodischen Metall-Nano-Groove-Array eine schmale Bandbreite aufweist, absorbiert sie Licht in einem weiten Winkel [16]. In [17], einschichtiges MoS₂ wird auf ein Titannitrid-Nano-Disk-Array angewendet, das eine durchschnittliche Absorption von 98,1% im Band von 400 bis 850 nm (72 %) erreicht.

Andererseits weisen Metaoberflächen eine hohe Leistung bei der Polarisationsumwandlung auf. Edelmetalle wie Gold haben eine hohe Effizienz für das Design von Polarisationswandlern auf Metaoberflächenbasis. Doppeltes L-förmiges Muster mit zwei metallischen Gittern in [18] dreht eine lineare Polarisation (LP) um 90°. Die Bandbreite des Wandlers in [18] beträgt 0,2–0,4 THz (66,7%). Doppeltes L-förmiges Muster und Gitter mit Fabry-Perot-ähnlicher Resonanz erreichen eine Bandbreite von 0,55 bis 1,37 THz (85,4%) [19]. Dreischichtige Metaoberflächen bilden einen Viertelwellenwandler, um eine einfallende LP-Welle in eine zirkulare Polarisationswelle (CP) mit einer Bandbreite von 2,1-8 THz (116,8%) umzuwandeln [20]. Die streifengeladene halbelliptische Ringstruktur in [21] ist in der Lage, sowohl LP als auch CP mit einer Bandbreite von 2,1–2,9 THz (32 %) kreuzpolarisationskonvertieren zu können. Die für Polarisationskonverter verwendeten Graphen-Metaoberflächen realisieren normalerweise die Funktion der Frequenz- oder Polarisationszustandsabstimmung. Die Designs in [22, 23] erreichen eine Polarisationsdrehung durch periodisches Ätzen von Schlitzen/Hohlräumen auf Graphenschichten, und die Betriebsfrequenzen können dynamisch durch Anpassen des chemischen Potentials (μ _c ). Die periodischen Graphenmuster [24] und doppelt gekreuzten Graphengitter [25] stimmen die Polarisationszustände ab. Das Design in [21] bringt Graphenstreifen auf den Boden, um die Feldverteilungen zu stören; dann kann das Polarisationsumwandlungsverhältnis reguliert werden.

Obwohl die oben genannten Absorber und Polarisationswandler sehr effizient sind, haben diese Geräte eine einzige Funktion. Sie sind nicht in Terahertz-Systemen untergebracht, die tragbare, kompakte und multifunktionale Geräte erfordern. Daher sind Multifunktionsgeräte (MFDs) von Bedeutung. In dieser Forschung wird ein MFD vorgeschlagen, das zwischen Absorptionsmodus und Polarisationsumwandlungsmodus umschalten kann. Das vorgeschlagene MFD hat eine flache und einfache Struktur, indem es eine goldbasierte Polarisationsumwandlungs-Metaoberfläche (PCM) und eine Graphen-basierte absorbierende Metaoberfläche (AM) zusammensetzt. Dann durch Einstellen des chemischen Potentials von Graphen μ _c = 0 eV, die AM wird neutralisiert und das PCM spielt eine dominante Rolle, und das Gerät dreht die Polarisation einer einfallenden EM-Welle. Durch Einstellen von μ _c = 0.7 eV, AM spielt die Hauptrolle und das Gerät absorbiert die einfallende EM-Welle.

Methoden

Um die Fähigkeit zum Umschalten zwischen Absorptions- und Polarisationsumwandlungs-(PC)-Modi zu erhalten, umfasst das MFD zwei Kategorien von Metaoberflächen, wie in 1 gezeigt. Ein Typ ist absorbierende Metaoberfläche (AM) und der andere Typ ist PC-Metaoberfläche (PCM). Eine typische Konfiguration des MFD, wie in 1 dargestellt, umfasst eine PCM-Struktur, eine AM-Struktur, einen Metallspiegel und Isolatoren, um sie zu trennen. Es wird angenommen, dass im Absorptionsmodus das AM die auftreffende Welle dominiert und die einfallende Leistung ableitet, und das PCM ist in diesem Modus nutzlos. Im PC-Modus sollte das AM neutralisiert werden und das PCM spielt eine führende Rolle; daher wird der Polarisationszustand der einfallenden Welle umgewandelt. Um die obigen Ansprüche zu erfüllen, ist der Schlüsselpunkt die Neutralisierung des AM im PC-Modus. Daher sollte das abstimmbare Material verwendet werden, um den AM zu konstruieren, bei dem die Eigenschaften des AM abgestimmt werden können. Glücklicherweise zeigt das Graphen eine ultrahohe elektronische Mobilität und abstimmbare Leitfähigkeit, indem es sein Dotierungsniveau oder sein elektrisches Gitter anpasst [26, 27]. Daher ist es ratsam, Graphen für das AM-Design zu verwenden. Die Leitfähigkeit des Graphens kann durch die Kubo-Formel (1) ausgedrückt werden und umfasst Intraband- und Interband-Beiträge.

Typische Konfiguration eines MFD

wo e , ℏ, k _B , T , und μ _c repräsentieren die Ladung eines Elektrons, die reduzierte Planck-Konstante, die Boltzmann-Konstante, die Kelvin-Temperatur bzw. das chemische Potential. Die Γ ist eine phänomenologische Streurate und wird als energieunabhängig angenommen ε . Somit ist die komplexe Leitfähigkeit σ _s kann durch Abstimmung des chemischen Potentials (μ _c ) mit Vorspannung. Es findet sich in Gl. (1) das für μ _c = 0 eV ist die Leitfähigkeit des Graphens aufgrund der geringen Ladungsträgerdichte in diesem Fall sehr gering. Daher fungiert das Graphen als dielektrisches Substrat. Da die Graphenschicht außerdem sehr dünn ist, hat sie für μ . wenig Einfluss auf die beleuchteten EM-Wellen _c = 0 eV. Allerdings würde die Ladungsträgerdichte des Graphens mit steigendem chemischem Potential (μ _c ) und die komplexe Leitfähigkeit (σ _s ) des Graphens wird mit zunehmendem chemischem Potenzial (μ _c ) [26, 27]. Daher unterstützt das Graphen Oberflächenplasmonenpolaritonen (SPPs) für große μ _c [26, 28,29,30] und die SPPs begrenzen die einfallenden Wellen. Um die SPPs weiter zu verbessern und Wellenabsorption bei bestimmten Frequenzen zu erreichen, sollten periodische Strukturen in die Graphenschicht geätzt werden, um eine Metaoberfläche zu bilden, die AM genannt wird. Daher durch Einstellen von μ _c =0, AM kann als dünnes dielektrisches Substrat betrachtet werden und ist für EM-Wellen fast transparent. Dadurch kann die einfallende EM-Welle auf der PCM-Schicht konzentriert werden und das Gerät arbeitet im PC-Modus. Für ein entsprechend großes μ _c , begrenzen die verbesserten SPPs des AM den größten Teil der einfallenden EM-Welle, wodurch die PCM-Schicht nutzlos wird. Dadurch werden die einfallenden EM-Wellen in der AM-Schicht zerstreut.

Gemäß der obigen Diskussion wird ein Low-Profile-MFD mit goldbasiertem PCM und graphenbasiertem AM vorgeschlagen, wie in 2 gezeigt. 2a ist eine 3D-Ansicht einer Zelle. In der Abbildung ist zu sehen, dass eine Schicht aus goldbasiertem PCM auf die Oberseite des Substrats TOPAS-Polymer gedruckt ist [31]. Das PCM-Muster ist eine duale L-förmige Struktur mit Breitband und guten Polarisationskonversionseigenschaften [18, 19]. Wie in Abb. 2a gezeigt, wird ein Graphen-basierter AM mit einem Abstand h . in das TOPAS-Polymersubstrat eingefügt ₁ zum PCM. Um der Graphen-basierten AM eine dominante Rolle im Absorptionsmodus zu verleihen, sollte die AM starke SPPs bei einem bestimmten chemischen Potenzial (μ _c ), um den größten Teil der einfallenden Leistung zu begrenzen und das PCM zu neutralisieren. Zu diesem Zweck werden Muster von Kreuzschlitzen in eine Graphenschicht geätzt, wie in Abb. 2b gezeigt. Es wird angenommen, dass die Kreuzschlitzmuster periodische Veränderungen bewirken (σ = 0) auf die Gleichförmigkeitskomplex-Leitfähigkeit des Graphens, was zu einer Umordnung und Fokussierung der Ladungsdichte führt. Daher werden SPPs erzeugt und verbessert. Die Cross-Slot-Struktur, wie in Fig. 2b gezeigt, ist in der Lage, Träger und Felder um die Slots herum zu konzentrieren, was starke SPPs gewährleistet. Die Schlitzlängen von l ₁ und l ₂ entscheiden sich dafür, sicherzustellen, dass die Resonanzen des AM in den Betriebsbereich des PCM fallen; daher hat eine Zelle des AM 3  × 3 Kreuzschlitzmuster. Beachten Sie, dass sich PCM und AM unabhängig voneinander bewegen und arbeiten, da ihr Ein-Aus durch das chemische Potenzial (μ _c ); daher könnten das PCM-Muster und das AM-Muster andere Architekturen sein. Das TOPAS-Polymer ist ein ausgezeichnetes Substratmaterial für Breitband-Terahertz-Design, und sein Brechungsindex beträgt ungefähr 1,53 bei sehr geringem Verlust. Zur Totalreflexion ist auf der Unterseite des TOPAS Polymersubstrats eine Goldschicht aufgedruckt. Die Goldschicht wird von einem Substrat getragen, das Si sein kann. Die Dicke des Goldes beträgt 200 nm. Beachten Sie, dass das Trägermaterial keinen Einfluss auf die Leistung des MFD hat, da keine auftreffenden Wellen die Goldschicht durchdringen. Wie aus einer 3D-Ansicht des Arrays in Fig. 2c demonstriert, kann das chemische Potential durch Vorspannen der Spannung eingestellt werden. Das MFD kann durch Wiederholen des Wachstums- und Transferprozesses hergestellt werden [32, 33]. Das Graphen AM soll T . haben = 300 K und Impulsrelaxationszeit τ = 0,1 ps. Für den PC-Modus μ _c = 0 eV. Das chemische Potenzial für den Absorptionsmodus beträgt μ _c = 0,7 eV. Die optimierten Parameter des MFD sind h ₀ = 17 μm, h ₁ = 1,5 μm, l ₀ = 24 μm, W ₀ = 2 μm, l ₁ = 14 μm, l ₂ = 19,8 μm und p = 50 μm.

Schematische Ansicht des vorgeschlagenen MFD mit Absorptions- und Polarisationsumwandlungsmodi. a 3D-Ansicht einer Zelle. b Draufsicht des Graphen-AM in einer Zelle. c 3D-Ansicht des Arrays

Ergebnisse, physikalische Mechanismen und Diskussion

Ergebnisse

Das vorgeschlagene MFD wurde simuliert, und das Polarisationskonversionsverhältnis (PCR) und das Absorptionsvermögen des vorgeschlagenen MFD wurden berechnet. Wie in Abb. 3a gezeigt, werden die Vollwellenanalysen in der CST Studio Suite mit Frequenzbereichslöser durchgeführt. Daher werden Einheitszellengrenzen an den Peripherieseiten festgelegt, und ein Floquet-Port wird an der Spitze des Berechnungsbereichs festgelegt. Zum Vergleich sind in der Abbildung auch die PCR und das Absorptionsvermögen der Struktur ohne AM aufgetragen. Beachten Sie, dass die PCR und das Absorptionsvermögen über die Reflexionskoeffizienten der Struktur berechnet werden können, da aufgrund der Goldschicht keine Transmission stattfindet [34]. Hier sind die Begriffe explizit nach y . definiert -polarisierte Beleuchtung. Das elektrische Feld des y -polarisierte Einfallswelle ist definiert als E _iy , und die reflektierte Welle enthält ein y -polarisiertes elektrisches Feld (E _ry ) und x -polarisierte elektrische Flüchtling (E _rx ). Dann werden die Reflexionskoeffizienten der Ko- und Kreuzpolarisation als r . definiert _yy =E _ry /E _iy und r _xy =E _rx /E _iy , bzw. Daher können die PCR und das Absorptionsvermögen nach Gl. (2) bzw. (3). Beachten Sie, dass die PCR und das Absorptionsvermögen von x -polarisierte Inzidenz kann analog nach Gl. (2) und (3).

PCR und Berechnung des Absorptionsvermögens des vorgeschlagenen MFD. a Simulationsmodell. b Berechnete Ergebnisse des PC-Modus und des Absorptionsmodus; zum Vergleich werden auch die Ergebnisse der Struktur ohne AM gezeigt. b Die PCR und das Absorptionsvermögen der Struktur ohne AM sind als rote Kurve mit ausgefüllter Kreismarkierung bzw. karminrote Kurve mit halbdurchgezogener Kreismarkierung aufgetragen. Für den PC-Modus des vorgeschlagenen MFD werden die PCR und das Absorptionsvermögen als blaue Kurve mit durchgehender fünfzackiger Sternmarkierung bzw. cyanfarbene Kurve mit halbdurchgezogener Deltamarkierung aufgetragen. Für den Absorptionsmodus des vorgeschlagenen MFD wird das Absorptionsvermögen als verdeckte blaue Kurve mit voller Kugelmarkierung aufgetragen

Wie in Abb. 3b gezeigt, arbeitet das MFD im PC-Modus mit μ _c = 0 eV, und es arbeitet im Absorptionsmodus mit μ _c = 0,7 eV. Im PC-Modus arbeitet die Struktur als Polarisationswandler und dreht eine linear polarisierte einfallende Welle in ihre orthogonale Polarisationswelle. Im PC-Modus ist die PCR im 2,1-3,63-THz-Band größer als 0,9 (53,0% bei 2,87 THz), während das Absorptionsvermögen klein ist und im Band zwischen 0,14 und 0,27 liegt. Für die Struktur ohne AM hat sie fast die gleiche PCR-Bande wie der PC-Modus, während ihr Absorptionsvermögen von 0,06 bis 0,09 reicht. Im Absorptionsmodus wird der größte Teil der einfallenden Welle im Band absorbiert, wie in der Abbildung gezeigt. Beachten Sie, dass die PCR-Kurve für den Absorptionsmodus nicht dargestellt wird, da sie bedeutungslos ist. Das Absorptionsvermögen ist im 1,59–4,54-THz-Band größer als 80 % (96,4 % bei 3,06 THz). Daher kann die vorgeschlagene Struktur durch Anpassen des chemischen Potenzials zwischen PC-Modus und Absorptionsmodus wechseln.

Physische Mechanismen

Um die physikalischen Mechanismen der Schalteigenschaften der beiden Moden weiter aufzuzeigen, sind die elektrischen Energiedichten im PC-Mode und im Absorptionsmodus der Struktur in den Fig. 1 und 2 dargestellt. 4 bzw. 5. Die Stromverteilungen des PC-Modus sind auch in Fig. 4 aufgetragen, um die Polarisationsumwandlungscharakteristik anzugeben. Die Stromverteilungen des Absorptionsmodus sind nicht dargestellt, da die Ströme in diesem Modus gedämpft und abgeleitet werden. Beachten Sie, dass die Feldverteilungen erhalten werden unter y -polarisierte Beleuchtung.

Feldverteilungen des PC-Modus (μ _c = 0 eV). a 2,56 THz. b 3,22 THz

Feldverteilungen der Absorptionsmode (μ _c = 0,7 eV). a 1,7 THz. b 3,3 THz

Für den PC-Modus (μ _c = 0 eV) werden zwei Frequenzen von 2,56 THz und 3,22 THz gewählt, um ihre Feldverteilungen in Abb. 4a bzw. b darzustellen. Die linken Teile der Figuren sind die elektrischen Energiedichten und die rechten Teile sind die Ströme. Wie in den Abbildungen gezeigt, sind die Feldverteilungen von 2,56 THz und 3,22 THz einander sehr ähnlich, was ein breites Betriebsband impliziert. Von den elektrischen Energiedichten in den linken Teilen der Abb. 4a, b konzentrieren sich die Energien hauptsächlich auf die L-förmigen Strukturen (PCM). Es wird darauf hingewiesen, dass das PCM eine führende Rolle für μ . spielt _c = 0 eV. Von den Strömen in den rechten Teilen von Fig. 4a, b sind die Ströme sowohl von 2,56 THz als auch von 3,22 THz auch auf das PCM konzentriert, und die Ströme auf dem AM sind schwach. Die Pfeile mit gestrichelter Linie zeigen die Vektoren der Ströme an. Das y -polarisierte Beleuchtungen erzeugen x -Vektorströme auf den L-förmigen Strukturen, die eine Polarisationsumwandlung bewirken.

Für den Absorptionsmodus (μ _c = 0,7 eV) sind die elektrischen Energiedichten von 1,7 THz und 3,3 THz in Abb. 5a bzw. b dargestellt. Wie in der Abbildung gezeigt, verteilen sich die elektrischen Energiedichten der beiden Frequenzen hauptsächlich auf dem AM. Es wurde auch festgestellt, dass die Energien in den Kreuzschlitzmustern fokussiert sind; daher werden SPP-Effekte durch die Kreuzschlitze auf dem AM verstärkt. Die starken SPP-Effekte führen zu einer Feldverstärkung am AM, die dem AM eine dominante Rolle verleihen. Dadurch werden die einfallenden Wellen im AM begrenzt und zerstreut. Es wurde auch festgestellt, dass immer noch einige Energien auf dem PCM gestreut sind, die keine perfekte Absorption bewirken, wie z. B. ein Absorptionsvermögen von 80–90 % im Band.

Diskussion

Um die Eigenschaften des vorgeschlagenen MFD weiter aufzuzeigen, werden in diesem Abschnitt parametrische Studien diskutiert. Abbildung 6a und b zeigen die PCR- bzw. Absorptionseigenschaften in Bezug auf das chemische Potenzial (μ _c ). Wie in Abb. 6a gezeigt, ist ein kleinerer μ _c bedeutet eine geringere Leitfähigkeit des AM, und das PCM spielt eine stärkere Rolle. Daher wird eine gute PCR mit μ . beobachtet _c = 0 eV und verschlechtert sich mit zunehmendem μ _c . Die Absorptionscharakteristik des MFD weist eine fast entgegengesetzte Tendenz auf, wie in Fig. 6b gezeigt. Mit μ _c von 0 auf 1 eV erhöht, werden die SPPs auf dem AM inspiriert und verbessert. Somit werden die einfallenden EM-Wellen im AM begrenzt und die Leistung wird absorbiert. Die μ _c = 0,7 eV wird für die größte Bandbreite gewählt. In Abb. 6a ist auch zu erkennen, dass die PCR-Werte um 1,85 THz für 0,7 eV größer als 80% sind <μ _c < 1 eV; jedoch werden die meisten Befugnisse für diese μ . verbraucht _c s wie in Abb. 6b angegeben. Daher ist das chemische Potenzial (μ _c ) ist ein wertvoller Parameter, um die PCR- und Absorptionseigenschaften anzupassen.

Eigenschaften des vorgeschlagenen MFD für verschiedene chemische Potenziale (μ _c ). a PCR. b Absorption

Das Absorptionsvermögen des Absorptionsmodus für verschiedene Polarisationswinkel (φ ₁ und φ ₂ ) ist in Abb. 7 dargestellt. Wie in Abb. 7a dargestellt, ist das φ ₁ und φ ₂ sind die Winkel der einfallenden elektrischen Felder relativ zu x - und y -Achsen bzw. Entsprechend der symmetrischen Struktur des MFD ist das φ ₁ und φ ₂ variiert von 0 bis 45°. In Abb. 7b als φ ₁ von 0 auf 45° erhöht, das Absorptionsvermögen im Band von 0,8 auf fast 1 erhöht, obwohl das Band mit zunehmendem φ . etwas schmaler wird ₁ . Wie in Abb. 7c gezeigt, ist die Zunahme von φ ₂ verringert das Absorptionsvermögen um 2–3 THz, und es werden zwei Absorptionsbänder um 1,7 THz und 4 THz erhalten.

Die Absorptionseigenschaften des Absorptionsmodus (μ _c = 0.7 eV) bei senkrechtem Einfall für verschiedene Polarisationswinkel (φ ). a Die φ ₁ und φ ₂ sind der Winkel des einfallenden elektrischen Feldes relativ zu x- und y -Achsen bzw. b φ ₁ . c φ ₂

Die Leistung des PC-Modus und des Absorptionsmodus in Bezug auf den Einfallswinkel (θ ) sind in den Fign. 8 und 9 bzw. Abbildung 8a und b zeigen die PCR-Plots von s - und p -polarisierte einfallende Wellen mit einem Einfallswinkel im Bereich von 0 bis 80°. Wie in den Abbildungen gezeigt, verschlechterte sich die PCR mit zunehmendem θ; gute PCR-Eigenschaften werden jedoch auch für θ . erhalten kleiner als 40°. Die PCR-Bandbreite ist stabil zum Einfallswinkel (θ ). Es wurde auch festgestellt, dass die PCR-Leistung von s -polarisierter Einfall ist unempfindlich gegenüber dem Einfallswinkel (θ ) für die Frequenzen um 2,1 THz.

Die PCR-Eigenschaften des PC-Modus (μ _c = 0 eV) für verschiedene Einfallswinkel, beleuchtet von a s -polarisiert und b p -polarisierte Wellen

Die Absorptionseigenschaften des Absorptionsmodus (μ _c = 0.7 eV) für verschiedene Einfallswinkel, beleuchtet von a s -polarisiert und b p -polarisierte Wellen

Für den Absorptionsmodus sind die Absorptionsdiagramme von s - und p -polarisierte einfallende Wellen sind in Abb. 9a bzw. b mit dem Einfallswinkel (θ ) reichte von 0 bis 80°. Im Allgemeinen ist das Absorptionsvermögen der s -polarisierte Inzidenz reduziert mit zunehmendem θ , und das Absorptionsvermögen ist größer als 0,8 für θ kleiner als 30°. Interessant ist, dass das Absorptionsvermögen von p -polarisierte einfallende EM-Welle nahm mit zunehmendem θ . zu .

Der Strukturparameter h ₁ wird auch untersucht, um die vielfältigen Funktionen des Geräts weiter aufzuzeigen. Als h ₁ eingestellt wird, wird die Position des AM geändert. Beachten Sie, dass andere Strukturparameter hier der Einfachheit halber nicht erörtert werden. Abbildung 10a und b zeigen die Ergebnisse des PC-Modus bzw. des Absorptionsmodus. Wie im linken Teil von Abb. 10a gezeigt, ist im PC-Modus das h ₁ hat wenig Einfluss auf die PCR. Im rechten Teil von Abb. 10b sind die Absorptionen auch für h . stabil ₁ von 0,5 bis 16,5 μm, jedoch kleiner h ₁ hat eine größere Absorption. Die Ergebnisse in Abb. 10a bestätigen die Diskussionen im Abschnitt „Methoden“, und der AM wird als dünnes Substrat im PC-Modus betrieben (μ _c = 0 eV). Für den Absorptionsmodus (μ _c = 0.7 eV) spielt die AM eine führende Rolle; daher das h ₁ ist in diesem Modus wichtig. Wie im linken Teil von Abb. 10a gezeigt, ist die Zunahme von h ₁ die Saugfähigkeit verringern. Dies liegt daran, dass die Mehrfachreflexionen und Überlagerungen zwischen dem AM und der Goldschicht wichtig sind, um die SPPs zu inspirieren und die Felder auf dem AM zu verstärken [35]. Im rechten Teil von Abb. 10b wird eine gute PCR für größere h . beobachtet ₁ . Daher wird bei der Gestaltung des MFD der Parameter h ₁ kann nur im Absorptionsmodus berücksichtigt werden, da er wenig Einfluss auf den PC-Modus hat.

Die PCR und Absorption in Bezug auf h ₁ . a PC-Modus (μ _c = 0 eV). b Absorptionsmodus (μ _c = 0,7 eV)

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wird ein MFD mit niedrigem Profil und einfacher Struktur vorgeschlagen, indem goldbasiertes PCM und graphenbasiertes AM kombiniert werden. Das chemische Potenzial (μ _c ) verwendet werden, um die Graphen-basierte AM zu aktivieren oder zu neutralisieren, und dann kann die Struktur von einem Absorber in einen Polarisationswandler umgewandelt werden. Für den PC-Modus ist die PCR im 2,1-3,63-THz-Band größer als 0,9 (53,0% bei 2,87 THz). Für den Absorptionsmodus ist das Absorptionsvermögen im 1,59–4,54-THz-Band größer als 80% (96,4% bei 3,06 THz). Das Design kann auf Terahertz-Bildgebungs-, Sensor-, Photodetektions- und Modulationssysteme angewendet werden.

Abkürzungen

AM:

Absorbierende Metaoberfläche

CP:

Zirkulare Polarisation

EM:

Elektromagnetisch

LP:

Lineare Polarisation

MFD:

Multifunktionsgerät

PC:

Polarisationsumwandlung

PCM:

Polarisationsumwandlungs-Metaoberfläche

PCR:

Polarisations-Umwandlungsverhältnis

SPPs:

Oberflächenplasmonenpolaritonen