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)新的應用。

太赫茲（THz）技術(shù)在生物醫(yī)學成像、電信和先進傳感系統(tǒng)等應用上大有用武之地。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計，也仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

幸運的是，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致的性能不佳。

在此背景下，上?？萍即髮W曹文翰博士團隊開發(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。曹文翰博士指導的這項研究最近發(fā)表在《Advanced Photonics Nexus（先進光子學）》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。”曹文翰博士解釋說：“這種太赫茲元表面吸收器中的重復子單元（或稱'單元格'）經(jīng)過戰(zhàn)略性設計，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)諧機制。”

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電層，包含由石墨烯導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計都是通過數(shù)值分析和模擬進行優(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)在材料和半導體技術(shù)中至關重要，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，進而輕松地微調(diào)吸收帶寬。曹文翰博士強調(diào)說：“在費米能級為1 eV時，所提出的吸收器可以達到驚人的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。”

所提出的設計的另一個顯著優(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 50° 時仍能保持較高的吸收率。

總之，所提出的設計的諸多優(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，太赫茲設備將成為日常技術(shù)的一部分，尤其是在醫(yī)學和通信等領域，以及材料科學和生物學等更具研究性的領域。

曹文翰，博士，上?？萍即髮W信息學院助理教授、研究員、博導。2015年于復旦大學信息學院獲得本科學位，2020年于美國波士頓大學獲得博士學位，2021年入選上海市海外高層次人才計劃。曹文翰博士于2021年加入上海科技大學信息科學與技術(shù)學院后摩爾器件與集成系統(tǒng)中心，主持國家自然科學基金等多項項目，并擔任全國納米技術(shù)標委會低維納米委員會委員、中國光學工程學會高級會員、中國通信學會第一屆太赫茲通信委員會委員。他的研究領域主要包括柔性電子器件、軟體機器人、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。擔任中國激光雜志社Chinese Optics Letters雜志青年編委。