Die Terahertz-Technologie (THz) ist in Anwendungen wie der biomedizinischen Bildgebung, der Telekommunikation und fortschrittlichen Sensorsystemen nützlich. Aufgrund der einzigartigen Natur elektromagnetischer Wellen im Bereich von 0,1 bis 10 Terahertz war es jedoch schwierig, Hochleistungskomponenten zu entwickeln, die das wahre Potenzial der Terahertz-Technologie demonstrieren. Selbst die Konstruktion von im Wesentlichen komponentenlosen Teilen wie Filtern und Absorbern bleibt eine große Herausforderung.
Glücklicherweise könnte der Aufstieg von Metamaterialien zu innovativen Lösungen für diese Probleme führen. Dank Fortschritten in der Herstellungs- und Verarbeitungstechnologie ist es nun möglich, zweidimensionale (2D) strukturierte Mikrostrukturen mit einzigartigen elektromagnetischen Eigenschaften im Terahertz-Bereich herzustellen, was eine beispiellose Kontrolle von Signalen bei diesen Frequenzen ermöglicht.
Obwohl eine Vielzahl von 2D-Metamaterialien (oder „Hyperoberflächen“) für wellenabsorbierende Materialien vorgeschlagen wurden, weisen die meisten von ihnen immer noch erhebliche Einschränkungen auf. Ein häufiges Problem besteht darin, dass seine elektromagnetischen Eigenschaften festgelegt sind, sobald die Strukturmodi eines hyperoberflächenabsorbierenden Materials identifiziert und hergestellt wurden.
Diese Nichtabstimmbarkeit schränkt die möglichen Anwendungen solcher Geräte ein. Obwohl es abstimmbare Hyperflächenabsorber auf Metallbasis gibt, wird andererseits von der Verwendung dünner Metallschichten abgeraten. Dies ist auf mehrere Nachteile zurückzuführen, beispielsweise auf die Schwierigkeit, die erforderlichen Strukturen herzustellen, und auf die schlechte Leistung aufgrund der inhärenten Eigenschaften von Metallen.
In diesem Zusammenhang hat das Team von Dr. Diese von Dr. Wenhan Cao geleitete Forschung wurde kürzlich in Advanced Photonics Nexus veröffentlicht.
„Der Kern des Absorbers nutzt Graphen- und Graphit-Mikrostrukturen als Resonatoren und Graphitschichten als rückreflektierende Oberflächen.“ Dr. Wenhan Cao erklärt: „Die sich wiederholenden Untereinheiten (oder ‚Zellen‘) in diesem Terahertz-Metaoberflächenabsorber wurden strategisch entwickelt, um die Absorptionseffizienz basierend auf vier Hauptfaktoren zu optimieren: Geometrie, Materialeigenschaften, Polarisationsempfindlichkeit und Abstimmungsmechanismus.“
Der Absorber besteht geometrisch aus drei dünnen Schichten. Die oberste Schicht ist eine strukturierte leitfähige Schicht, die konzentrische Graphitringe enthält, die durch Graphendrähte miteinander verbunden sind. die zweite Schicht ist ein einfaches Dielektrikum, das dabei hilft, unerwünschte elektromagnetische Wellen abzuleiten; und die dritte Schicht ist eine absorbierende Schicht, die verhindert, dass Terahertz-Wellen direkt durch das Gerät dringen, wodurch die Absorptionseffizienz maximiert wird.
Die Materialauswahl und das geometrische Design des Absorbers werden durch numerische Analyse und Simulation optimiert, was zu seiner bemerkenswerten Absorption im Terahertz-Bereich beiträgt. Eine Schlüsseleigenschaft des vorgeschlagenen Absorbers ist insbesondere seine Abstimmbarkeit, die auf den abstimmbaren Fermi-Energieniveaus beruht. Dieser Parameter ist in der Material- und Halbleitertechnologie von entscheidender Bedeutung, da er die Verteilung von Elektronen in verschiedenen Energieniveaus bestimmt.
Durch Anlegen einer Spannung an eine Graphenschicht ist es möglich, deren Fermi-Energieniveau zu ändern und so die Absorptionsbandbreite einfach anzupassen. Dr. Wenhan Cao betonte: „Bei einem Fermi-Energieniveau von 1 eV kann der vorgeschlagene Absorber eine erstaunlich große Bandbreite von 8,99 THz erreichen und eine Absorption von mehr als 90 % im Frequenzbereich von 7,24 bis 16,23 THz mit zwei deutlichen Resonanzspitzen bieten.“ bei 8,35 THz und 14,70 THz.“
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des vorgeschlagenen Designs ist seine Unempfindlichkeit gegenüber dem Polarisationswinkel der einfallenden Strahlung. Die Verwendung konzentrischer Kreise in der Zelle des Absorbers führt natürlich zu dieser günstigen Eigenschaft. Da der Kreis eine perfekt symmetrische Form hat, kann der Absorber eine hohe Absorptionsrate bei Einfallswinkeln von bis zu 50 Grad aufrechterhalten.
Kurz gesagt stellen die vielen Vorteile des vorgeschlagenen Designs in Kombination mit seiner Einfachheit einen echten Durchbruch in der Terahertz-Technologie dar.“ Der vorgeschlagene Absorber bietet eine ultradünne, einfache metallfreie Struktur mit einer großen einstellbaren Absorptionsbandbreite bei geringer Dicke, was enorm ist verbessert seine Anwendbarkeit. Diese Vorteile übertreffen die anderer berichteter Absorber.
In naher Zukunft werden Terahertz-Geräte Teil der alltäglichen Technologie sein, insbesondere in Bereichen wie Medizin und Kommunikation, aber auch in stärker forschungsorientierten Bereichen wie Materialwissenschaften und Biologie.
