基于T型石墨烯超材料可调电磁诱导透明效应

基于石墨烯电导率的可调性,设计了T型石墨烯纳米超材料结构,实现对电磁诱导透明(EIT)效应的动态调谐。研究发现,当2个石墨烯条互相靠近时,由于二者间存在较强耦合,发生相消干涉,因此出现透明窗口。同时讨论了石墨烯条长度、缝宽、入射偏振角等几何参数对EIT效应的影响。研究结果表明,耦合强度随着缝宽的增加而减弱;随着入射偏振角的增加也呈现减弱趋势;随着石墨烯条长度的增加,透明窗口发生红移现象,且第一个下降峰强度明显增加。此外,当费米能级由0.3 eV增加到0.9 eV时,共振频率由24 THz蓝移至35 THz,且强度增强,证实了改变石墨烯的费米能级,能够调节透明窗口的位置。并且透明窗口附近有明显的群速度延迟(0.05 ps左右),即可以实现对光速的减慢。     

基于石墨烯超材料的宽频带可调太赫兹吸波体

基于二维材料石墨烯,设计了一款宽频带可调谐超材料太赫兹吸波体。该吸波体由三层结构组成,顶层为石墨烯超材料,中间层为二氧化硅,底层为金属薄膜。仿真结果表明,当石墨烯的费米能级为0.7 eV时,该吸波体在1.11~2.61 THz频率范围内吸收率超过90%,相对吸收带宽为80.6%。当石墨烯的费米能级从0 eV增大到0.7 eV时,该吸波体器件的峰值吸收率可以从20.32%增大到98.56%。此外,该吸波体器件还具有极化不敏感和广角吸收的特性。因此,它在太赫兹波段的热成像、热探测、隐身技术等领域具有潜在的应用价值。     

基于混合石墨烯-二氧化钒超材料的太赫兹可调宽带吸收器

提出了一种基于混合石墨烯-二氧化钒超材料的可切换多功能太赫兹宽带吸收器的有效设计。由于单元结构的对称性,该吸收器在电磁波垂直入射时具有极化不敏感特性,并且在宽入射角范围内仍能保持良好的吸收性能。数值仿真结果表明:利用相变材料二氧化钒独特的从绝缘体到全金属态的过渡特性,通过调节其电导率可以动态地调谐宽频吸收谱的幅值。通过施加外部偏置电压来调整石墨烯的费米能级,可将宽频吸收光谱的峰值吸收率从0.226调整至0.992。通过同时改变两个独立可控的参数(二氧化钒的电导率和石墨烯的费米能级),所提出的器件能够在宽频范围内的透明绝缘介质、全反射器和宽带吸收器之间切换。所设计的系统可扩展至红外和可见光波段,为实现高性能太赫兹设备提供了一种新的设计思路。     

基于石墨烯的网格型宽带可调谐太赫兹吸波器

该文提出了一种基于石墨烯的宽带可调谐吸波器,该器件是由网格型石墨烯结构、介质层及金属地板组成。采用CST软件对器件的性能进行了仿真分析,仿真结果显示,当石墨烯费米能级时,在2.97~3.74 THz内,器件对电磁波吸收率达90%。另一方面,器件的工作频率可通过改变石墨烯的费米能级进行动态调控。当石墨烯的费米能级从0.3 eV变到0.8 eV时,器件的工作频率在2.60~4.55 THz内调谐,相对调谐带宽为56%,且在整个调谐频率范围内,器件对电磁波的吸收率始终高于90%。此外,器件的工作性能对入射电磁波的偏振方向和入射角不敏感,因此,该器件在太赫兹成像、太赫兹检测和隐身技术等领域有潜在的应用价值。     

太赫兹多波段的电磁诱导透明设计与分析

设计了一种超材料三维模型,由闭合方环和4个开口谐振方环通过正、反向双开口方环与闭合方环相互耦合来组成,在太赫兹范围内具有多波段电磁诱导透明(EIT)效应。该结构分别实现了在1.21、1.46、1.61、1.98 THz这四波段的电磁诱导透明现象,并且谐振强度均达到0.9左右。通过将结构单元进行拆分并相互对比分析,研究了该超材料结构产生多波段EIT效应的物理机理,并重点分析了开口大小、闭合方环尺寸对EIT强度与带宽的影响。通过对三维立体结构仿真分析可知,所设计的超材料不仅在多个波段获得了较高的折射率灵敏度,还具有高强度、多频点的慢光效应。因此,其在折射率传感与光缓存器件等领域,具有良好的应用前景。     

基于石墨烯的可调谐高吸收率太赫兹超材料

提出一种基于石墨烯的双波段太赫兹超材料吸收体,它由金属-电介质-石墨烯3层超材料结构单元在水平方向上进行周期性拓展而成。仿真结果显示,其在太赫兹波段6.62 THz和 9.36 THz分别产生99.9%和98.9%的高吸收率;通过改变石墨烯的费米能级,可以灵活地控制吸收体的谐振频率和吸收强度,而吸收体的吸收强度也可以利用石墨烯的弛豫时间进行单独控制。另外,研究了吸收体中间介质层厚度和介质损耗对吸收率的影响,这为吸收体初始加工工艺参数的确定提供了依据。研究结果表明,提出的基于石墨烯的太赫兹超材料吸收体结构简单,易于加工,可通过偏置电压或者化学掺杂,简单地实现吸收体的可调谐性,为双波段高吸收率太赫兹超材料吸收体的设计提供了重要参考。     

THz超材料的明暗模式耦合效应

随着人工超材料对电磁诱导透明（EIT）现象的成功模拟,超材料明暗模间的耦合机制引起了广泛关注。回顾了近年来在太赫兹（THz）波段基于人工超材料的明暗模耦合效应的相关研究进展,包括平面结构EIT效应,立体结构EIT效应,明暗模垂直耦合电磁诱导吸收（EIA）效应,以及表面波非对称激发。组成超材料的单元结构内部的模式耦合机制对超材料的远场近场响应具有决定性的作用,其不同的耦合机制在光开关、慢光器件、光传感器、片上系统等的设计方面有重大的潜在应用价值。     

基于类电磁诱导透明的太赫兹超材料传感器性能分析

本文提出了一种基于类电磁诱导透明(Electromagnetically Induced Transparency,EIT)效应的太赫兹超材料折射率传感器.该器件结构单元由介质层和金属层构成,金属层是由四开口环和金属条组合的非对称结构.传感器透射谱产生了尖锐的透明峰,实现了类EIT效应.仿真分析了该器件的传感性能,实现了Q值为92.0、折射率灵敏度为61.0GHz/RIU、品质因数(Figure of Merit,FOM)为8.5的折射率传感功能,远优于对称结构的开口谐振环传感器.这种具有较高Q值、较高灵敏度和偏振不相关性的太赫兹超材料传感器在无标记的化学、生物传感中具有潜在应用价值.     

基于石墨烯的多功能超表面设计

为实现机载天线罩吸波/透射波/反射波功能一体化,设计了一种基于石墨烯和光电二极管(PIN)的宽带吸波/反射波/透射波多功能超表面。当PIN正向导通时,超表面对入射电磁波的透过率接近于0,反射率可以通过改变石墨烯的费米能级进行调节;当石墨烯的费米能级为0.3 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的吸收率超过了90%;当石墨烯能级为0 eV时,超表面在1.55~5.51 GHz范围内的反射系数高达45%。当PIN反向截止时,超表面在4.76 GHz处出现了一个透射峰,石墨烯费米能级为0.3 eV和0 eV时的透射系数分别为61%和71%。设计的超表面具有结构简单、宽带吸波/反射波/透射波多功能等优点,在通信和雷达等领域具有广泛的应用前景。     

基于石墨烯狄拉克点调控和电磁诱导透明的超灵敏太赫兹生物传感器

提出一种由石墨烯和金属铝构成的复合结构的太赫兹超表面生物传感器。超表面由金属铝结构形成类电磁诱导透明谐振，并在铝结构表面通过湿法转移一层石墨烯。通过对石墨烯掺杂蚕丝蛋白来改变石墨烯费米能级，从而改变传感器透射光谱的振幅。实验结果表明，该传感器的检测极限可以达到0.35 ng/mL。利用石墨烯狄拉克点的电磁波调控特性和耦合模型对传感器的工作原理进行分析。在生物医学领域，该生物传感器为微量蛋白的高灵敏检测提供了一种方法。     

利用石墨烯-金属复合结构实现太赫兹电磁诱导透明超表面主动调控

近年来,在超表面中实现对电磁诱导透明的主动式调控引起了越来越多的研究兴趣。采用石墨烯-金属复合结构,设计并研制了一种新颖的调制策略,通过同时施加光泵和偏置电压改变石墨烯的电导率,在太赫兹波段实现了一种主动式电磁诱导透明超表面,其在透射窗口频率处的振幅调制深度可达73%。模拟和理论分析表明,其内在物理机理在于石墨烯对金属谐振结构的短接作用,石墨烯的电导率越大,短接效果越明显,谐振强度也越弱。该石墨烯-金属复合超表面为设计紧凑的主动式太赫兹光开关器件提供了一种实现途径,在太赫兹通信中具有潜在的应用前景。     

Broadband Terahertz Transmission Modulation Based on Hybrid Graphene-Metal Metamaterial

A novel patterned metamaterial, composed of graphene layer and metal periodic array of split ring resonators (SRRs) and cross-shaped resonators (CSRs), with broadband terahertz (THz) wave modulation was proposed and theoretically studied. It demonstrated that a broad passband high transmission of over 96.1% in the frequency range from 1.02 THz to 1.66 THz and two narrow band resonance frequencies f₁ and f₂ could be generated. The modulation depth of transmission was 29.2% when the graphene layer was covered on the metal metamaterial surface, and the modulation depth could be further increased by increasing the Fermi energy of graphene layer and reached approximately 79.5% at 1.0 eV in a broadband THz frequency range. The resonance frequencies of f₁ and f₂ were blue-shifted, and their modulation depths reached about 63.2% and 18%, respectively. These results show that the ultrathin graphene-metal metamaterial exhibits potential to achieve high-performance active THz devices and may offer widespread applications.     

Active Graphene-Based Terahertz Dual-Band Modulator Implemented in the Presence of External Fields

In this work, we numerically demonstrate a dynamic graphene-based dual-band metamaterial modulator (gDMM) in the presence of an external magnetic field and gate electric field. With the objective of modulating terahertz waves at two separate channels, we utilize the proposed dual-field control method to dynamically modulate the optical conductivity of graphene, and thus the working frequencies of the gDMM. An interpretation for such dependence on the external fields is presented based on a quantum understanding of the energy structure of graphene, and a numerical method based on the finite element method (FEM) is employed to investigate the optical responses of our proposed gDMM. Our results show that, by varying the strength of external fields, one can switch the operation status of the two working channels located at 3.18 THz and 9.04 THz, with modulation depths exceeding 84.4%. Only 30 meV of energy is required for shifting the Fermi level to accomplish the switch, which is extremely low compared with methods in previous works using gate electric control alone. Simultaneous ON/OFF statuses are also realized. Such great tunability and controllability of our proposed gDMM over a wide frequency range may give rise to a new class of dynamic devices for terahertz and microwave applications.     

MIM波导结构中的等离激元诱导透明和慢光效应

基于金属/介质/金属(MIM)波导,提出了一种两侧含有双环、四环谐振腔的等离激元波导滤波结构,采用电磁仿真计算了其电磁传输特性,通过场分布分析了透射谱中通带和谷值产生的物理机理。仿真结果表明该结构可实现等离激元诱导透明(PIT),通过改变谐振腔的有效半径,可调节PIT窗口的位置、带宽和慢光效应。计算结果显示在双环和四环谐振结构的PIT窗口,可以实现0.148和0.358ps的信号延迟。这一特性在可调滤波器件、光存储器件和集成光子器件设计上具有潜在应用价值。     

石墨烯可调谐红外分光光电转换集成器件研究

提出了一种基于石墨烯材料的、串联结构的、纳米尺度的单色器与光电转换一体的集成器件。对石墨烯外加偏置电压使其费密能级偏离电荷中性点,偏离的大小决定石墨烯载流子带间跃迁的光子能量阈值。测量光生载流子的变化,可以实现石墨烯光谱吸收特性测量;设计两级串联且外加不同偏置电压的石墨烯与光波导集成的结构,实现窄带光波信号的光电转换和测量;改变偏压可改变通带频率和带宽,实现光谱扫描电信号输出,即得到了石墨烯可调谐光谱分光器件,可取代光谱仪中的单色器和光电转换器,使红外光谱仪实现小型化。