Nghiên cứu thiết kế siêu vật liệu hấp thụ hai chiều hoạt động ở vùng tần số THz và ứng dụng trong cảm biến
216 lượt xemDOI:
https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.78.2022.140-150Từ khóa:
THz; siêu vật liệu; hấp thụ hai chiều sóng điện từ, cảm biến chiết suất.Tóm tắt
Các bộ hấp thụ sóng điện từ dựa trên siêu vật liệu (Metamaterials absorber - MMA) thông thường được thiết kế với các bộ cộng hưởng, một mặt phẳng kim loại liên tục và một lớp điện môi kẹp giữa. Sự hấp thụ dựa trên tổn hao ở lớp điện môi gây ra bởi các cộng hưởng từ. Các MMAs như thế chỉ cho phép hấp thụ sóng điện từ theo một chiều truyền đến, chiều còn lại sóng điện từ bị phản xạ hoàn toàn, đồng thời bên ngoài vùng tần số hấp thụ sóng điện từ cũng bị phản xạ gần như hoàn toàn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất một cấu trúc MMA không sử dụng mặt phẳng kim loại liên tục, thay vào đó sử dụng các bộ cộng hưởng cặp đĩa kim loại Vàng. MMA được thiết kế cho hiệu suất hấp thụ cao tại tần số cộng hưởng dựa trên sự chồng chập cộng hưởng điện và cộng hưởng từ. Các kết quả mô phỏng cho thấy, MMA có thể đạt hiệu suất hấp thụ lên đến 98% tại tần số 2,15 THz. Do không có mặt phẳng kim loại nên MMA vẫn cho phép sóng điện từ truyền qua bên ngoài vùng tần số hấp thụ, tính chất này giúp MMA có khả năng ứng dụng linh hoạt và hiệu quả hơn trong các thiết bị THz.
Tài liệu tham khảo
[1]. K. Iwaszczuk, A. C. Strikwerda, K. Fan, X. Zhang, R. D. Averitt, and P. U. Jepsen, “Flexible metamaterial absorbers for stealth applications at terahertz frequencies,” Opt. Express, Vol 20 (2012), pp. 635-643.
[2]. J. Kim, K. Han, K. Fan, X. Zhang, and J. W. Hahn, “Selective dual-band metamaterial perfect absorber for infrared stealth technology,” Sci. Rep, Vol 7 (2017), pp. 6740-9.
[3]. G. Liu, X. Liu, J. Chen, Y. Li, L. Shi, G. Fu, Z. Liu, “Near-unity, full-spectrum, nanoscale solar absorbers, and near-perfect blackbody emitters”, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, Vol 190 (2019), pp. 20-29.
[4]. J. Li, X. Chen, Z. Yi, H. Yang, Y. Tang, Y. Yi, W. Yao, J. Wang, Y. Yi, “Broadband solar energy absorber based on monolayer molybdenum disulfide using tungsten elliptical arrays”, Mater. Today Energy, Vol 16 (2020), pp. 100390-8.
[5]. X. Liu, T. Tyler, T. Starr, A. F. Starr, N. M. Jokerst, W. J. Padilla, “Taming the Blackbody with Infrared Metamaterials as Selective Thermal Emitters”, Phys. Rev. Lett. Vol 107(4) (2011), pp. 45901-45905.
[6]. C. Wu, B. Neuner III, J. John, A. Milder, B. Zollars, S. Savoy, G. Shvets, “Metamaterial-based integrated plasmonic absorber/emitter for solar thermo-photovoltaic systems”, J. Opt. Vol 14(2) (2012), pp. 024005-7
[7]. E. Ashalley, K. Acheampong, L. V. Besteiro, P. Yu, A. Neogi, A. O. Govorov, Z. M. Wang, “Multitask deep-learning-based design of chiral plasmonic metamaterials”, Photonics Res. Vol 8(7) (2020), pp. 1213-1225.
[8]. X. Liu, T. Starr, A. F. Starr, W. J. Padilla, “Infrared Spatial and Frequency Selective Metamaterial with Near-Unity Absorbance”, Phys. Rev. Lett Vol 104(20) (2010), pp. 207403-4.
[9]. B. S. Tung, D. D. Thang, D. H. Luu, V. D. Lam, A. Ohi, T. Nabatame, Y. P. Lee, T. Nagao, H. V. Chung, “Metamaterialenhanced vibrational absorption spectroscopy for the detection of protein molecules”, Sci. Rep. Vol 6 (2016), pp. 32123-7.
[10]. S. Bagheri, N. Strohfeldt, F. Sterl, A. Berrier, A. Tittl, H. Giessen, “Large-area low-cost plasmonic perfect absorber chemical sensor fabricated by laser interference lithography” ACS Sens. Vol 1 (2016), pp. 1148-1154.
[11]. S. Kang, Z. Qian, V. Rajaram, S. D. Calisgan, A. Alù. M. Rinaldi, “Ultra-Narrowband metamaterial absorbers for high spectral resolution infrared spectroscopy”, Adv. Opt. Mater. Vol 7(2) (2019), pp. 1801236-8.
[12]. S. Feng, Y. Zhao, Y-L. Liao, “Dual-band dielectric metamaterial absorber and sensing applications”, Results Phys. Vol 18 (2020), pp. 103272-7.
[13]. N. T. Tung, T. Tanaka, “Characterizations of an infrared polarization-insensitive metamaterial perfect absorber and its potential in sensing applications”, Photonics Nanostructures - Fundam. Appl. Vol 28 (2018), pp. 100-105.
[14]. M. Jiang, F. Hu, Y. Qian, L. Zhang, W. Zhang, J. Han, “Tunable terahertz ban-pass filter based on MEMS reconfigurable metamaterials”, J. Phys. D: Appl. Phys. Vol 53(6) (2019), pp. 065107-8.
[15]. B-X. Wang, Y. He, P. Lou, W. Xing, “Design of a dual-band terahertz metamaterial absorber using two identical square patches for sensing application”, Nanoscale Adv Vol 2 (2020), pp. 763-769.
[16]. J. Zhou, E. N. Economon, T. Koschny, and C. M. Soukoulis, “Unifying
approach to left-handed material design,” Opt. Lett. Vol 31 (2006), pp. 3620-2.
[17]. D. T. Viet, B. S. Tung, L. V. Quynh, N. T. Hien, N. T. Tuan, N. T. Tung, Y. P. Lee, V. D. Lam, “Design, fabrication, and characterization of a perfect absorber using simple cut-wire metamaterials”, Adv. Nat. Sci.:Nanosci. Nanotechnol. Vol 3 (2012), pp. 045014-5.
[18]. D. T. Viet, N. V. Hieu, V. D. Lam, N. T. Tung, “Isotropic metamaterial perfect absorbers using cut-wire-pair structures”, Appl. Phys. Express Vol 8, (2015), pp. 032001-3.
[19]. Z. H. Zhu, C. C. Guo, J. F. Zhang, K. Liu, X. D. Yuan, S. Q. Qin, “Broadband single-layered graphene absorber using periodic arrays of graphene ribbons with gradient width”, Appl. Phys. Express Vol 8(1) (2015), pp. 072602.
