基于各向异性石墨烯的超材料：太赫兹多功能器件的新突破

在太赫兹技术领域，如何实现高性能、多功能且可调控的器件一直是研究热点。最近，科学家们提出了一种创新结构，为太赫兹器件的发展带来了新的曙光。这项研究成果发表于《Scientific Reports》，展示了一种在太赫兹频段具有卓越性能的各向异性石墨烯基双曲超材料（AGHMM）缺陷结构，有望在多个领域实现广泛应用。

一、研究背景与意义

光子晶体（PCs）因其对电磁波的操控能力备受关注，一维 PCs 制备成本低、兼容性高，其光子带隙（PBG）可用于设计多种光学器件。引入缺陷可在 PBG 内产生局域化的缺陷模式，基于此，各类有源材料被用作缺陷层，使 PC 及其支持模式可配置。超材料具有特殊光学性质，双曲超材料（HMM）因独特电磁特性成为多功能平台，但传统 HMM 在太赫兹频段制备存在问题，而石墨烯的优异特性为解决这些问题提供了可能。此前研究中，基于超材料的一维缺陷 PC 应用有限，本文提出的结构旨在实现多种功能，在太赫兹应用中具有巨大潜力。

二、结构设计与理论方法

结构设计

研究提出的结构为在一维 PC 中引入 AGHMM 作为缺陷层，层结构沿

平面排列，受沿

轴传播的电磁波照射，入射角为

。PC 由

（

，

）和

（

，

）两种介质材料周期性堆叠而成，缺陷层

由亚波长电介质层（

，

）分隔的石墨烯片堆叠而成（即 AGHMM），其厚度和周期数分别为

和

，背景介质为空气，缺陷两侧 PC 周期数为

。

理论方法

采用三维有限差分时域法（3D FDTD）和各向异性传输矩阵法（TMM）结合有效介质理论（EMT）研究结构光学和电学性质。对于 AGHMM，其相对介电常数张量为

，其中

，

，

，

和

分别由特定公式计算（涉及化学势

、温度

、角频率

等参数）。根据 EMT，AGHMM 的介电常数张量为

，其中

，

。利用 TMM 分析光在结构中的传播，计算反射和透射系数，色散关系由特定公式计算，FDTD 用于验证光学性质，通过设置周期性边界条件和完美匹配层减少反射，提高计算精度。

三、结果与讨论

基本光学特性分析

对结构进行数值分析，计算了 TE 和 TM 极化下的色散曲线和透射谱。一维 PC 因

和

相对介电常数差异有两个宽 PBG，在第一个 PBG（5.42 - 8.64 THz）内引入 AGHMM 缺陷层后，在

处出现尖锐缺陷模式（光学 Tamm 态，OTS），透射率达 99.5%，吸收率极低。通过 FDTD 和 TMM 计算的透射谱吻合良好，验证了结果准确性。改变散射率时，传输峰位置不变，但散射率增加到 4 meV 时，由于石墨烯单层高损耗，峰宽变宽。研究 AGHMM 色散关系发现，存在由石墨烯诱导的光子带隙（GIPBG），其宽度可通过化学势调控，且 GIPBG 内损耗极低，随化学势增加，损耗增加。入射角对 AGHMM 色散关系影响表明，TM 极化时带隙不变，TE 极化时带隙随入射角增加而变宽。在共振频率

下，电场分布显示电场集中在 AGHMM 两侧，OTS 在界面处激发，能量集中在 AGHMM 与硅层界面，光子需隧穿 AGHMM 形成超窄带缺陷模式。

结构参数影响研究

缺陷模式对入射角敏感，随入射角增加，TE 和 TM 极化的缺陷模式频率均升高，TM 极化共振线宽增加，TE 极化不变，这是因为 TM 极化电场垂直分量增加，与 AGHMM 相互作用更强，导致损耗增加。增加 AGHMM 周期数

，透射峰向低频移动；增加电介质层厚度

，共振频率降低且峰变宽，当

增加到 500 nm 时，光子隧穿距离增加，导致透射峰变宽。温度对结构影响研究表明，温度从 100K 增加到 400K 时，缺陷模式向低频轻微移动，灵敏度约为 0.0417 GHz/K，振幅不受影响，结构对温度不高度敏感。

多功能器件应用探讨

电光调制器

：利用石墨烯在太赫兹低频段的特性，通过外加电压改变化学势，实现对光的调制。当化学势从 0 增加到 0.15 eV、0.25 eV 和 0.35 eV 时，缺陷模式共振频率移动，透射率变化，实现了高消光比（24.75 dB）和低插入损耗（0.05 dB）。计算得出切换电压低至 9.94 V，调制速度高达 23.6 kHz，能耗低至 0.66 uJ/bit，性能优于此前报道的太赫兹调制器，在近距离安全通信和星基通信等领域有巨大潜力。

窄带偏振器

：利用结构的各向异性，通过设置化学势和入射角，实现了 TE 和 TM 偏振波的选择性通过。在

时，TE 和 TM 偏振在不同频率处有高隔离度的传输峰，分别为 0.993 和 5.664e - 5（TE），0.998 和 1.343e - 6（TM），工作光谱宽度稳定（TE 为 0.0004 THz，TM 为 0.0012 THz 且随入射角增加而变宽）。计算了偏振器的插入损耗（IL）和偏振消光比（PER），TE 通偏振器在

时 PER 最高达 42.4 dB，IL 低至 0.029 dB；TM 通偏振器在

时 PER 最高达 76.8 dB，IL 低至 0.001 dB。化学势变化可调节偏振器中心频率，实现可调谐功能，在太赫兹显微镜、生物光子学和医学成像等领域有应用前景。

多通道滤波器

：通过在结构中添加更多 AGHMM 缺陷层，实现了多通道滤波功能。以四缺陷结构为例，在正常入射和

时，出现四个传输通道，频率分别为

、

、

、

，峰值振幅不同，电场分布显示电场在 AGHMM 与 PC 界面处强烈增强和集中。计算各通道的 Q 因子高达 75240、28671、30116、75314，远高于其他太赫兹多通道滤波器。研究化学势、入射角和周期数

对滤波器影响发现，入射角增加使传输峰频率升高，TE 极化线宽变窄，TM 极化线宽变宽；化学势增加使共振蓝移；

增加使相邻传输峰频率间隔变小，通道灵活性、结构可调性和高 Q 因子为未来太赫兹通信可调谐器件制造提供了可能。

窄带完美吸收器

：通过优化结构参数（如设置化学势、散射率和 PC 周期数），实现了完美吸收功能。在特定结构下，化学势为 0.25 eV、散射率为 2 meV 时，在

处实现最大吸收（99.8%），Q 因子为 10960，FWHM 为 5.5e - 4 THz，反射率降至 0.002，此时 PC 作为完美布拉格镜反射传播波。FDTD 计算的电场分布显示 OTS 激发的最大电场集中在 PC 与 AGHMM 界面附近。研究入射角、化学势和周期数

对吸收器影响发现，入射角增加使吸收峰频率升高，吸收带宽变窄，幅度变化不同；化学势增加使吸收峰频率升高，幅度先增后减；

增加使吸收峰幅度先增后趋于饱和，

增加使吸收峰幅度先升后降，该吸收器在光子学和光电子学领域的太赫兹应用中具有潜力。

四、制备与测试提议

研究提出的结构可通过化学气相沉积（CVD）法制备，先制备

一维 PC，再在其上构建 AGHMM，最后生长顶部 PC。原子力显微镜（AFM）可用于降低石墨烯粗糙度，增强与

的附着力。使用连续波（CW）激光可测试结构性能，该激光在 0.1 - 10 THz 频率范围具有高分辨率频率选择性，太赫兹脉冲束可聚焦在结构上，透射信号经准直和聚焦后由零偏置肖特基二极管强度探测器检测。

五、研究结论与展望

结论

本研究提出了一种由

交替层和 AGHMM 缺陷层组成的一维 PC 结构，利用 TMM、EMT 和 3D FDTD 理论研究其光学性质，展示了 OTS 模式在 PC 与 AGHMM 界面处的强电场分布。基于此结构设计了电光调制器、窄带可调谐偏振器、多通道滤波器和窄带完美吸收器等多种太赫兹器件，这些器件性能优异，如调制器高消光比、低插入损耗和高调制速度，偏振器高 PER 和低 IL，滤波器多通道和高 Q 因子，吸收器高吸收和窄带宽，展示了结构在太赫兹技术领域的巨大潜力，可应用于通信、生物光子学、医学成像等领域。

展望

未来研究可进一步优化结构设计，提高器件性能，如降低调制电压、增加调制带宽、提高偏振器消光比等；探索更多材料组合和结构参数对器件性能的影响，以满足不同应用需求；研究大规模制备工艺，降低成本，推动基于 AGHMM 的太赫兹器件从实验室走向实际应用，在高速通信、高分辨率成像、生物传感等领域发挥重要作用。

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