Teraherc (THz) tehnologija je korisna u aplikacijama kao što su biomedicinsko snimanje, telekomunikacije i napredni sistemi senzora. Međutim, zbog jedinstvene prirode elektromagnetnih talasa u opsegu od 0.1 do 10 teraherca, bilo je teško razviti komponente visokih performansi koje pokazuju pravi potencijal teraherc tehnologije. Čak i dizajn dijelova u suštini bez komponenti kao što su filteri i apsorberi ostaje veliki izazov.
Na sreću, porast metamaterijala može dovesti do inovativnih rješenja za ove probleme. Zahvaljujući napretku u proizvodnji i tehnologiji obrade, sada je moguće proizvesti dvodimenzionalne (2D) uzorkovane mikrostrukture sa jedinstvenim elektromagnetnim svojstvima u terahercnom opsegu, omogućavajući neviđenu kontrolu signala na ovim frekvencijama.
Iako su različiti 2D metamaterijali (ili "hiperpovršine") predloženi za materijale koji apsorbiraju valove, većina njih još uvijek ima ozbiljna ograničenja. Uobičajeni problem je da kada se identifikuju i izrađuju strukturni načini materijala koji apsorbuje hiperpovršinu, njegova elektromagnetna svojstva su fiksirana.
Ova mogućnost nepodešavanja ograničava moguće primjene takvih uređaja. S druge strane, iako postoje podesivi hiperpovršinski apsorberi na bazi metala, upotreba tankih metalnih slojeva se ne preporučuje. To je zbog nekoliko nedostataka, kao što su poteškoće u proizvodnji potrebnih struktura i loše performanse zbog svojstava metala.
U tom kontekstu, tim dr. Wenhan Caoa na Šangajskom univerzitetu nauke i tehnologije razvio je novi podesivi metapovršinski apsorber baziran na ugljeniku sa ultraširokim podesivim propusnim opsegom u terahercnom opsegu. Ovo istraživanje koje je režirao dr Wenhan Cao nedavno je objavljeno u Advanced Photonics Nexus.
"Jezgro apsorbera koristi grafen i grafitne mikrostrukture kao rezonatore i grafitne slojeve kao površine koje reflektuju unazad." Dr Wenhan Cao objašnjava: "Podjedinice koje se ponavljaju (ili 'ćelije') u ovom teraherc metapovršinskom apsorberu su strateški dizajnirane da optimizuju efikasnost apsorpcije zasnovane na četiri glavna faktora: geometrija, svojstva materijala, polarizaciona osetljivost i mehanizam podešavanja."
Što se geometrije tiče, apsorber se sastoji od tri tanka sloja. Gornji sloj je uzorkovani provodljivi sloj koji sadrži koncentrične grafitne prstenove međusobno povezane grafenskim žicama; drugi sloj je jednostavan dielektrik koji pomaže u raspršivanju neželjenih elektromagnetnih valova; a treći sloj je upijajući sloj koji sprečava teraherc talase da prodru direktno kroz uređaj, čime se maksimizira efikasnost apsorpcije.
Izbor materijala i geometrijski dizajn apsorbera optimizovani su numeričkom analizom i simulacijom, što doprinosi njegovoj izuzetnoj apsorpciji u terahercnom opsegu. Značajno, ključno svojstvo predloženog apsorbera je njegova prilagodljivost, koja proizlazi iz podesivih Fermijevih energetskih nivoa. Ovaj parametar je ključan u materijalima i tehnologiji poluvodiča jer određuje distribuciju elektrona na različitim nivoima energije.
Primjenom napona na sloj grafena, moguće je promijeniti njegov nivo Fermijeve energije i tako lako fino podesiti propusni opseg apsorpcije. Dr Wenhan Cao je naglasio: "Na nivou Fermijeve energije od 1 eV, predloženi apsorber može postići zapanjujuće širok propusni opseg od 8,99 THz, pružajući više od 90% apsorpcije u frekvencijskom opsegu od 7,24 do 16,23 THz, sa dva različita rezonantna vrha na 8,35 THz i 14,70 THz."
Još jedna značajna prednost predloženog dizajna je njegova neosjetljivost na ugao polarizacije upadnog zračenja. Upotreba koncentričnih krugova u ćeliji apsorbera prirodno daje ovo povoljno svojstvo. Krug, koji je savršeno simetričnog oblika, omogućava apsorberu da održi visoku stopu apsorpcije pri upadnim uglovima do 50 stepeni.
Ukratko, mnoge prednosti predloženog dizajna u kombinaciji sa njegovom jednostavnošću predstavljaju pravi proboj u teraherc tehnologiji." Predloženi apsorber nudi ultra tanku, jednostavnu strukturu bez metala sa širokim podesivim opsegom apsorpcije pri maloj debljini, što uvelike poboljšava njegovu primjenjivost Ove prednosti nadmašuju ostale prijavljene apsorbere.
U bliskoj budućnosti, teraherc uređaji će postati dio svakodnevne tehnologije, posebno u oblastima kao što su medicina i komunikacije, kao i istraživački orijentiranim područjima kao što su nauka o materijalima i biologija.
