采用混合石墨烯-狄拉克半金属超材料结构的双参数可调宽带太赫兹吸收器

《Physica B: Condensed Matter》：Dual-parameters tunable broadband THz absorber using hybrid graphene-Dirac Semimetal metamaterial structure

该研究设计了一种基于石墨烯-体Dirac半金属（BDS）异质结构的动态双参数调谐多层太赫兹吸收器，通过阻抗匹配实现宽频段（2.20-7.00 THz）高吸收率（>90%）和六吸收峰（>98%），有效带宽4.80 THz，相对带宽104.34%，兼具极化不敏感和角稳定性（60°内）。

　　

李雷宇|方晨|杨文星

中国荆州长江大学物理与光电工程学院，434023

摘要

本文设计了一种具有多层超材料结构的双动态可调、偏振无关、角度稳定的宽带太赫兹吸收器。CST仿真显示，在2.20-7.00 THz范围内（有效带宽4.80 THz，分数带宽95.83%），该吸收器可实现超过90%的吸收率，并具有六个吸收峰（吸收率均超过98%）。这一性能是通过自由空间阻抗匹配实现的。宽带吸收效果源于多层局域表面等离子体共振（LSPR）和材料损耗的协同作用，并且对于TE和TM偏振都保持了90%以上的吸收率，因此该吸收器在微型化宽带太赫兹器件方面具有巨大潜力。

引言

在电磁频谱中，太赫兹（THz）波段通常覆盖0.1到10 THz的频率范围，位于微波和红外辐射之间。它结合了高频信号的高空间分辨率和短脉冲提供的高时间分辨率，在通信[1]、[2]、[3]、[4]、安全检测[5]、[6]、[7]、生物医学成像[8]、[9]以及航空航天遥感[10]、[11]、[12]等领域具有不可替代的应用潜力。由于源和探测器技术的历史限制，这一波段被科学界称为“太赫兹间隙”。自Landy等人[13]在2008年提出并展示了第一个完美的超材料吸收器以来，研究人员开始关注基于超材料的吸收器，应用于多个频谱范围，包括太赫兹波[14]、红外辐射[15]、[16]、[17]、光开关[18]、[19]和可见光[20]、[21]、[22]、[23]。近年来，随着更多超材料系统被用于完美吸收器的设计[24]、[25]、[26]，研究重点转向开发结构简单、易于调节且带宽更宽的吸收器。然而，天然材料对太赫兹波的响应较弱，迫使传统的太赫兹器件主要依赖于基于金属的超材料[27]、[28]。这些基于金属的器件存在两个关键缺点：吸收带宽窄且性能固定，无法动态调节。这些限制使得在复杂场景中实现动态调节变得困难，严重阻碍了太赫兹技术的实际应用。

为了克服这一瓶颈，研究人员转向了具有优异光电特性的新兴低维材料和拓扑材料。石墨烯是一种典型的二维材料，其蜂窝状晶格结构使其在室温下的载流子迁移率极高（高达$$），并且表面导电性可动态调节。通过化学掺杂或费米能级调制，可以在太赫兹频段精确控制其电磁响应[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。然而，仅依赖石墨烯的调节策略仍存在局限性，包括带宽扩展受限和环境稳定性不足，这限制了它们的实际应用。

与此同时，三维狄拉克半金属（BDS），如AlCuFe和$$，由于其线性分散的狄拉克锥电子结构，常被称为“3D石墨烯”[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]。这些材料不仅继承了石墨烯的费米能级可调性，还具有其他材料平台所不具备的优势：它们具有更高的环境稳定性（对温度和湿度变化的耐受性更强），并且具有宏观的可加工厚度，而二维石墨烯则不具备这些特性。与传统的基于金属的超材料（例如Au、Ag）相比，BDS在制造后仍能保持动态可调性。与相变材料（例如VO₂）相比，BDS的电子调制速度更快。值得注意的是，BDS的载流子迁移率在低温下可达到$$，远超石墨烯，为高性能太赫兹器件的调节提供了新的途径。近年来，基于BDS的太赫兹吸收器已经实现了多频段吸收和动态调节。然而，大多数现有设计依赖于单一材料的调节，难以同时满足宽带操作、可调性和稳定性的综合要求。陈等人提出了一种利用微米级结构狄拉克半金属和单层石墨烯工作的宽带吸收器，在38.64-227.76 THz范围内，其平均吸收率达到92%[42]。吴等人设计并研究了一种基于石墨烯-狄拉克半金属混合结构的双控可调宽带太赫兹吸收器，在4.06 - 10.7 THz范围内，其对TE和TM偏振的吸收率均超过90%[50]。熊等人提出了一种基于石墨烯和狄拉克半金属的双控宽带太赫兹吸收器，计算结果显示在4.79 - 8.99 THz范围内，TE和TM偏振的吸收率均超过90%[54]。鉴于石墨烯和BDS的互补优势——石墨烯在强表面等离子体共振调节方面表现优异，而BDS则具有更好的稳定性、更高的迁移率和可调介电响应——将这两种材料结合用于构建具有双重调节机制的太赫兹吸收器已成为研究热点。

本研究设计了一种结合石墨烯和BDS优势的多层太赫兹吸收器。该结构通过两种材料的费米能级调节实现双重主动控制，对称设计确保了偏振独立性。我们通过阻抗匹配理论、场分布和损耗计算系统地分析了吸收机制。该吸收器在2.20-7.00 THz范围内（带宽4.80 THz）实现了超过90%的吸收率，并具有六个接近完美的吸收峰，表现出高达60°入射角度的优异角度稳定性。

结构与方法

图1展示了所设计多层超材料吸收器的三维示意图和几何参数。如图1(a)所示，结构由上层BDS、一层$$介电层、下层BDS（所有BDS的厚度为0.1 μm且费米能级相同）以及一层金层组成。整个结构在x和y方向上的周期为$$，金层厚度为0.2 μm，其导电率为$$[38]。图1(b)是

结果与讨论

首先在正常入射条件下研究了所设计宽带吸收器的吸收特性。石墨烯的费米能级设定为0.7 eV，BDS的费米能级设定为90 meV。吸收器的模拟反射率和吸收率如图3(a)所示。该吸收器在2.20至7.00 THz范围内显示出超过90%的高吸收率，有效吸收带宽为4.80 THz。中心频率定义为[44] $$，其中$$