石墨烯-金属微结构Fano共振太赫兹波调制机制研究

It is very difficult for conventional materials to respond terahertz (THz) waves strongly, how to realize the control of THz waves effectively is an important and interesting research topics. The tunable modulators with high performance are very urgent to the further development of THz technology, especially in the fields of short-range wireless communication, THz image, and biological sample detection. With the merits of high carrier mobility, strong mode confinement, and ultra wide band tunability through electrostatic or magnetic fields, graphene has been shown as a good platform for tunable devices. Theoretical simulation is an important link in the exploration of physical devices. For current THz modulators, there still exist many problems, such as the difficulty to realize tunability and low quality factor. Therefore, based on the hybrid graphene-metals structure patterns, the tunable mechanisms of THz Fano resonance will be theoretically investigated by using the finite-integration and finite-element methods, together with the design of THz modulation devices, including the influences of scattering mechanisms (e.g. electron-phonon scattering, electro-electron scattering and electron-Impurities scattering) and substrate materials. We will predict the device performance and optimize the structure parameters. If this project can be approved, it will be very beneficial and helpful to the development of THz modulation devices in our country and achieve some important research results in the international community.

实现对太赫兹(THz)波的有效操控是THz技术的研究热点和重要内容。研究开发高性能的调制器件对促进THz技术在短程无线通信、物体成像和生物样品检测等诸多应用领域的进一步发展非常必要。石墨烯具有迁移率高、对光模限制作用强和光电性质易于调节等优点，是研究调制器件的良好平台。理论模拟设计是器件研制过程中不可缺少的关键环节。为克服目前THz调制器件中存在的可调谐性差和品质因子低等缺点，本申请项目拟采用有限积分和有限元等电磁模拟方法研究石墨烯-金属复合微结构中Fano共振效应的物理机制，开展THz石墨烯调制器件的研究设计，并对器件性能进行预测评估和结构参数优化，同时考虑各种微观散射机制(如电子-声子散射、电子-电子散射和电子-杂质散射)和衬底材料等因素的影响。如果本申请项目能够实施，将对THz调制器件的研制起到很大的促进作用，并有望在太赫兹器件物理方面取得具有一定国际影响的研究成果。

为实现太赫兹(THz)波的有效操控，基于非对称超构材料中的Fano效应，本项目采用有限积分和有限元等电磁模拟方法，围绕石墨烯-金属复合微结构、互补型石墨烯微结构和全介质超构材料等方面开展工作，重点研究太赫兹波石墨烯器件的调控机制，并开展可调谐器件的设计及优化工作。结果表明对于石墨烯-金属复合微结构，即使两者结构参数相同，由于它们表面等离子激元光学性质的明显差异，也可形成显著的Fano共振谱线，幅值和频率调制深度可以达到90%和50%以上，品质因子(Q-factor)和优化因子(figure of merits, FOM)分别可达到60和20以上。不同于金属微结构的Febry-Perot共振，石墨烯互补型微结构共振谱线的形成机制主要是表面等离子激元共振模式，作为“明态”模式和“暗态”模式的双偶极子和四极子共振模式相互耦合，从而形成新的共振Fano共振谷，通过改变费米能级幅值调制深度可达到90%以上，品质因子和优化因子达到60和20以上。Si基全介质超构材料的共振谱线很窄，品质因子可以达到80以上，但厚度较大(几个微米的量级)；而铁电(SrTiO3)材料具有很高的介电常数和模式限制作用，仅需1-2微米即可实现对THz波的有效束缚，通过在70-320 K范围内调节温度，共振谱线的幅值调制深度和频率调制深度分别可达到95.3%和21.8%。石墨烯中各种载流子散射机制对于超构材料传播特性也有很大影响，室温下声学声子散射起主导作用，随着温度升高光学声子散射逐渐增强；当费米能级为0.5-0.8 eV石墨烯器件性能最佳，随着费米能级的进一步增加，载流子散射时间和迁移率迅速降低，反而不利于器件性能改善。这些成果对研制高性能石墨烯调制器件很有帮助，对于推动THz技术在天文观测、生物样品检测和无线高速通讯方面的应用也有一定的参考意义和价值。