基于钛酸锶和石墨烯的单独频率和振幅可调谐超材料吸收器

以钛酸锶(STO)和石墨烯为材料，设计了一种具有传感功能的太赫兹超材料吸收器。采用时域有限差分(FDTD)和耦合模式理论(CMT)方法对所设计结构的光学特性进行了模拟和数值计算。结果表明，当STO的温度为300 K，石墨烯的费米能级为1.0 eV时，在0.36 THz和2.18 THz的吸收率分别达到99.8%和92.7%。当STO的温度从250 K设置到400 K时，中心频率从0.32 THz和1.96 THz移动到0.43 THz和2.54 THz。当温度稳定在300 K时，通过将费米能级从1.0 eV调整到0 eV，可以将双窄带吸收转化为单窄带吸收。利用电场分布和阻抗匹配理论分析了双窄带吸收和主动调谐的物理机理。研究了极化方向和入射角对吸收器性能的影响。此外，我们还研究了石墨烯费米能级为0 ev时吸收器的传感特性，该结构对不同折射率的探测灵敏度和meritis值分别为50 GHz/RIU和0.33/ RIU。该结构为未来多功能太赫兹器件的设计提供了新的思路。

图1. 吸收器原理图(a)三维，(b)俯视图，(c)侧视图。

图2. (a)吸收、反射和透射光谱，(b)不同偏振角的吸收图。(c) 0.38THz(峰值1) 和(d) 2.18太赫兹(峰值2)处的电场分布。

图3. (a) FDTD和CMT计算的吸收光谱和(b结构的等效CMT模型。

图4. 钛酸锶介电常数随温度的变化(a)实部，(b)虚部。

图5. (a) STO温度从250k 到 400k的吸收光谱，(b)吸收频率随温度的变化。

图6. (a)石墨烯在费米能级从0 eV到1.0 eV的吸收光谱，(b)吸收率随费米能级的变化。

图7. STO阻抗的温度变化 (a)实部，(b)虚部。

图8. 石墨烯阻抗的费米能级变化(a)实部，(b)虚部。

图9. 不同入射角下的吸收图:(a) TE波入射角，(b) TM波入射角。

图10. 用于检测被测介质折射率变化的结构示意图。

图11. (a)吸收器在不同折射率下的吸收光谱，(b)吸收频率随折射率的变化。

相关研究成果由黑龙江大学电子工程学院Hengli Feng等人于2022年发表在Diamond & Related Materials (https://doi.org/10.1016/j.diamond.2022.109455)上。原文：Individually frequency and amplitude tunable metamaterial absorber with sensing functions based on strontium titanate and graphene。

　　来源：石墨烯研究