基于各向异性黑磷超材料的可调谐吸波体的研究

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太赫兹波(Terahertz,THz)是介于微波与红外光之间的一种电磁辐射。其具有其它电磁波段所不具备的特殊光电性质,使得太赫兹技术在电子通信、安检、生物传感、全息成像等领域有着广阔的发展前景,从而引起人们的广泛关注。然而,由于传统金属材料存在较大的欧姆损耗,而且尽可能地需要材料与自由空间实现阻抗匹配,导致太赫兹技术在诸多应用领域受到限制。黒磷(Black phosphorous,BP)作为一种具有平面各向异性且具有直接带隙的二维(Two-dimensional,2D)半导体材料,把带隙为零或接近零的石墨烯与带隙较宽的过渡金属双硫族化合物(Transition metal dichalcogenides,TMDs)的特性紧密的连接了起来,在新型电子元器件的开发应用上有着巨大的潜力。本文对基于各向异性黑磷超材料的吸波现象进行了研究。主要研究内容如下:1.研究了基于正弦型各向异性黑磷超材料的宽带可调谐吸波体。通过多层黑磷超材料与底层金属底板共同形成法布里-珀罗谐振腔,完全抑制光的传输,同时正弦黑磷图案的梯度与宽度调制激发连续的等离子体共振,从而实现宽带吸收。通过对模拟结果分析,改变黑磷的扶手椅(armchair)和Z字型(zigzag)方向,并调节载流子掺杂浓度,可以使该吸波体分别在28.7-48μm和29.8-47.5μm处实现近乎完美吸收。由于黑磷材料的独特性和通用性,无论是改变载流子掺杂还是几何参数都可以主动控制其吸收率和吸收带宽。这些结果为设计在红外和太赫兹波段具有可调光谱和极化选择性的各向异性元器件提供了帮助。2.研究了基于硅光栅耦合多层黑磷-介电结构的双波段可调谐太赫兹吸波体。根据黑磷各向异性特性,所设计的吸波体在TE和TM极化时会产生不同的双波段吸收。同时,我们可以通过改变载流子掺杂主动控制其吸收峰的位置和吸收率,并且详细分析了结构尺寸对吸波性能的影响。这种结构可以通过改变介电层厚度或者硅光栅的周期以及厚度进行动态调谐,这为调节各波段的吸波性能提供了灵活的方法。同时,我们还可以通过改变吸波体黒磷-介电结构的层数来选取我们所需的波段及吸收率,并且该吸波体可以在80°大角度入射范围内保持良好的双波段吸收。
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