一種利用石墨烯構(gòu)建的三維太赫茲超材料結(jié)構(gòu)

一種利用石墨烯構(gòu)建的三維太赫茲超材料結(jié)構(gòu)

3月19日，中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員范文慧課題組，在太赫茲超材料功能器件方面的最新研究成果，以Multiple plasmonic resonance excitations on graphene metamaterials for ultrasensitive terahertz sensing為題，在線發(fā)表在Carbon上，論文第一作者為博士研究生陳徐。


論文提出并研究了一種利用石墨烯構(gòu)建的三維太赫茲超材料結(jié)構(gòu)，通過與太赫茲波的相互作用，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)等離子體共振模式激發(fā)；論文首次提出將這種具有多個(gè)等離子體共振模式的三維超材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用于太赫茲傳感，具有很高的傳感靈敏度，可實(shí)現(xiàn)多頻段太赫茲波超靈敏主動(dòng)傳感和多頻帶完美吸收功能，為太赫茲傳感研究提供了一種創(chuàng)新方法。

太赫茲波主要指頻率在0.1THz——10THz的電磁波，位于紅外波與微波之間，處于宏觀電子學(xué)與微觀光子學(xué)的過渡區(qū)域，具有很多獨(dú)特特性，例如光子能量低、穿透性強(qiáng)、頻譜覆蓋有機(jī)分子和生物大分子的分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)等，有助于開發(fā)全新的光譜分析和無損檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在材料特性檢測(cè)、微電子測(cè)試、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)控、化工和生物識(shí)別、軍事國(guó)防等方面的應(yīng)用。


然而，自然界的常規(guī)材料很難在太赫茲頻段產(chǎn)生有效的電磁響應(yīng)，在研制太赫茲功能器件、實(shí)現(xiàn)太赫茲波有效操控等方面遭遇諸多困難，限制了太赫茲技術(shù)和應(yīng)用的發(fā)展，需要新的創(chuàng)新思路應(yīng)對(duì)太赫茲頻段天然材料匱乏的問題。


通過人為設(shè)計(jì)單元尺寸在亞波長(zhǎng)量級(jí)的微結(jié)構(gòu)陣列，人工電磁超材料可以實(shí)現(xiàn)天然材料不具備的奇特物理性質(zhì)（例如負(fù)折射率、超透鏡、完美吸收等），它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了太赫茲頻段電磁材料的匱乏，可以有效控制太赫茲波的振幅、相位、偏振以及傳輸特性，為實(shí)現(xiàn)太赫茲頻段功能器件提供了有效途徑，有望從根本上突破太赫茲技術(shù)的發(fā)展瓶頸。作為單層碳原子排列的二維平面材料，石墨烯在光、電、力、熱等方面具有十分優(yōu)異的性能，其在太赫茲頻段的電導(dǎo)率可以通過外加偏置電壓動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，因而在主動(dòng)式太赫茲功能器件的研究開發(fā)方面前景廣闊。

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