一种利用石墨烯构建的三维太赫兹超材料结构

一种利用石墨烯构建的三维太赫兹超材料结构

3月19日，中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室研究员范文慧课题组，在太赫兹超材料功能器件方面的最新研究成果，以Multiple plasmonic resonance excitations on graphene metamaterials for ultrasensitive terahertz sensing为题，在线发表在Carbon上，论文第一作者为博士研究生陈徐。


论文提出并研究了一种利用石墨烯构建的三维太赫兹超材料结构，通过与太赫兹波的相互作用，可以实现多个等离子体共振模式激发；论文首次提出将这种具有多个等离子体共振模式的三维超材料结构应用于太赫兹传感，具有很高的传感灵敏度，可实现多频段太赫兹波超灵敏主动传感和多频带完美吸收功能，为太赫兹传感研究提供了一种创新方法。

太赫兹波主要指频率在0.1THz——10THz的电磁波，位于红外波与微波之间，处于宏观电子学与微观光子学的过渡区域，具有很多独特特性，例如光子能量低、穿透性强、频谱覆盖有机分子和生物大分子的分子振动和转动能级等，有助于开发全新的光谱分析和无损检测技术，实现在材料特性检测、微电子测试、医学诊断、环境监控、化工和生物识别、军事国防等方面的应用。


然而，自然界的常规材料很难在太赫兹频段产生有效的电磁响应，在研制太赫兹功能器件、实现太赫兹波有效操控等方面遭遇诸多困难，限制了太赫兹技术和应用的发展，需要新的创新思路应对太赫兹频段天然材料匮乏的问题。


通过人为设计单元尺寸在亚波长量级的微结构阵列，人工电磁超材料可以实现天然材料不具备的奇特物理性质（例如负折射率、超透镜、完美吸收等），它的出现弥补了太赫兹频段电磁材料的匮乏，可以有效控制太赫兹波的振幅、相位、偏振以及传输特性，为实现太赫兹频段功能器件提供了有效途径，有望从根本上突破太赫兹技术的发展瓶颈。作为单层碳原子排列的二维平面材料，石墨烯在光、电、力、热等方面具有十分优异的性能，其在太赫兹频段的电导率可以通过外加偏置电压动态调节，因而在主动式太赫兹功能器件的研究开发方面前景广阔。

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