研究人员利用碳基超材料开发出宽带可调谐吸收器，有望实现新的应用。

太赫兹（THz）技术在生物医学成像、电信和先进传感系统等应用上大有用武之地。然而，由于0.1至10太赫兹范围内电磁波的独特性质，要开发出能展示太赫兹技术真正潜力的高性能元件十分困难。即使是滤波器和吸收器等基本无件的设计，也仍然是一个巨大的挑战。

幸运的是，超材料的兴起可能会带来解决这些问题的创新方法。得益于制造和加工技术的进步，现在有可能在太赫兹范围内制造出具有独特电磁特性的二维（2D）图案微结构，从而对这些频率下的信号进行前所未有的控制。

尽管已经提出了各种2D超材料（或“超表面”）吸波材料，但其中大多数仍然存在严重的局限性。一个常见的问题是，一旦确定并制造出超表面吸波材料的结构模式，其电磁性能就会固定下来。

这种不可调性限制了此类器件的可能应用。另一方面，虽然存在可调谐的金属基超表面吸收器，但不鼓励使用薄金属层。这是因为存在几个缺点，如制造必要结构的难度以及金属固有特性导致的性能不佳。

在此背景下，上海科技大学曹文翰博士团队开发出了一种新型碳基可调元表面吸收器，它在太赫兹范围内具有超宽可调带宽。曹文翰博士指导的这项研究最近发表在《Advanced Photonics Nexus（先进光子学）》上。

“该吸收器的核心是使用石墨烯和石墨微结构作为谐振器，石墨层作为背反射面。”曹文翰博士解释说：“这种太赫兹元表面吸收器中的重复子单元（或称'单元格'）经过战略性设计，主要基于四个因素来优化吸收效率：几何形状、材料特性、偏振灵敏度和调谐机制。”

就几何形状而言，吸收器由三层薄层组成。最上面一层是图案化的导电层，包含由石墨烯导线相互连接的同心石墨环；第二层是简单的电介质，有助于消散不需要的电磁波；第三层是吸收层，可防止太赫兹波直接穿透器件，从而最大限度地提高吸收效率。

吸收器的材料选择和几何设计都是通过数值分析和模拟进行优化的，这有助于其在太赫兹范围内的显著吸收。值得注意的是，所提出的吸收器的一个关键特性是其可调谐性，这源于可调节的费米能级。这一参数在材料和半导体技术中至关重要，因为它决定了电子在不同能级的分布。

通过对石墨烯层施加电压，就可以改变其费米能级，进而轻松地微调吸收带宽。曹文翰博士强调说：“在费米能级为1 eV时，所提出的吸收器可以达到惊人的8.99 THz宽频带，在7.24至16.23THz的频率范围内提供超过90%的吸收率，在8.35THz和14.70THz有两个明显的共振峰。”

所提出的设计的另一个显著优点是其对入射辐射的偏振角不敏感。在吸收器的单元格中使用同心圆自然会产生这一有利特性。圆形作为一种完全对称的形状，使吸收器在入射角度高达 50° 时仍能保持较高的吸收率。

总之，所提出的设计的诸多优点与其简洁性相结合，代表了太赫兹技术的真正突破。"所提出的吸收器提供了一种超薄、简单的无金属结构，在厚度较低的情况下具有较宽的可调吸收带宽，这大大提高了其适用性。这些优势超越了其他已报道的吸收器。

不久的将来，太赫兹设备将成为日常技术的一部分，尤其是在医学和通信等领域，以及材料科学和生物学等更具研究性的领域。

曹文翰，博士，上海科技大学信息学院助理教授、研究员、博导。2015年于复旦大学信息学院获得本科学位，2020年于美国波士顿大学获得博士学位，2021年入选上海市海外高层次人才计划。曹文翰博士于2021年加入上海科技大学信息科学与技术学院后摩尔器件与集成系统中心，主持国家自然科学基金等多项项目，并担任全国纳米技术标委会低维纳米委员会委员、中国光学工程学会高级会员、中国通信学会第一届太赫兹通信委员会委员。他的研究领域主要包括柔性电子器件、软体机器人、太赫兹超表面器件、多层级微纳传感器件等。研究论文以第一作者或通讯作者发表在Nature Communications、Nano Letters以及IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics等学术期刊上；授权美国专利1项，授权国家发明专利3项。担任中国激光杂志社Chinese Optics Letters杂志青年编委。