テラヘルツ範囲での吸収と偏光変換の切り替え可能な機能を備えた多機能デバイス

はじめに

電磁波（EM）波を調整できる吸収体と偏光変換器は、テラヘルツ技術にとって重要な2つのデバイスです。それらは、センサー、光検出器、および変調器で重要な用途があり、医療画像/診断、環境監視および監視、化学分光法、高解像度レーダー、および高速通信に不可欠です[1,2,3,4]。吸収体は、衝突するEM波を吸収および放散するために使用され、偏光変換器は、照明波の偏光状態を調整する能力を備えています。これらのデバイスは、近年広く研究されています[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24 ]。

メタ表面はテラヘルツ波の範囲で完全に吸収されることがわかっています[5、6、7、8]。このメタサーフェスは、金のパターンまたはグラフェンのパターンで構成できます。金のパターンには、結合リング共振器と十字型構造[5]、十字型金共振器[6]、および3層の十字型金共振器[9]が含まれます。ただし、これらの金のメタ表面吸収体の帯域幅は非常に狭いです。テラヘルツ範囲の表面プラズモンをサポートするグラフェン[10、11]は、広い帯域幅を持つメタ表面ベースの吸収体を設計するための優れた材料です。フィッシュネットグラフェンパターンは、3.2 THzで59.4％の帯域幅を達成し[12]、ハイブリッドプラズモニック共鳴を備えたデュアルリング構造は、1.18〜1.64 THz（32.6％）[13]の帯域幅を達成し、異なるサイズのグラフェンリボンの9層を実現します。 3〜7.8 THz（88.9％）[14]で良好な吸収を実現し、[15]の穴でエッチングされた3層の非対称パターングラフェンストリップの帯域幅は84.6％（4.7〜11.6 THz）です。遷移金属ジカルコゲナイドと周期金属ナノグルーブアレイの単分子層は帯域幅が狭いですが、広角で光を吸収します[16]。 [17]では、単層MoS ₂ 窒化チタンナノディスクアレイに適用され、400〜850 nm（72％）の帯域で平均98.1％の吸収を達成します。

一方、メタサーフェスは偏光変換で高いパフォーマンスを発揮します。金などの貴金属は、メタサーフェスベースの偏光コンバータの設計に高い効率を発揮します。 [18]の2つの金属格子を備えた二重L字型パターンは、直線偏光（LP）を90°回転させます。 [18]のコンバータの帯域幅は0.2〜0.4 THz（66.7％）です。ファブリペローのような共鳴を伴う二重L字型パターンとグレーティングは、0.55〜1.37 THz（85.4％）の帯域幅を実現します[19]。 3層のメタサーフェスは、2.1〜8 THz（116.8％）の帯域幅でLP入射波を円偏波（CP）波に変換する1/4波長コンバーターを形成します[20]。 [21]のストリップロードされた半楕円リング構造は、2.1〜2.9 THz（32％）の帯域幅でLPとCPの両方を交差偏波変換することができます。偏光変換器に適用されるグラフェンメタ表面は、通常、周波数または偏光状態の調整機能を実現します。 [22、23]の設計では、グラフェンシートにスロット/くぼみを周期的にエッチングすることで偏光回転が得られ、化学ポテンシャル（μ）を調整することで動作周波数を動的に調整できます。 _c ）。周期的なグラフェンパターン[24]と二重交差グラフェン格子[25]は、偏光状態を調整します。 [21]の設計では、グラフェンストリップを地面に適用して、フィールド分布を乱しています。次に、偏光変換率を調整できます。

上記の吸収体と偏光変換器は非常に効率的ですが、これらのデバイスは単一の機能です。これらは、ポータブルでコンパクトな多機能デバイスを必要とするテラヘルツシステムには対応していません。したがって、多機能デバイス（MFD）は重要です。本研究では、吸収モードと偏光変換モードを切り替えることができるMFDを提案します。提案されたMFDは、金ベースの偏光変換メタサーフェス（PCM）とグラフェンベースの吸収メタサーフェス（AM）を組み合わせることにより、薄型でシンプルな構造になっています。次に、グラフェンの化学ポテンシャルを設定することによりμ _c =0eV、AMは中和され、PCMが支配的な役割を果たし、デバイスは入射EM波の偏光を回転させます。 μを設定する _c =0.7eV、AMが主な役割を果たし、デバイスは入射EM波を吸収します。

メソッド

吸収モードと偏光変換（PC）モードを切り替える能力を得るために、MFDには図1に示すように2つのカテゴリのメタサーフェスが含まれています。1つは吸収メタサーフェス（AM）で、もう1つはPCメタサーフェス（PCM）です。図1に示すように、MFDの一般的な構成には、PCM構造、AM構造、金属ミラー、およびそれらを分離するための絶縁体が含まれます。吸収モードでは、AMが衝突波を支配し、入射電力を放散すると想定されており、このモードではPCMは役に立ちません。 PCモードでは、AMを無力化し、PCMが主導的な役割を果たします。したがって、入射波の偏光状態が変換されます。上記の主張を達成するための重要なポイントは、PCモードでのAMの中和です。したがって、調整可能な材料を使用してAMを構築する必要があります。この場合、AMのプロパティを調整できます。幸いなことに、グラフェンは、そのドーピングレベルまたは電気格子を調整することにより、超高電子移動度と調整可能な導電率を示します[26、27]。したがって、AM設計にはグラフェンを使用することをお勧めします。グラフェンの導電率は久保公式（1）で表すことができ、バンド内およびバンド間の寄与が含まれます。

MFDの一般的な構成

ここで e 、ℏ、 k _B 、 T 、およびμ _c 電子の電荷、減少したプランク定数、ボルツマン定数、ケルビン温度、および化学ポテンシャルをそれぞれ表します。 Γ は現象論的散乱率であり、エネルギーεとは無関係であると想定されます。 。したがって、複素伝導率σ _s 化学ポテンシャル（μ）を調整することで調整できます _c ）バイアス電圧付き。これは、式（1）にあります。 （1）μの場合 _c =0 eVの場合、この場合のキャリア密度が低いため、グラフェンの導電率は非常に小さくなります。したがって、グラフェンは誘電体基板として機能します。さらに、グラフェン層は非常に薄いため、μの照射EM波への影響はほとんどありません。 _c =0eV。ただし、グラフェンのキャリア密度は、化学ポテンシャル（μ）の増加に伴って上昇します。 _c ）、および複素伝導率（σ _s ）のグラフェンは、化学ポテンシャル（μ）の増加に伴ってブーストされます。 _c ）[26、27]。したがって、グラフェンは大きなμの表面プラズモンポラリトン（SPP）をサポートします _c [26、28、29、30]、そしてSPPは入射波を閉じ込めます。 SPPをさらに強化し、特定の周波数で波の吸収を実現するには、グラフェン層に周期的な構造をエッチングして、AMと呼ばれるメタ表面を形成する必要があります。したがって、μを設定することにより _c =0の場合、AMは薄い誘電体基板と見なすことができ、EM波に対してほぼ透過的です。これにより、入射EM波をPCM層に集中させることができ、デバイスはPCモードで動作します。適切な大きなμの場合 _c 、AMの強化されたSPPは、入射EM波のほとんどを閉じ込めるため、PCM層は役に立ちません。これにより、入射EM波はAM層で放散されます。

上記の議論によれば、図2に示すように、金ベースのPCMとグラフェンベースのAMを備えた薄型MFDが提案されています。図2aはセルの3Dビューです。この図では、金ベースのPCMの1つの層が基板TOPASポリマーの上部に印刷されていることがわかります[31]。 PCMパターンは、広帯域で優れた偏光変換特性を備えたデュアルL字型構造です[18、19]。図2aに示すように、グラフェンベースのAMは、距離 h でTOPASポリマー基板に挿入されます。 ₁ PCMに。グラフェンベースのAMに吸収モードでの支配的な役割を与えるには、AMは特定の化学ポテンシャル（μ）で強いSPPを持つ必要があります。 _c ）入射電力の大部分を制限し、PCMを無力化します。この目的のために、図2bに示すように、クロススロットのパターンがグラフェン層にエッチングされます。クロススロットパターンは周期的な変化（σ）をもたらすと考えられています =0）グラフェンの均一な複素伝導率になります。これにより、電荷密度が再配置および集束されます。したがって、SPPが生成され、拡張されます。クロススロット構造は、図2bに示すように、スロットの周りにキャリアとフィールドを集中させることができ、強力なSPPを保証します。 l のスロットの長さ ₁ および l ₂ AMの共振がPCMの動作範囲に確実に収まるようにすることを選択しています。したがって、AMの1つのセルには3×3のクロススロットパターンがあります。 PCMとAMは、化学ポテンシャル（μ）によってオンオフが制御されるため、独立して移動および動作していることに注意してください。 _c ）;したがって、PCMパターンとAMパターンは他のアーキテクチャである可能性があります。 TOPASポリマーは、広帯域テラヘルツ設計用の優れた基板材料であり、その屈折率は約1.53であり、損失は非常に低くなっています。全反射のために、TOPASポリマー基板の下部に金の層が印刷されています。金の層は、Siの基板で支えられています。金の厚さは200nmです。金の層を貫通する衝突波がないため、サポート材料はMFDのパフォーマンスに影響を与えないことに注意してください。図2cのアレイの3Dビューから示されているように、化学ポテンシャルは電圧にバイアスをかけることで調整できます。 MFDは、成長と移動のプロセスを繰り返すことによって製造できます[32、33]。グラフェンAMは T を持つことになっています =300Kおよび運動量緩和時間τ =0.1ps。 PCモードの場合、μ _c =0eV。吸収モードの化学ポテンシャルはμです _c =0.7eV。 MFDの最適化されたパラメータは h です。 ₀ =17μm、 h ₁ =1.5μm、 l ₀ =24μm、 W ₀ =2μm、 l ₁ =14μm、 l ₂ =19.8μm、および p =50μm。

吸光度および偏光変換モードを備えた提案されたMFDの概略図。 a セルの3Dビュー。 b 1つのセル内のグラフェンAMの上面図。 c アレイの3Dビュー

結果、物理的メカニズム、およびディスカッション

結果

提案されたMFDがシミュレートされ、提案されたMFDの偏光変換比（PCR）と吸収率が計算されました。図3aに示すように、全波解析は、周波数領域ソルバーを備えたCST StudioSuiteで実行されます。したがって、ユニットセルの境界は周辺側に設定され、フロケポートは計算領域の上部に設定されます。比較のために、AMを含まない構造のPCRと吸収率も図にプロットされています。金の層による透過がないため、PCRと吸収率は構造の反射係数から計算できることに注意してください[34]。ここでは、用語は y に従って明示的に定義されています。 -偏光照明。 y の電界 -偏光入射波は E として定義されます _iy​​ 、および反射波には y が含まれます -分極電界（ E _ry ）および x -分極した電気逃げ（ E _rx ）。次に、共偏光と交差偏光の反射係数を r と定義します。 _yy = E _ry / E _iy​​ および r _xy = E _rx / E _iy​​ 、 それぞれ。したがって、PCRと吸収率は次の式で計算できます。それぞれ（2）と（3）。 x のPCRと吸収率に注意してください -偏光発生率は、式（1）に従って同様に計算できます。 （2）と（3）。

提案されたMFDのPCRおよび吸収率の計算。 a シミュレーションモデル。 b PCモードと吸収モードの計算結果。 AMなしの構造の結果も比較のために示されています。 b AMを含まない構造のPCRと吸収率は、それぞれ黒丸のマークが付いた赤い曲線と半黒丸のマークが付いたカーマイン曲線としてプロットされます。提案されたMFDのPCモードの場合、PCRと吸収率は、それぞれ、実線の5点の星印が付いた青い曲線と、半実線のデルタマークが付いたシアンの曲線としてプロットされます。提案されたMFDの吸収モードの場合、吸収率は完全な球のマークが付いた隠れた青い曲線としてプロットされます

図3bに示すように、MFDはμのPCモードで動作します。 _c =0eV、μの吸収モードで動作します _c =0.7eV。 PCモードでは、構造は偏光コンバーターとして動作し、直線偏光の入射波を直交偏光波に回転させます。 PCモードの場合、PCRは2.11〜3.63-THz帯域で0.9より大きく（2.87 THzで53.0％）、吸収率は小さく、帯域で0.14〜0.27の範囲です。 AMのない構造の場合、吸収率は0.06〜0.09の範囲でありながら、PCモードとほぼ同じPCRバンドを持ちます。吸収モードでは、図に示すように、ほとんどの入射波が帯域に吸収されます。吸収モードのPCR曲線は意味がないため、表示されていないことに注意してください。吸収率は、1.59〜4.54-THz帯域で80％を超えています（3.06 THzで96.4％）。したがって、化学ポテンシャルを調整することにより、提案された構造はPCモードと吸収モードを切り替えることができます。

物理的メカニズム

2つのモードのスイッチング特性の物理的メカニズムをさらに明らかにするために、構造のPCモードと吸収モードでの電気エネルギー密度を図1と図2に示します。それぞれ4と5。 PCモードの電流分布も図4にプロットされており、分極変換特性を示しています。吸収モードの電流分布は、電流がこのモードで減衰および散逸されるため、図示されていません。フィールド分布は y で取得されることに注意してください -偏光照明。

PCモードのフィールド分布（μ _c =0eV）。 a 2.56テラヘルツ。 b 3.22 THz

吸収モードの場の分布（μ _c =0.7eV）。 a 1.7テラヘルツ。 b 3.3 THz

PCモードの場合（μ _c =0eV）、2.56THzと3.22THzの2つの周波数を選択して、それぞれ図4aとbに電界分布を示します。図の左側は電気エネルギー密度、右側は電流です。図に示すように、2.56THzと3.22THzの電界分布は互いに非常に類似しており、広い動作帯域を意味します。図4a、bの左側の電気エネルギー密度から、エネルギーは主にL字型構造（PCM）に集中しています。 PCMがμの主導的な役割を果たしていることが示されています _c =0eV。図4a、bの右側の電流から、2.56THzと3.22THzの両方の電流もPCMに集中しており、AMの電流は弱いです。点線の矢印は、電流のベクトルを示しています。 y -偏光照明は x を生成します -分極変換を実現するL字型構造のベクトル電流。

吸収モードの場合（μ _c =0.7eV）、1.7THzと3.3THzの電気エネルギー密度がそれぞれ図5aとbに描かれています。図に示すように、2つの周波数の電気エネルギー密度は主にAMに分布しています。また、エネルギーはクロススロットパターンに集中していることがわかります。したがって、SPP効果は、AMのクロススロットによって強化されます。強力なSPP効果は、AMのフィールド強化につながり、AMに支配的な役割を与えます。これにより、入射波はAMに閉じ込められ、放散されます。また、PCMにはまだいくつかのエネルギーが分散していることがわかります。これは、帯域内の80〜90％の吸収率など、完全な吸収にはなりません。

ディスカッション

提案されたMFDの特性をさらに明らかにするために、このセクションではパラメトリック研究について説明します。図6aおよびbは、化学ポテンシャル（μ）の観点から、それぞれPCRおよび吸収特性を示しています。 _c ）。図6aに示すように、小さいμ _c AMの導電率が小さいことを意味し、PCMの役割が強くなります。したがって、μで良好なPCRが観察されます _c =0eV、μの増加とともに劣化します _c 。 MFDの吸収特性は、図6bに示すようにほぼ逆の傾向を示します。 μを使用 _c 0から1eVに増加すると、AMのSPPは刺激を受け、強化されます。したがって、入射EM波はAMに閉じ込められ、電力が吸収されます。 μ _c =0.7eVが最も広い帯域幅に選択されます。図6aでも、1.85 THz付近のPCR値が0.7eV <μで80％より大きいことがわかります。 _c <1eV;ただし、これらのμではほとんどの電力が消費されます _c s図6bに示すように。したがって、化学ポテンシャル（μ _c ）は、PCRおよび吸収特性を調整するための貴重なパラメータです。

さまざまな化学ポテンシャル（μ）に対する提案されたMFDの特性 _c ）。 a PCR。 b 吸収

さまざまな偏光角（φ）に対する吸収モードの吸収率 ₁ およびφ ₂ ）を図7に示します。図7aに示すように、φ ₁ およびφ ₂ x に対する入射電界の角度です。 -および y -それぞれ軸。 MFDの対称構造によると、φ ₁ およびφ ₂ 0から45°まで変化しました。図7bでは、φとして ₁ φの増加に伴いバンドは少し狭くなりますが、0から45°に増加すると、バンドの吸収率は0.8からほぼ1に増加しました。 ₁ 。図7cに示すように、φの増加 ₂ 2〜3 THz付近で吸収率が低下し、1.7THzと4THz付近で2つの吸収帯が得られます。

吸収モードの吸収特性（μ _c =0.7eV）さまざまな偏光角（φ）の法線入射下 ）。 a φ ₁ およびφ ₂ x-に対する入射電界の角度です。 および y -それぞれ軸。 b φ ₁ 。 c φ ₂

入射角（θ）に関するPCモードと吸収モードの性能 ）を図1および2に示します。それぞれ8と9。図8aおよびbは、 s のPCRプロットを示しています。 -および p -入射角が0〜80°の偏光入射波。図に示すように、PCRはθの増加とともに悪化しました。;ただし、θでも良好なPCR特性が得られます。 40°未満。 PCR帯域幅は入射角（θ）に対して安定しています。 ）。 s のPCR性能も -偏光入射は入射角（θ）の影響を受けません ）2.1THz付近の周波数の場合。

PCモードのPCR特性（μ _c =0 eV） a で照らされた、さまざまな入射角の場合 s -分極化および b p -偏波

吸収モードの吸収特性（μ _c =0.7eV）さまざまな入射角で、 a で照らされます s -分極化および b p -偏波

吸収モードの場合、 s の吸収率プロット -および p -偏光入射波は、それぞれ図9aとbに、入射角（θ）でプロットされています。 ）0から80°の範囲。一般的に言えば、 s の吸収率 -偏光発生率はθの増加とともに減少しました 、およびθの吸収率が0.8より大きい 30°未満。 p の吸収率を見つけるのは興味深いことです -偏光入射EM波はθの増加とともに増加しました 。

構造パラメータ h ₁ デバイスの複数の機能をさらに明らかにするためにも研究されています。 h として ₁ が調整されると、AMの位置が変更されます。簡単にするために、他の構造パラメータについてはここでは説明しないことに注意してください。図10aとbは、それぞれPCモードと吸収モードの結果を示しています。図10aの左側に示すように、PCモードでは、 h ₁ PCRにはほとんど影響がありません。図10bの右側では、吸収も h の間安定しています。 ₁ h は小さいですが、0.5〜16.5μmの範囲です。 ₁ 吸収が大きい。図10aの結果は、「方法」セクションの説明を検証し、AMはPCモード（μ）で薄い基板として動作します。 _c =0eV）。吸収モードの場合（μ _c =0.7eV）、AMが主導的な役割を果たします。したがって、 h ₁ このモードでは重要です。図10aの左側に示すように、 h の増加 ₁ 吸収率を下げます。これは、AMと金の層の間の多重反射と重ね合わせがSPPを刺激し、AMのフィールドを強化するために重要であるためです[35]。図10bの右側では、 h が大きいほど良好なPCRが観察されます。 ₁ 。したがって、MFDの設計では、パラメータ h ₁ PCモードへの影響はほとんどないため、吸収モードでのみ考慮することができます。

h に関するPCRと吸収 ₁ 。 a PCモード（μ _c =0eV）。 b 吸収モード（μ _c =0.7eV）

結論

要約すると、金ベースのPCMとグラフェンベースのAMを組み合わせることにより、薄型でシンプルな構造のMFDが提案されます。化学ポテンシャル（μ _c ）を利用してグラフェンベースのAMを活性化または中和し、構造を吸収体から偏光変換器に変換することができます。 PCモードの場合、PCRは2.11〜3.63-THz帯域で0.9より大きくなります（2.87 THzで53.0％）。吸収モードの場合、吸収率は1.59〜4.54-THz帯域で80％を超えます（3.06 THzで96.4％）。この設計は、テラヘルツイメージング、センシング、光検出、および変調システムに適用できます。

略語

AM：

メタサーフェスの吸収

CP：

円偏光

EM：

電磁気

LP：

直線偏光

MFD：

多機能デバイス

PC：

偏光変換

PCM：

偏光変換メタサーフェス

PCR：

偏光変換率

SPP：

表面プラズモンポラリトン