Modulação Ligado-Desligado de Modo Duplo da Transparência Induzida por Plasmon e Efeito de Acoplamento em Metassuperfície Terahertz Padronizada Baseada em Grafeno

Resumo

A transparência induzida por plasmon (PIT), que é a interferência destrutiva entre o modo de super-radiação e o modo de sub-radiação, é estudada em metassuperfície terahertz baseada em grafeno padronizada composta de fitas de grafeno e fitas de grafeno. Como os resultados da simulação no domínio do tempo de diferenças finitas (FDTD) e do ajuste da teoria do modo acoplado (CMT), o PIT pode ser modulado dinamicamente pelo modo duplo. A queda de transmissão para a esquerda (direita) é principalmente ajustada pela tensão de porta aplicada às fitas de grafeno (faixas), respectivamente, o que significa que um modulador liga-para-desligado de modo duplo é realizado. Surpreendentemente, uma absorbância de 50% e propriedade de luz lenta de 0,7 ps também são alcançadas, demonstrando que a meta-superfície PIT proposta tem aplicações importantes em absorção e luz lenta. Além disso, os efeitos de acoplamento entre as fitas de grafeno e as fitas de grafeno na metassuperfície PIT com diferentes parâmetros estruturais também são estudados em detalhes. Assim, a estrutura proposta fornece uma nova base para os moduladores multifuncionais dual-mode on-off.

Introdução

Atualmente, os polaritons plasmônicos de superfície (SPPs), como transportadores para a transmissão de informações e energia, tornaram-se um ponto importante de pesquisa na óptica de subcomprimentos de onda. Geralmente, eles são produzidos pela interação entre os fótons no campo de luz incidente e os elétrons na superfície metálica ou isolante [1, 2]. Os SPPs facilitam o desenvolvimento e a fabricação de circuitos ópticos e fotônicos altamente integrados devido às suas propriedades ópticas exclusivas. Em primeiro lugar, eles são modos não radiativos com excelentes efeitos de aprimoramento de campo próximo. Em segundo lugar, os SPPs podem romper a limitação da difração óptica tradicional e localizar a luz na faixa de sub comprimentos de onda [3]. Em terceiro lugar, suas propriedades dependem dos parâmetros físicos do material circundante. Portanto, os guias de onda metal-dielétrico-metal (MDM) baseados em SPPs têm sido amplamente estudados por estudiosos devido à sua baixa perda de flexão, forte capacidade local e baixa dificuldade de fabricação. Ao mesmo tempo, muitos tipos de guias de onda plasmônica MDM têm sido propostos, como divisores [4, 5], desmultiplexadores [6, 7], filtros [8,9,10] e sensores [11, 12]. No entanto, é particularmente inconveniente obter uma frequência ou comprimento de onda específico que o guia de ondas MDM só possa ser modulado estaticamente. O grafeno, como uma estrutura em colmeia plana bidimensional pode suportar a propagação dos SPPs na faixa do infravermelho médio e THz, torna-se o candidato mais promissor em muitos materiais plasmônicos devido a muitas propriedades ópticas excelentes, como forte localidade, baixa perda, próximo aprimoramento de campo, ajuste dinâmico, etc [13, 14]. Consequentemente, a óptica plasmônica baseada em grafeno tem sido usada em muitas aplicações, por exemplo, detecção de luz [15, 16], absorção [17,18,19], comutação [20] e outros fenômenos fascinantes, como óptica não linear [21 , 22] e transparência induzida por plasmon (PIT) [23,24,25,26]. O efeito PIT, que é o resultado da interferência destrutiva entre o modo de super-radiação e o modo de sub-radiação, produziu uma variedade de aplicações plasmônicas, por exemplo, comutação plasmônica [20, 27], propagação de luz lenta [28], imagem holográfica [ 29] e armazenamento óptico [30]. Para alcançar tal interação complexa entre a luz e a matéria, o PIT pode ser obtido em fitas de grafeno heterogêneas [31], grafeno de camada única ou multicamadas [32,33,34] e metassuperfícies baseadas em grafeno [35] . No entanto, esses dispositivos plasmônicos não são apenas um tanto complicados em design, mas também monomodo em termos de modulação. Além disso, é principalmente que a frequência de ressonância será ajustada manipulando o nível de Fermi do grafeno na modulação da maioria dos dispositivos plasmônicos. Uma vez que a transmitância do PIT é desprezada, a modulação on-to-off não pode ser realizada.

Neste estudo, a meta-superfície PIT proposta, que consiste nas fitas e fitas de grafeno periódicas, é mais fácil de implementar e fabricar. Por meio da deposição química de vapor (CVD) [36], as fitas de grafeno e as fitas de grafeno podem ser cultivadas na folha de cobre, que são transferidas para um substrato plano por técnicas de transferência a seco e úmido. Essa técnica produz menos rasgos, rachaduras e menor resistência da folha. Em segundo lugar, uma das vantagens mais significativas é que o mergulho de transmissão esquerdo (direito) é afetado principalmente pela tensão de porta aplicada às fitas de grafeno (faixas), respectivamente, o que significa que a modulação de modo duplo liga para desliga pode ser realizada. Em terceiro lugar, mesmo que o nível de grafeno de Fermi seja baixo, a absorção da metassuperfície proposta pode chegar a 50%, demonstrando um absorvedor extraordinário. Finalmente, quando a mobilidade da fita de grafeno e da fita de grafeno são ambas de 3 m ² / (Vs), o atraso do grupo pode ser tão alto quanto 0,7 ps, representando a metassuperfície proposta também tem funções distintas de luz lenta. Além disso, os efeitos de acoplamento entre as fitas de grafeno e as fitas de grafeno na metassuperfície PIT com diferentes parâmetros estruturais também são estudados em detalhes. Portanto, esta pesquisa estabelece uma base sólida para o modulador multifuncional de modo duplo liga-desliga.

Métodos

A configuração da metassuperfície PIT composta de grafeno de camada única padronizado, os eletrodos, os fios de metal finos e o substrato de silício é ilustrada na Fig. 1a. As fitas de grafeno são conectadas com o eletrodo esquerdo para modular seus níveis de Fermi pela tensão da porta V _{g 1} . Além disso, as tiras de grafeno são conectadas com o eletrodo correto usando fios de metal finos e uma tensão de porta V _{g 2} é aplicado para modular seus níveis de Fermi [37, 38]. As tensões da porta V _{g 1} e V _{g 2} podem, respectivamente, modular os níveis de Fermi das fitas de grafeno e as fitas de grafeno para realizar ainda mais a modulação de modo duplo do PIT. Vale ressaltar que a influência no efeito de transmissão pode ser ignorada devido ao pequeno tamanho dos fios de conexão [39]. Na Fig. 1b, o nível de Fermi E _f de grafeno de camada única pode ser modulado indiretamente pela tensão da porta, que pode ser expressa como [40]:
$$ {E} _f =\ hslash {\ upsilon} _F \ sqrt {\ frac {\ pi {\ varepsilon} _0 {\ varejpsilon} _d {V} _ {\ mathrm {g}}} {e {d} _0 }} $$ (1)

Aqui, ħ , ε _d , ε ₀ , e , d ₀ , e v _F são a constante de Planck reduzida, a permissividade estática do silício, a permissividade do vácuo, a carga do elétron, a espessura do silício e a velocidade de Fermi, respectivamente. Vale a pena mencionar que a concentração de portadores é tão alta quanto 4 × 10 ¹⁸ m ⁻² na folha de grafeno foi observada através do emprego de uma porta eletrolítica, o que significa E _f =1,17 eV [41]; usando este método, o nível de energia de Fermi do grafeno pode ser modificado experimentalmente de 0,2 eV para 1,2 eV após a aplicação de uma alta tensão de polarização [42]. A unidade estrutural da meta-superfície PIT proposta, que consiste em uma fita de grafeno e uma fita de grafeno colocada no substrato de silício, conforme ilustrado na Fig. 1c. A periodicidade é considerada como L _x e L _y; a distância de acoplamento entre a fita de grafeno e a fita de grafeno é d ; o deslocamento lateral da tira de grafeno é S .

A condutividade óptica de uma folha de grafeno de camada única é composta principalmente de contribuições inter e intra-banda [43,44,45], que podem ser expressas como
$$ \ varejpsilon \ left (\ omega \ right) =1 + \ frac {\ sigma_g} {\ varejpsilon_0 \ omega \ varDelta} i. $$ (2) $$ {\ sigma} _g ={\ sigma} ^ {\ mathrm {intra}} + {\ sigma} ^ {\ mathrm {inter}}. $$ (3) $$ {\ sigma} ^ {\ mathrm {intra}} =\ frac {2i {e} ^ 2 {k} _BT} {\ pi {\ hslash} ^ 2 \ left (\ omega + i {\ tau} ^ {- 1} \ right)} Em \ left [2 \ cosh \ left (\ frac {E_f} {2 {k} _BT} \ right) \ right]. $$ (4) $$ {\ sigma} ^ {\ mathrm {inter}} =\ frac {i {e} ^ 2 \ left (\ omega + i {\ tau} ^ {- 1} \ right)} { 4 \ pi {k} _BT} {\ int} _0 ^ {+ \ infty} \ frac {G \ left (\ xi \ right)} {\ hslash ^ 2 {\ left (\ omega + i {\ tau} ^ {-1} \ right)} ^ 2 / {\ left (2 {k} _BT \ right)} ^ 2 - {\ xi} ^ 2} d \ xi. $$ (5)
Aqui, G ( ξ ) =sinh ( ξ ) / [cosh ( E _f / k _B T ) + cosh ξ ], onde ξ = ε / k _B T . Além disso, ω , k _B , σ _g , σ _inter e σ _intra são a frequência angular da luz incidente, a constante de Boltzmann, a condutividade do grafeno de camada única, as contribuições inter-banda e intra-banda, respectivamente. Neste trabalho, a temperatura ambiente é T =300 K; a espessura do grafeno é Δ =0,34 nm. σ _inter pode ser ignorado devido a k _B T ≪ 2 E _f na banda terahertz. Assim, σ _g pode ser expresso como
$$ {\ sigma} _g =\ frac {i {e} ^ 2 {E} _f} {\ pi {\ hslash} ^ 2 \ left (\ omega + i {\ tau} ^ {- 1} \ right) } $$ (6)
Aqui, o tempo de relaxamento do elétron pode ser expresso como τ = μ ₀ E _f / ( ev _F ² ) [40], com μ ₀ =1 m ² / (Vs) sendo a mobilidade do grafeno. Além disso, a constante de propagação β da luz incidente na superfície do grafeno pode ser expressa como [46]
$$ \ frac {\ varepsilon_1} {\ sqrt {\ beta ^ 2 - {\ varepsilon} _1 {k} _0 ^ 2}} + \ frac {\ varepsilon_2} {\ sqrt {\ beta ^ 2 - {\ epsilon} _2 {k} _0 ^ 2}} =- \ frac {i {\ sigma} _g} {\ omega {\ varepsilon} _0}. $$ (7)
Aqui, ε ₁ , ε ₂ e k ₀ são a permissividade relativa da sílica e do ar, e o vetor de onda da onda plana, respectivamente.

Na Fig. 1d, a teoria do modo acoplado (CMT) [47] é usada para ajustar os espectros de transmissão e absorção de simulações numéricas de FDTD. Elementos A ₁ e A ₂ servem como duas antenas para descrever o efeito de acoplamento entre a fita de grafeno e a fita de grafeno. Quando a luz incidente é iluminada por A e sai de B, a relação pode ser obtida por
$$ \ left (\ begin {array} {cc} {\ gamma} _1 &-i {\ mu} _ {12} \\ {} -i {\ mu} _ {21} &{\ gamma} _2 \ end {array} \ right) \ cdot \ left (\ begin {array} {c} {a} _1 \\ {} {a} _2 \ end {array} \ right) =\ left (\ begin {array} {cc } - {\ gamma} _ {o1} ^ {1/2} &0 \\ {} 0 &- {\ gamma} _ {o2} ^ {1/2} \ end {array} \ right) \ cdot \ left (\ begin {array} {c} {A} _ {1 +} ^ {in} + {A} _ {1 -} ^ {in} \\ {} {A} _ {2 +} ^ {in} + {A} _ {2 -} ^ {in} \ end {array} \ right). $$ (8)
Aqui, γ _{1 (2)} = ( iω - iω _{1 (2)} - γ _{i 1 (2)} - γ _{o 1 (2)} ), em que o coeficiente entre perdas é γ _{i 1 (2)} =ω _{1 (2)} / (2 Q _{i 1 (2)} ) e o coeficiente de perda extra é γ _{o 1 (2)} =ω _{1 (2)} / (2 Q _{o 1 (2)} ) Além disso, Q _{i 1 (2)} =Re ( n _eff ) / Im ( n _eff ) [29] é o fator de qualidade entre perdas, que pode ser obtido pelo índice de refração efetivo n _eff =β / k ₀ . O fator de qualidade intra-perda pode ser obtido por 1 / Q _{t 1 (2 )} =1 / Q _{i 1 (2)} + 1 / Q _{o 1 (2)} , com Q _{t 1 (2)} = f / Δ f sendo o fator de qualidade de todo o sistema (Δ f é de 3 dB de largura de banda). Seguindo a conservação de energia, a relação de acoplamento entre duas antenas é a seguinte:
$$ {A} _ {2 +} ^ {\ mathrm {in}} ={A} _ {1 +} ^ {\ mathrm {out}} {e} ^ {i \ varphi}, {A} _ { 1 -} ^ {\ mathrm {in}} ={A} _ {2 -} ^ {\ mathrm {out}} {e} ^ {i \ varphi}, $$ (9) $$ {A} _ { 1 +} ^ {\ mathrm {o} \ mathrm {ut}} ={A} _ {1 +} ^ {\ mathrm {in}} - a {\ gamma} _ {\ mathrm {o} 1} ^ { 1/2}, {A} _ {2 +} ^ {\ mathrm {o} \ mathrm {ut}} ={A} _ {2 +} ^ {\ mathrm {in}} - b {\ gamma} _ {o2} ^ {1/2}, $$ (10) $$ {A} _ {1 -} ^ {\ mathrm {o} \ mathrm {ut}} ={A} _ {1 -} ^ {\ mathrm {in}} - a {\ gamma} _ {\ mathrm {o} 1} ^ {1/2}, {A} _ {2 -} ^ {\ mathrm {o} \ mathrm {ut}} ={ A} _ {2 -} ^ {\ mathrm {in}} - b {\ gamma} _ {o2} ^ {1/2}, $$ (11) $$ {A} _ {2 -} ^ {\ mathrm {in}} =0. $$ (12)
Aqui, os subscritos “+” e “-” representam que as antenas são iluminadas nas mesmas direções opostas; os sobrescritos “dentro” e “fora” representam o sinal da luz incidente entrando e saindo das antenas. Além disso, μ _nm ( n =1, 2, m =1, 2, n ≠ m ) e φ são os coeficientes de acoplamento e a diferença de fase entre duas antenas, respectivamente. Assim, podemos obter o coeficiente de transmissão e o coeficiente de reflexão da meta-superfície PIT proposta.
$$ t =\ frac {A_ {2 +} ^ {out}} {A_ {1 +} ^ {in}} ={e} ^ {i \ varphi} + \ left [{\ gamma} _ {o1} {\ gamma} _2 {e} ^ {i \ varphi} + {\ gamma} _ {o2} {\ gamma} _1 + {\ left ({\ gamma} _ {o1} {\ gamma} _ {o2} \ right )} ^ {1/2} \ left ({\ chi} _1 {e} ^ {i \ varphi} + {\ chi} _2 \ right) \ right] \ cdot {\ left ({\ gamma} _1 {\ gamma} _2 - {\ chi} _1 {\ chi} _2 \ right)} ^ {- 1}, $$ (13) $$ r =\ frac {A_ {1 -} ^ {out}} {A_ {1 +} ^ {in}} =\ left [{\ gamma} _ {o1} {\ gamma} _1 + {\ gamma} _ {o2} {\ gamma} _1 {e} ^ {i \ varphi} + {\ left ({\ gamma} _ {o1} {\ gamma} _ {o2} \ right)} ^ {1/2} \ left ({\ chi} _1 + {\ chi} _2 {e} ^ {i \ varphi} \ direita) \ right] \ cdot {\ left ({\ gamma} _1 {\ gamma} _2 - {\ chi} _1 {\ chi} _2 \ right)} ^ {- 1}. $$ (14)
Onde χ _{1 (2)} = iμ _{12 (21)} + ( γ _{o 1 (2)} γ _{o 2 (1)} ) ^1/2 e ^iφ . Então, a transmissão e absorção da meta superfície PIT proposta podem ser obtidas por
$$ T ={t} ^ 2, A =1- {t} ^ 2- {r} ^ 2. $$ (15)

Resultados e discussão

Muito recentemente, as fitas de grafeno, como um dos candidatos mais promissores na série do grafeno, devido ao fato de que são muito fáceis de obter experimentalmente e podem suportar plasmons localizados (principalmente com base na ressonância de onda estacionária do tipo Fabry-Perot) [48 , 49,50] e propagação de plasmons [51, 52], têm atraído muita atenção no campo da nanofotônica. Aqui, exploramos o acoplamento plasmônico entre as fitas de grafeno e as fitas de grafeno para demonstrar um excelente efeito PIT.

Para discutir a origem física do efeito PIT, espectros de transmissão simulados de três metassuperfícies de grafeno e distribuições de campo elétrico de toda a estrutura e faixa de grafeno na frequência de ressonância são ilustrados na Fig. 2a-c. Na Fig. 2a, quando as metassuperfícies são iluminadas pela luz x-polarizada, um modo sub-radiante pode ser excitado na fita de grafeno, que produz uma curva vermelha com uma transmitância de 1. Enquanto isso, um modo superradiante pode ser excitado diretamente no tira de grafeno, que produz uma curva de Lorentz preta com um mergulho de transmissão de 7,90%. Como resultado, o modo sub-radiante pode ser excitado indiretamente pelo modo superradiante, formando uma curva PIT azul com pico de transmissão de 88,61% gerado por toda a estrutura. Além disso, as distribuições do campo elétrico de toda a estrutura e da faixa de grafeno na frequência de ressonância também podem explicar a origem física do fenômeno PIT. Quando apenas as tiras de grafeno existem nas unidades estruturais de cada meta-superfície de grafeno padrão, a energia do campo elétrico em torno da tira de grafeno está em um estado de equilíbrio, conforme ilustrado na Fig. 2c. Nesse caso, apenas o campo elétrico mais fraco fica confinado ao redor da faixa de grafeno, o que produz uma curva de Lorentz com um fator de qualidade inferior. No entanto, quando uma fita de grafeno é adicionada à metassuperfície, o equilíbrio do campo elétrico em torno da fita de grafeno é quebrado. No momento, uma vez que o efeito de acoplamento entre eles, o campo elétrico em torno da tira de grafeno é aumentado, e a fita de grafeno também é excitada pelo campo próximo, como ilustrado na Fig. 2b. Portanto, a energia do campo elétrico está localizada ao redor da tira de grafeno e da superfície da fita de grafeno, formando uma curva PIT com fatores de qualidade superiores.

A modulação on-to-off de modo duplo do PIT pode ser alcançada por duas tensões de porta aplicadas às fitas de grafeno e às fitas de grafeno, conforme ilustrado nas Figs. 3a – h. Aqui, as quatro quedas de ressonância são rotuladas "dip1, dip2, Dip1, Dip2." Quando o nível Fermi E _{f 2} da tira de grafeno é fixada em 1,0 eV, o nível de Fermi E _{f 1} da faixa de grafeno é alterado para explorar o efeito PIT. Na Fig. 3a-d, como o nível de Fermi E _{f 1} aumenta de 0,6 eV para 1,2 eV, há uma mudança significativa no dip1. Por um lado, a transmitância do dip1 é notavelmente reduzida, indicando que uma modulação on-to-off pode ser obtida. Por outro lado, o dip1 tem um óbvio deslocamento para o azul demonstrando que é sensível à mudança do nível de Fermi E _{f 1} e pode realizar modulação de frequência. Além disso, quando o nível de Fermi E _{f 1} da fita de grafeno é fixada em 1,0 eV, um fenômeno semelhante ocorre no Dip2 com o aumento do nível de Fermi E _{f 2} . No entanto, o desvio para o azul é mais significativamente observado no mergulho à esquerda em ambos os casos. Quando os níveis de Fermi da tira de grafeno e da fita de grafeno são 1,0 eV, a frequência de ressonância do modo de super-radiação e a frequência de ressonância monopolo do modo de sub-radiação são basicamente 6,2 THz. Assim, o acoplamento entre eles forma um PIT simétrico. Quando o nível Fermi E _{f 1} da fita de grafeno é aumentada de 0,6 eV para 1,0 eV, a frequência de ressonância monopolo do modo de sub-radiação mudou do lado esquerdo para 6,2 THz devido à mudança da condutividade da fita de grafeno. No caso, o acoplamento entre o modo de sub-radiação e o modo de super-radiação é fraco devido às diferentes frequências de ressonância, gerando um PIT altamente assimétrico. O óbvio desvio para o azul do dip1 na Fig. 3a – d é principalmente afetado pelo desvio para o azul do modo de subirradiação. Da mesma forma, o desvio para o azul óbvio do Dip1 na Fig. 3e-h é principalmente influenciado pelo desvio para o azul do modo de super-radiação. O mecanismo on-to-off detalhado é ilustrado na Fig. 3i. No projeto do modulador on-to-off, o “on” é definido para uma transmitância superior a 0,3; caso contrário, é definido como "desligado". Assim, a meta-superfície PIT proposta pode realizar a função dual-mode-on no nível de Fermi de 0,6 eV a 0,8 eV e a função dual-mode-off no nível de Fermi de 0,8 eV a 1,2 eV. Em suma, a tensão da porta V _{g 1} regula principalmente a queda da transmissão à esquerda, mas a queda da transmissão à direita é principalmente adaptada pela tensão da porta V _{g 2} . Portanto, um modulador on-to-off de modo duplo é realizado. Enquanto isso, a modulação de modo duplo da absorção induzida por plasmon (PIA) também é obtida na Fig. 4a-h. Com o aumento do nível de Fermi, o PIA apresenta um claro deslocamento para o azul. Mesmo que o nível de grafeno de Fermi seja baixo, a absorção da metassuperfície proposta pode chegar a 50%. Isso ocorre porque o grafeno é semelhante às propriedades de perda quando o nível de Fermi é baixo, resultando em alta perda e absorção [53]. O fenômeno significa que o nível de Fermi mais baixo pode atingir uma absorção mais alta, reduzindo assim a voltagem necessária. Além disso, os espectros de transmissão e absorção da simulação FDTD são ajustados pelo CMT. Aqui, a curva azul indica o resultado da simulação FDTD; a curva pontilhada em vermelho indica os dados de ajuste CMT.

Além disso, os espectros de transmissão com diferentes mobilidades de grafeno também são estudados, conforme ilustrado na Fig. 5 (a-c). Uma curva PIT totalmente simétrica é obtida quando E _{f 1} = E _{f 2} =1,0 eV. Nesta base, a mobilidade do grafeno é aumentada de 1,0 m ² / (Vs) a 3,0 m ² / (Vs) em um 1,0 m ² / (Vs) etapa. À medida que a mobilidade do grafeno aumenta, não apenas os espectros de transmissão mostram desvio para o vermelho aparente, mas também a largura de banda de 3 dB das quedas de transmissão torna-se mais estreita, o que significa que a mobilidade do grafeno também pode ser usada para modular dinamicamente o PIT e os fatores de qualidade das quedas de transmissão. Aqui, os espectros de transmissão da simulação FDTD e do ajuste CMT ainda estão perfeitamente combinados. Sabe-se que os desempenhos do efeito de luz lenta são melhores com o fator de maior qualidade do mergulho de transmissão. Portanto, a mudança de fase de transmissão e o atraso de grupo com diferentes mobilidades de grafeno são plotados na Fig. 5d-e. O atraso do grupo é alcançado por [54]:
$$ {\ mathrm {t}} _ g =\ frac {d \ phi \ left (\ omega \ right)} {d \ omega}, $$ (16)

onde ϕ ( ω ) é a mudança de fase calculada por ϕ ( ω ) = arg ( t ) Os resultados mostram que tanto o atraso do grupo quanto a mudança de fase são 0 quando a transmitância do sistema está próxima de 1. Além disso, o atraso do grande grupo ocorre no pico de transmissão e seus arredores devido ao fato de que a fita de grafeno e o grafeno tira tem um forte efeito de acoplamento na frequência de ressonância. Quando a mobilidade do grafeno atinge 3 μ ₀ , o atraso de grupo do sistema pode ser tão alto quanto 0,7 ps. No entanto, o atraso do grupo nas quedas de transmissão atinge um grande valor negativo, o que significa uma rápida propagação da luz no sistema. Enquanto isso, a mudança de fase também mudou dramaticamente nas quedas de transmissão. Zhang et al. recentemente propôs uma eficiência de absorção de 50% e desempenho em luz lenta com uma estrutura de grafeno padronizada [25]. No entanto, a unidade de estrutura proposta composta por tiras duplas de grafeno e uma fita de grafeno, que é mais complexa, não consegue realizar o modo dual on-to-off e modulação de absorção. Além disso, não é razoável analisar a eficiência de absorção alterando a mobilidade das tiras duplas de grafeno com apenas a fita de grafeno sendo aplicada com uma tensão de porta. Além disso, o efeito de luz lenta analisado pelo índice de grupo, que é amplamente dependente da espessura do substrato, não é objetivo. E o índice de grupo, que só pode chegar a 382, é ruim.

Finalmente, os efeitos de acoplamento entre as fitas de grafeno e as fitas de grafeno na metassuperfície PIT com diferentes parâmetros estruturais são estudados em detalhes, conforme ilustrado na Fig. 6a-d. Outros parâmetros estruturais são baseados na Fig. 2a. Na Fig. 6a, conforme a distância de acoplamento aumenta, o mergulho da transmissão à esquerda é primeiro deslocado para o azul e, em seguida, deslocado para o vermelho, enquanto o mergulho da transmissão à direita é basicamente inalterado, o que significa que uma mudança na distância de acoplamento tem uma influência maior para a transmissão esquerda mergulhar. Quando o deslocamento lateral da tira de grafeno aumenta, a posição dos afundamentos de transmissão não se altera devido à luz incidente x-polarizada, conforme observado na Fig. 6b. Curiosamente, na Fig. 6c, o aumento de l ₄ resulta em desvio para o vermelho escalonado na queda de transmissão à esquerda e seu fator de qualidade está ficando menor, indicando a dependência do comprimento da faixa de grafeno no espectro de transmissão esquerdo. A Fig. 6d ilustra que o aumento da largura da faixa de grafeno causa um ligeiro desvio para o vermelho na queda da transmissão à esquerda e uma ligeira mudança para o azul na queda da transmissão à direita, aumentando a distância entre as depressões da transmissão. Vale ressaltar que, como os incrementos de comprimento e largura da tira de grafeno melhoram a indutância do sistema ressonante, é gerado um fenômeno significativo.

Conclusão

Em suma, simulamos numericamente e calculamos teoricamente o PIT na metassuperfície padronizada composta pelas fitas de grafeno e as fitas de grafeno, que é causada pela interferência destrutiva entre o modo superradiante e o modo sub-radiante. Curiosamente, a modulação on-to-off de modo dual do PIT pode ser alcançada por duas tensões de porta aplicadas às fitas de grafeno e às fitas de grafeno. Além disso, uma taxa de absorção de 50% e propriedade de luz lenta de 0,7 ps são alcançadas, demonstrando que a meta-superfície PIT proposta tem importantes aplicações em absorção e luz lenta. Além disso, os efeitos de acoplamento entre as fitas de grafeno e as fitas de grafeno na metassuperfície PIT com diferentes parâmetros estruturais são estudados em detalhes. Assim, este trabalho fornece aplicações potenciais para a implementação de moduladores multifuncionais dual-mode on-off.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado.

Abreviações

CMT:: Teoria do modo acoplado
CVD:: Deposição de vapor químico.
FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
MDM:: Metal-dielétrico-metal
PIT:: Transparência induzida por plasma
SPPs:: Polaritons de plasmon de superfície

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