Appareil multifonctionnel avec fonctions commutables d'absorption et de conversion de polarisation à plage térahertz

Introduction

Les absorbeurs et les convertisseurs de polarisation, capables de réguler les ondes électromagnétiques (EM), sont deux dispositifs cruciaux pour la technologie térahertz. Ils ont des applications importantes dans les capteurs, les photodétecteurs et les modulateurs, et ils sont indispensables dans l'imagerie médicale/le diagnostic, le contrôle et la surveillance de l'environnement, la spectroscopie chimique, le radar haute résolution et la communication à grande vitesse [1,2,3,4]. Les absorbeurs sont utilisés pour absorber et dissiper l'onde électromagnétique incidente, tandis que les convertisseurs de polarisation ont la capacité de réguler l'état de polarisation de l'onde d'éclairage. Ces dispositifs sont largement étudiés ces dernières années [4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24 ].

Les métasurfaces présentent une absorption parfaite dans la gamme des ondes térahertz [5,6,7,8]. Cette métasurface peut être construite par des motifs d'or ou des motifs de graphène. Les motifs en or comprennent un résonateur en anneau couplé et une structure en forme de croix [5], un résonateur en or en forme de croix [6] et des résonateurs en or en forme de croix à trois couches [9]. Cependant, les bandes passantes de ces absorbeurs de métasurface d'or sont assez étroites. Le graphène, qui supporte les plasmons de surface dans la gamme térahertz [10, 11], est un bon matériau pour concevoir un absorbeur à base de métasurface avec une large bande passante. Le motif de graphène en résille atteint une bande passante de 59,4 % à 3,2 THz [12], la structure à double anneau avec résonances plasmoniques hybridées obtient une bande passante de 1,18 à 1,64 THz (32,6 %) [13], les neuf couches de rubans de graphène de différentes tailles réalise une bonne absorption de 3 à 7,8 THz (88,9%) [14], et les bandes de graphène à motif asymétrique à trois couches gravées avec des trous dans [15] ont une bande passante de 84,6% (4,7–11,6 THz). Bien que la monocouche de dichalcogénures de métaux de transition et de réseau de nano-rainures métalliques périodiques ait une bande passante étroite, elle absorbe la lumière dans un grand angle [16]. Dans [17], monocouche MoS₂ est appliqué à un réseau de nano-disques en nitrure de titane, qui atteint une absorption moyenne de 98,1 % dans la bande de 400 à 850 nm (72 %).

D'autre part, les métasurfaces ont de hautes performances en conversion de polarisation. Les métaux nobles, tels que l'or, ont une grande efficacité pour la conception de convertisseurs de polarisation basés sur les métasurfaces. Le double motif en forme de L avec deux réseaux métalliques dans [18] fait pivoter une polarisation linéaire (LP) de 90°. La bande passante du convertisseur dans [18] est de 0,2 à 0,4 THz (66,7 %). Le double motif en forme de L et le réseau avec une résonance de type Fabry-Pérot permettent d'atteindre une bande passante de 0,55 à 1,37 THz (85,4 %) [19]. Les métasurfaces à trois couches forment un convertisseur quart d'onde pour convertir une onde incidente LP en une onde à polarisation circulaire (CP), dans une bande passante de 2,1 à 8 THz (116,8 %) [20]. La structure en anneau semi-elliptique à bande chargée dans [21] est capable de convertir en polarisation croisée à la fois LP et CP avec une bande passante de 2,1 à 2,9 THz (32 %). Les métasurfaces de graphène appliquées au convertisseur de polarisation réalisent généralement la fonction de réglage de la fréquence ou de l'état de polarisation. Les conceptions de [22, 23] obtiennent une rotation de polarisation en gravant périodiquement des fentes/creux sur des feuilles de graphène, et les fréquences de fonctionnement peuvent être réglées dynamiquement en ajustant le potentiel chimique (μ _c ). Les motifs périodiques de graphène [24] et les doubles réseaux croisés de graphène [25] règlent les états de polarisation. La conception de [21] applique des bandes de graphène au sol pour perturber les distributions de champ ; ensuite, le rapport de conversion de polarisation peut être régulé.

Bien que les absorbeurs et les convertisseurs de polarisation mentionnés ci-dessus soient très efficaces, ces dispositifs ont une fonction unique. Ils ne sont pas compatibles avec les systèmes térahertz qui nécessitent des appareils portables, compacts et multifonctionnels. Par conséquent, les appareils multifonctionnels (MFD) sont importants. Dans cette recherche, un MFD, capable de basculer entre le mode d'absorption et le mode de conversion de polarisation, est proposé. Le MFD proposé a une structure simple et discrète en assemblant une métasurface de conversion de polarisation à base d'or (PCM) et une métasurface absorbante à base de graphène (AM). Ensuite, en fixant le potentiel chimique du graphène μ _c = 0 eV, l'AM est neutralisé et le PCM joue un rôle dominant, et l'appareil fait tourner la polarisation d'une onde EM incidente. En définissant μ _c = 0.7 eV, l'AM prend le rôle principal et l'appareil absorbe l'onde EM incidente.

Méthodes

Pour obtenir la capacité de basculer entre les modes de conversion d'absorption et de polarisation (PC), le MFD comprend deux catégories de métasurfaces, comme le montre la figure 1. Un type est la métasurface absorbante (AM) et l'autre type est la métasurface PC (PCM). Une configuration typique du MFD, telle que présentée sur la figure 1, comprend une structure PCM, une structure AM, un miroir métallique et des isolants pour les séparer. On suppose qu'au mode d'absorption, l'AM domine l'onde incidente et dissipe la puissance incidente, et le PCM n'est d'aucune utilité à ce mode. Au mode PC, l'AM doit être neutralisé et le PCM joue un rôle de premier plan; par conséquent, l'état de polarisation de l'onde incidente est converti. Pour atteindre les revendications ci-dessus, le point clé est la neutralisation de l'AM au mode PC. Par conséquent, le matériau accordable doit être utilisé pour construire l'AM, dans lequel les propriétés de l'AM peuvent être réglées. Heureusement, le graphène démontre une mobilité électronique ultra-élevée et une conductivité réglable en ajustant son niveau de dopage ou son réseau électrique [26, 27]. Par conséquent, il est conseillé d'utiliser le graphène pour la conception AM. La conductivité du graphène peut être exprimée par la formule de Kubo (1), et elle inclut les contributions intrabande et interbande.

Configuration type d'un MFD

où e , , k _B , T , et μ _c représentent respectivement la charge d'un électron, la constante de Planck réduite, la constante de Boltzmann, la température de Kelvin et le potentiel chimique. Le Γ est un taux de diffusion phénoménologique, et il est supposé indépendant de l'énergie ε . Ainsi, la conductivité complexe σ _s peut être ajusté en ajustant le potentiel chimique (μ _c ) avec tension de polarisation. Il se trouve dans l'équation. (1) que pour μ _c = 0 eV, la conductivité du graphène est très faible en raison de la faible densité de porteurs dans ce cas. Par conséquent, le graphène fonctionne comme un substrat diélectrique. De plus, comme la couche de graphène est très fine, elle a peu d'impact sur les ondes EM illuminées pour μ _c = 0 eV. Cependant, la densité de porteurs du graphène augmenterait avec l'augmentation du potentiel chimique (μ _c ), et la conductivité complexe (σ _s ) du graphène est stimulé par l'augmentation du potentiel chimique (μ _c ) [26, 27]. Par conséquent, le graphène prend en charge les polaritons de plasmons de surface (SPP) pour les grands μ _c [26, 28, 29, 30], et les SPP confinent les ondes incidentes. Pour améliorer encore les SPP et atteindre l'absorption des ondes à certaines fréquences, des structures périodiques doivent être gravées dans la couche de graphène pour former une métasurface, appelée AM. Par conséquent, en définissant μ _c = 0, l'AM peut être considéré comme un substrat diélectrique mince, et il est presque transparent à l'onde EM. Ainsi, l'onde EM incidente peut être concentrée sur la couche PCM et le dispositif fonctionne en mode PC. Pour un grand μ approprié _c , les SPP améliorés de l'AM confinent la majeure partie de l'onde EM incidente, ce qui rend la couche PCM inutile. Ainsi, les ondes EM incidentes sont dissipées dans la couche AM.

Selon la discussion ci-dessus, un MFD à profil bas avec PCM à base d'or et AM à base de graphène est proposé, comme le montre la figure 2. La figure 2a est une vue 3D d'une cellule. On trouve sur la figure qu'une couche de PCM à base d'or est imprimée sur le dessus du substrat en polymère TOPAS [31]. Le modèle PCM est une structure en forme de L double avec une large bande et de bonnes caractéristiques de conversion de polarisation [18, 19]. Comme le montre la figure 2a, un AM à base de graphène est inséré dans le substrat polymère TOPAS avec une distance h ₁ au PCM. Pour conférer à l'AM à base de graphène un rôle dominant au niveau du mode d'absorption, l'AM doit avoir de forts SPP à un certain potentiel chimique (μ _c ) pour confiner l'essentiel de la puissance incidente et neutraliser le PCM. À cette fin, des motifs de fentes croisées sont gravés dans une couche de graphène, comme le montre la figure 2b. Il est supposé que les motifs à fentes croisées apportent des changements périodiques (σ = 0) à la conductivité complexe d'uniformité du graphène, ce qui conduit à un réarrangement et à une focalisation de la densité de charge. Par conséquent, les SPP sont générés et améliorés. La structure à fentes croisées, comme le montre la figure 2b, est capable de concentrer la porteuse et les champs autour des fentes, ce qui garantit des SPP puissants. Les longueurs de fente de l ₁ et l ₂ choisissent de faire en sorte que les résonances de l'AM entrent dans le champ d'application du PCM ; par conséquent, une cellule de l'AM a 3 × 3 motifs de fentes croisées. Notez que le PCM et l'AM se déplacent et fonctionnent indépendamment car leur marche-arrêt est contrôlé par le potentiel chimique (μ _c ); par conséquent, le modèle PCM et le modèle AM ​​pourraient être d'autres architectures. Le polymère TOPAS est un excellent matériau de substrat pour la conception térahertz à large bande, et son indice de réfraction est d'environ 1,53 avec une très faible perte. Une couche d'or est imprimée au bas du substrat polymère TOPAS pour une réflexion totale. La couche d'or est supportée par un substrat, qui peut être du Si. L'épaisseur de l'or est de 200 nm. Notez que le matériau de support n'a aucun effet sur les performances du MFD car il n'y a pas d'ondes incidentes pénétrant la couche d'or. Comme démontré à partir d'une vue 3D du réseau sur la figure 2c, le potentiel chimique peut être ajusté en polarisant la tension. Le MFD peut être fabriqué en répétant le processus de croissance et de transfert [32, 33]. Le graphène AM est censé avoir T = 300 K et temps de relaxation en quantité de mouvement τ = 0,1 ps. Pour le mode PC, μ _c = 0 eV. Le potentiel chimique pour le mode d'absorption est μ _c = 0,7 eV. Les paramètres optimisés du MFD sont h ₀ = 17 m, h ₁ = 1,5 m, l ₀ = 24 m, W ₀ = 2 m, l ₁ = 14 m, l ₂ = 19,8 m, et p = 50 m.

Vue schématique du MFD proposé avec les modes de conversion d'absorbance et de polarisation. un Vue 3D d'une cellule. b Vue de dessus du graphène AM dans une cellule. c Vue 3D du réseau

Résultats, mécanismes physiques et discussion

Résultats

Le MFD proposé a été simulé, et le rapport de conversion de polarisation (PCR) et l'absorptivité du MFD proposé ont été calculés. Comme le montre la figure 3a, les analyses pleine onde sont effectuées dans CST Studio Suite avec un solveur de domaine fréquentiel. Par conséquent, les limites des cellules unitaires sont définies sur les côtés périphériques et un port floquet est défini au sommet de la région de calcul. La PCR et l'absorptivité de la structure sans AM sont également tracées sur la figure à des fins de comparaison. A noter que la PCR et l'absorptivité peuvent être calculées à travers les coefficients de réflexion de la structure car il n'y a pas de transmission du fait de la couche d'or [34]. Ici, les termes sont explicitement définis selon y -éclairage polarisé. Le champ électrique du y - l'onde d'incidence polarisée est définie comme E _iy , et l'onde réfléchie comprend un y -champ électrique polarisé (E _ry ) et x -fuite électrique polarisée (E _rx ). Ensuite, les coefficients de réflexion de co-polarisation et de polarisation croisée sont définis comme r _aa =E _ry /E _iy et r _xy =E _rx /E _iy , respectivement. Par conséquent, la PCR et l'absorptivité peuvent être calculées par les équations. (2) et (3), respectivement. Notez que la PCR et l'absorptivité de x -l'incidence polarisée peut être calculée de manière analogue selon les équations. (2) et (3).

PCR et calcul de l'absorptivité du MFD proposé. un Modèle de simulation. b Résultats calculés du mode PC et du mode d'absorption ; les résultats de la structure sans AM sont également démontrés à des fins de comparaison. b La PCR et l'absorptivité de la structure sans AM sont représentées respectivement par la courbe rouge avec un cercle plein et la courbe carmin avec un cercle semi-plein. Pour le mode PC du MFD proposé, la PCR et l'absorptivité sont représentées respectivement par la courbe bleue avec une étoile pleine à cinq branches et la courbe cyan avec une marque delta semi-solide. Pour le mode d'absorption du MFD proposé, l'absorptivité est représentée par la courbe bleue cachée avec une marque de sphère pleine

Comme le montre la figure 3b, le MFD fonctionne en mode PC avec μ _c = 0 eV, et cela fonctionne en mode absorption avec μ _c = 0,7 eV. En mode PC, la structure fonctionne comme un convertisseur de polarisation et fait tourner une onde incidente polarisée linéaire vers son onde de polarisation orthogonale. Pour le mode PC, le PCR est supérieur à 0,9 dans la bande 2,11–3,63 THz (53,0 % à 2,87 THz), tandis que l'absorptivité est faible et varie de 0,14 à 0,27 dans la bande. Pour la structure sans AM, il a presque la même bande PCR que le mode PC tandis que son absorptivité varie de 0,06 à 0,09. Dans le mode d'absorption, la majeure partie de l'onde incidente est absorbée dans la bande, comme le montre la figure. Notez que la courbe PCR pour le mode d'absorption n'est pas présentée car elle n'a pas de sens. L'absorptivité est supérieure à 80 % dans la bande 1,59–4,54 THz (96,4 % à 3,06 THz). Par conséquent, en ajustant le potentiel chimique, la structure proposée peut basculer entre le mode PC et le mode d'absorption.

Mécanismes physiques

Pour révéler davantage les mécanismes physiques des caractéristiques de commutation des deux modes, les densités d'énergie électrique au mode PC et le mode d'absorption de la structure sont présentés dans les Fig. 4 et 5, respectivement. Les distributions de courant du mode PC sont également tracées sur la figure 4 pour indiquer la caractéristique de conversion de polarisation. Les distributions de courant du mode d'absorption ne sont pas illustrées car les courants sont atténués et dissipés dans ce mode. Notez que les distributions de champ sont obtenues sous y -éclairages polarisés.

Distributions de champs du mode PC (μ _c = 0 eV). un 2,56 THz. b 3,22 THz

Distributions de champ du mode d'absorption (μ _c =0,7 eV). un 1,7 THz. b 3,3 THz

Pour le mode PC (μ _c = 0 eV), deux fréquences de 2,56 THz et 3,22 THz sont choisies pour présenter leurs distributions de champ aux Fig. 4a et b, respectivement. Les parties gauches des figures sont les densités d'énergie électrique, et les parties droites sont les courants. Comme le montrent les figures, les distributions de champ de 2,56 THz et 3,22 THz sont très similaires, ce qui implique une large bande de fonctionnement. D'après les densités d'énergie électrique dans les parties gauches des figures 4a, b, les énergies sont principalement concentrées sur les structures en forme de L (PCM). Il est indiqué que le PCM joue un rôle de premier plan pour μ _c = 0 eV. D'après les courants dans les parties droites des figures 4a, b, les courants de 2,56 THz et 3,22 THz sont également concentrés sur le PCM et les courants sur l'AM sont faibles. Les flèches en pointillés indiquent les vecteurs des courants. Le y -les illuminations polarisées génèrent x -courants vectoriels sur les structures en forme de L, qui réalisent une conversion de polarisation.

Pour le mode absorption (μ _c =0,7 eV), les densités d'énergie électrique de 1,7 THz et 3,3 THz sont représentées respectivement sur les figures 5a et b. Comme le montre la figure, les densités d'énergie électrique des deux fréquences sont principalement distribuées sur l'AM. On constate également que les énergies sont focalisées dans les motifs à fentes croisées; par conséquent, les effets SPP sont renforcés par les fentes croisées sur l'AM. Les puissants effets SPP conduisent à une amélioration du champ sur l'AM, ce qui confère à l'AM un rôle dominant. Ainsi, les ondes incidentes sont confinées et dissipées dans l'AM. On constate également qu'il existe encore des énergies réparties sur le PCM, qui ne permettent pas une absorption parfaite, comme une absorptivité de 80 à 90 % dans la bande.

Discussion

Pour révéler davantage les caractéristiques du MFD proposé, des études paramétriques sont discutées dans cette section. Les figures 6a et b présentent respectivement les caractéristiques de PCR et d'absorption en termes de potentiel chimique (μ _c ). Comme le montre la figure 6a, un plus petit μ _c signifie une conductivité plus petite de l'AM, et le PCM a un rôle plus important. Par conséquent, une bonne PCR est observée avec μ _c = 0 eV, et il se détériore avec l'augmentation de μ _c . La caractéristique d'absorption du MFD présente une tendance presque contraire, comme le montre la figure 6b. Avec μ _c augmenté de 0 à 1 eV, les SPP sur l'AM sont inspirés et améliorés. Ainsi, les ondes EM incidentes sont confinées dans l'AM et la puissance est absorbée. Le μ _c = 0,7 eV est choisi pour la bande passante la plus large. On remarque également sur la Fig. 6a que les valeurs PCR autour de 1,85 THz sont supérieures à 80% pour 0,7 eV <μ _c < 1 eV ; cependant, la plupart des pouvoirs sont dissipés pour ces μ _c s comme indiqué sur la Fig. 6b. Par conséquent, le potentiel chimique (μ _c ) est un paramètre précieux pour ajuster les caractéristiques de PCR et d'absorption.

Caractéristiques du MFD proposé pour différents potentiels chimiques (μ _c ). un PCR. b Absorption

L'absorptivité du mode d'absorption pour différents angles de polarisation (φ ₁ et φ ₂ ) est illustré à la figure 7. Comme illustré à la figure 7a, le φ ₁ et φ ₂ sont les angles des champs électriques incidents par rapport à x - et y -axes, respectivement. Selon la structure symétrique du MFD, le φ ₁ et φ ₂ varie de 0 à 45°. Dans la figure 7b, comme le φ ₁ augmenté de 0 à 45°, l'absorptivité dans la bande a augmenté de 0,8 à près de 1, bien que la bande se rétrécisse un peu avec l'augmentation de φ ₁ . Comme le montre la figure 7c, l'augmentation de φ ₂ diminue l'absorptivité autour de 2-3 THz, et deux bandes d'absorption sont obtenues autour de 1,7 THz et 4 THz.

Les caractéristiques d'absorption du mode d'absorption (μ _c = 0,7 eV) sous incidence normale pour différents angles de polarisation (φ ). un Le φ ₁ et φ ₂ sont l'angle du champ électrique incident par rapport à x- et y -axes, respectivement. b φ ₁ . c φ ₂

Les performances du mode PC et du mode absorption en terme d'angle d'incidence (θ ) sont présentés dans les Fig. 8 et 9, respectivement. Les figures 8a et b illustrent les tracés PCR de s - et p -ondes incidentes polarisées, respectivement, avec un angle d'incidence compris entre 0 et 80°. Comme le montrent les figures, le PCR s'est détérioré avec l'augmentation de θ; cependant, une bonne caractéristique PCR est également obtenue pour θ inférieur à 40°. La bande passante PCR est stable à l'angle d'incidence (θ ). Il est également constaté que la performance PCR des s -l'incidence polarisée est insensible à l'angle incident (θ ) pour les fréquences autour de 2,1 THz.

Les caractéristiques PCR du mode PC (μ _c = 0 eV) pour différents angles d'incidence, éclairé par a s -polarisé et b p -ondes polarisées

Les caractéristiques d'absorption du mode d'absorption (μ _c = 0,7 eV) pour différents angles d'incidence, éclairé par a s -polarisé et b p -ondes polarisées

Pour le mode d'absorption, les courbes d'absorptivité de s - et p -les ondes incidentes polarisées sont tracées sur les Fig. 9a et b, respectivement, avec l'angle incident (θ ) variait de 0 à 80°. D'une manière générale, l'absorptivité des s -incidence polarisée réduite avec l'augmentation de θ , et l'absorptivité est supérieure à 0,8 pour θ inférieur à 30°. Il est intéressant de constater que l'absorptivité de p - l'onde électromagnétique incidente polarisée augmente avec l'augmentation de θ .

Le paramètre de structure h ₁ est également étudiée pour révéler davantage les multiples fonctions de l'appareil. En tant que h ₁ est ajusté, la position de l'AM est modifiée. Notez que d'autres paramètres de structure ne sont pas abordés ici par souci de simplicité. Les figures 10a et b montrent les résultats du mode PC et du mode d'absorption, respectivement. Comme indiqué dans la partie gauche de la Fig. 10a, en mode PC, le h ₁ a peu d'impact sur le PCR. Dans la partie droite de la figure 10b, les absorptions sont également stables pour h ₁ allant de 0,5 à 16,5 μm, bien que plus petit h ₁ a une plus grande absorption. Les résultats de la figure 10a vérifient les discussions dans la section « Méthodes », et l'AM fonctionne comme un substrat mince en mode PC (μ _c = 0 eV). Pour le mode absorption (μ _c = 0,7 eV), le MA joue un rôle prépondérant; par conséquent, le h ₁ est important dans ce mode. Comme le montre la partie gauche de la figure 10a, l'augmentation de h ₁ diminuer l'absorptivité. C'est parce que les multiples réflexions et superpositions entre l'AM et la couche d'or sont importantes pour inspirer les SPP et améliorer les champs sur l'AM [35]. Dans la partie droite de la figure 10b, une bonne PCR est observée pour les plus grands h ₁ . Par conséquent, dans la conception du MFD, le paramètre h ₁ ne peut être considéré que dans le mode absorption car il a peu d'impact sur le mode PC.

La PCR et l'absorption en termes de h ₁ . un Mode PC (μ _c = 0 eV). b Mode d'absorption (μ _c = 0,7 eV)

Conclusions

En résumé, un MFD à structure simple et discrète est proposé en combinant PCM à base d'or et AM à base de graphène. Le potentiel chimique (μ _c ) peut être utilisé pour activer ou neutraliser l'AM à base de graphène, puis la structure peut être transformée d'absorbeur en convertisseur de polarisation. Pour le mode PC, le PCR est supérieur à 0,9 dans la bande 2,11–3,63 THz (53,0 % à 2,87 THz). Pour le mode d'absorption, l'absorptivité est supérieure à 80 % dans la bande 1,59–4,54 THz (96,4 % à 3,06 THz). La conception peut être appliquée aux systèmes d'imagerie, de détection, de photodétection et de modulation térahertz.

Abréviations

AM :

Métasurface absorbante

CP :

Polarisation circulaire

EM :

Électromagnétique

LP :

Polarisation linéaire

MFD :

Appareil multifonctionnel

PC :

Conversion de polarisation

PCM :

Métasurface de conversion de polarisation

PCR :

Rapport de conversion de polarisation

SPP :

Polaritons de plasmons de surface