A Terahertz (THz) technológia olyan alkalmazásokban hasznos, mint az orvosbiológiai képalkotás, a távközlés és a fejlett érzékelőrendszerek. Az elektromágneses hullámok 0,1–10 terahertz tartományba eső egyedi természete miatt azonban nehéz volt olyan nagy teljesítményű alkatrészeket kifejleszteni, amelyek bemutatják a terahertz technológia valódi potenciálját. Még a lényegében alkatrész nélküli alkatrészek, például szűrők és abszorberek tervezése is óriási kihívást jelent.
Szerencsére a metaanyagok térnyerése innovatív megoldásokhoz vezethet ezekre a problémákra. A gyártási és feldolgozási technológiák fejlődésének köszönhetően ma már lehetséges a terahertz tartományban egyedi elektromágneses tulajdonságokkal rendelkező, kétdimenziós (2D) mintázatú mikrostruktúrák elkészítése, amelyek lehetővé teszik a jelek soha nem látott vezérlését ezeken a frekvenciákon.
Bár számos 2D metaanyagot (vagy "hiperfelületet") javasoltak hullámelnyelő anyagokhoz, ezek többségének még mindig komoly korlátai vannak. Gyakori probléma, hogy miután egy hiperfelület-elnyelő anyag szerkezeti módjait azonosították és elkészítették, az elektromágneses tulajdonságai rögzülnek.
Ez a nem hangolhatóság korlátozza az ilyen eszközök lehetséges alkalmazásait. Másrészt, bár léteznek hangolható fém alapú hiperfelületi abszorberek, a vékony fémrétegek használata nem javasolt. Ez számos hátránynak köszönhető, mint például a szükséges szerkezetek elkészítésének nehézsége és a fémek sajátosságaiból adódó gyenge teljesítmény.
Ebben az összefüggésben Dr. Wenhan Cao csapata a Sanghaji Tudományos és Technológiai Egyetemen egy új, szénalapú hangolható metasurface-elnyelőt fejlesztett ki ultraszéles hangolható sávszélességgel a terahertzes tartományban. Ezt a Dr. Wenhan Cao által irányított kutatást a közelmúltban tették közzé az Advanced Photonics Nexusban.
"Az abszorber magja grafént és grafit mikrostruktúrákat használ rezonátorként és grafitrétegeket visszatükröző felületként." Dr. Wenhan Cao elmagyarázza: "Az ismétlődő alegységeket (vagy "sejteket") ebben a terahertzes metasurface-elnyelőben stratégiailag úgy tervezték, hogy négy fő tényező alapján optimalizálják az abszorpciós hatékonyságot: geometria, anyagtulajdonságok, polarizációs érzékenység és hangolási mechanizmus."
A geometriát tekintve az abszorber három vékony rétegből áll. A felső réteg egy mintázott vezető réteg, amely grafénhuzalokkal összekapcsolt koncentrikus grafitgyűrűket tartalmaz; a második réteg egy egyszerű dielektrikum, amely segít eloszlatni a nem kívánt elektromágneses hullámokat; a harmadik réteg pedig egy elnyelő réteg, amely megakadályozza, hogy a terahertz hullámok közvetlenül áthatoljanak az eszközön, ezáltal maximalizálva az abszorpciós hatékonyságot.
Az abszorber anyagválasztását és geometriai kialakítását numerikus elemzéssel és szimulációval optimalizálták, ami hozzájárul a terahertz tartományban történő figyelemre méltó elnyeléshez. Nevezetesen, a javasolt abszorber kulcsfontosságú tulajdonsága a hangolhatósága, amely a hangolható Fermi energiaszintekből fakad. Ez a paraméter döntő fontosságú az anyagok és a félvezető technológiában, mivel ez határozza meg az elektronok eloszlását különböző energiaszinteken.
A grafénréteg feszültségének alkalmazásával megváltoztatható a Fermi energiaszintje, és így könnyen finomhangolható az abszorpciós sávszélesség. Dr. Wenhan Cao hangsúlyozta: "1 eV-os Fermi energiaszint mellett a javasolt abszorber elképesztően széles, 8,99 THz sávszélességet tud elérni, több mint 90%-os abszorpciót biztosítva a 7,24 és 16,23 THz közötti frekvenciatartományban, két különálló rezonanciacsúccsal. 8,35 THz-en és 14,70 THz-en."
A javasolt kialakítás másik jelentős előnye a beeső sugárzás polarizációs szögére való érzéketlensége. A koncentrikus körök használata az abszorber cellájában természetesen ezt a kedvező tulajdonságot eredményezi. A kör tökéletesen szimmetrikus alakja lehetővé teszi, hogy az abszorber magas abszorpciós sebességet tartson fenn akár 50 fokos beesési szögeknél is.
Röviden, a javasolt kialakítás számos előnye az egyszerűségével együtt igazi áttörést jelent a terahertz technológiában." A javasolt abszorber ultravékony, egyszerű fémmentes szerkezetet kínál széles hangolható abszorpciós sávszélességgel alacsony vastagság mellett, ami nagymértékben Ezek az előnyök felülmúlják a többi bejelentett abszorbert.
A közeljövőben a terahertz készülékek a mindennapi technológia részévé válnak, különösen olyan területeken, mint az orvostudomány és a kommunikáció, valamint az olyan kutatás-orientáltabb területeken, mint az anyagtudomány és a biológia.
