研究人員利用碳基超材料開發出寬帶可調諧吸收器，有望實現新的應用。

太赫茲（THz）技術在生物醫學成像、電信和先進傳感系統等應用上大有用武之地。然而，由于0.1至10太赫茲范圍內電磁波的獨特性質，要開發出能展示太赫茲技術真正潛力的高性能元件十分困難。即使是濾波器和吸收器等基本無件的設計，也仍然是一個巨大的挑戰。

幸運的是，超材料的興起可能會帶來解決這些問題的創新方法。得益于制造和加工技術的進步，現在有可能在太赫茲范圍內制造出具有獨特電磁特性的二維（2D）圖案微結構，從而對這些頻率下的信號進行前所未有的控制。

盡管已經提出了各種2D超材料（或“超表面”）吸波材料，但其中大多數仍然存在嚴重的局限性。一個常見的問題是，一旦確定并制造出超表面吸波材料的結構模式，其電磁性能就會固定下來。

這種不可調性限制了此類器件的可能應用。另一方面，雖然存在可調諧的金屬基超表面吸收器，但不鼓勵使用薄金屬層。這是因為存在幾個缺點，如制造必要結構的難度以及金屬固有特性導致的性能不佳。

在此背景下，上海科技大學曹文翰博士團隊開發出了一種新型碳基可調元表面吸收器，它在太赫茲范圍內具有超寬可調帶寬。曹文翰博士指導的這項研究最近發表在《Advanced Photonics Nexus（先進光子學）》上。

“該吸收器的核心是使用石墨烯和石墨微結構作為諧振器，石墨層作為背反射面。”曹文翰博士解釋說：“這種太赫茲元表面吸收器中的重復子單元（或稱'單元格'）經過戰略性設計，主要基于四個因素來優化吸收效率：幾何形狀、材料特性、偏振靈敏度和調諧機制。”

就幾何形狀而言，吸收器由三層薄層組成。最上面一層是圖案化的導電層，包含由石墨烯導線相互連接的同心石墨環；第二層是簡單的電介質，有助于消散不需要的電磁波；第三層是吸收層，可防止太赫茲波直接穿透器件，從而最大限度地提高吸收效率。

吸收器的材料選擇和幾何設計都是通過數值分析和模擬進行優化的，這有助于其在太赫茲范圍內的顯著吸收。值得注意的是，所提出的吸收器的一個關鍵特性是其可調諧性，這源于可調節的費米能級。這一參數在材料和半導體技術中至關重要，因為它決定了電子在不同能級的分布。

通過對石墨烯層施加電壓，就可以改變其費米能級，進而輕松地微調吸收帶寬。曹文翰博士強調說：“在費米能級為1 eV時，所提出的吸收器可以達到驚人的8.99 THz寬頻帶，在7.24至16.23THz的頻率范圍內提供超過90%的吸收率，在8.35THz和14.70THz有兩個明顯的共振峰。”

所提出的設計的另一個顯著優點是其對入射輻射的偏振角不敏感。在吸收器的單元格中使用同心圓自然會產生這一有利特性。圓形作為一種完全對稱的形狀，使吸收器在入射角度高達 50° 時仍能保持較高的吸收率。

總之，所提出的設計的諸多優點與其簡潔性相結合，代表了太赫茲技術的真正突破。"所提出的吸收器提供了一種超薄、簡單的無金屬結構，在厚度較低的情況下具有較寬的可調吸收帶寬，這大大提高了其適用性。這些優勢超越了其他已報道的吸收器。

不久的將來，太赫茲設備將成為日常技術的一部分，尤其是在醫學和通信等領域，以及材料科學和生物學等更具研究性的領域。

曹文翰，博士，上海科技大學信息學院助理教授、研究員、博導。2015年于復旦大學信息學院獲得本科學位，2020年于美國波士頓大學獲得博士學位，2021年入選上海市海外高層次人才計劃。曹文翰博士于2021年加入上海科技大學信息科學與技術學院后摩爾器件與集成系統中心，主持國家自然科學基金等多項項目，并擔任全國納米技術標委會低維納米委員會委員、中國光學工程學會高級會員、中國通信學會第一屆太赫茲通信委員會委員。他的研究領域主要包括柔性電子器件、軟體機器人、太赫茲超表面器件、多層級微納傳感器件等。研究論文以第一作者或通訊作者發表在Nature Communications、Nano Letters以及IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics等學術期刊上；授權美國專利1項，授權國家發明專利3項。擔任中國激光雜志社Chinese Optics Letters雜志青年編委。