Forschung -

Abstimmung einer THz-Übertragung mit Meta-Oberflächen

Die Fähigkeit, Licht auf einer Subwellenlängenskala zu manipulieren, könnte zu einer Revolution bei photonischen Geräten wie Antennen, Solarpanels und sogar Tarnvorrichtungen führen.

Die Fortschritte der Nanotechnologie haben dies durch die Entwicklung von Meta-Oberflächen ermöglicht, Materialien, die mit Eigenschaften versehen sind, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind.

Nun hat ein Team unter der Leitung von A*STAR-Forschern eine vielversprechende Meta-Oberfläche entwickelt, die mit einer konventionellen elektrischen Schaltung präzise gesteuert werden kann, sodass sie unterschiedliche Strahlungsmengen reflektiert und überträgt (Advanced Optical Materials, "Electrically and Thermally Tunable Smooth Silicon Metasurfaces for Broadband Terahertz Antireflexion").

Es kann sogar den Zustand der "perfekten Antireflexion" erreichen, in dem es keinerlei Strahlung reflektiert. Konkret arbeitet die Oberfläche mit breitbandiger THz-Strahlung, die sich am anderen Ende des Infrarotspektrums befindet und viele Einsatzmöglichkeiten hat, insbesondere im Sicherheits- oder Medizinbereich.

"Terahertz-Strahlung kann eine Vielzahl von nicht leitenden Materialien durchdringen, wird aber durch flüssiges Wasser oder Metalle blockiert", erklärt Lu Ding, der die Arbeit mit Jinghua Teng am A*STAR 'Institute of Materials Research and Engineering' (IMRE) leitete.

"Das bedeutet, dass Terahertzstrahlen zur Materialcharakterisierung, zur Schichtenprüfung und zur Erzeugung hochauflösender Bilder des Innenraums von festen Objekten eingesetzt werden können. Es ist eine nicht-ionisierende Strahlung und sicherer als Röntgenstrahlen."

Bisherige Meta-Oberflächen wurden bereits entwickelt, um die Reflexion der Terahertz-Strahlung zu manipulieren. Ihre Anwendung war jedoch begrenzt, so Ding.

"Herkömmliche Terahertz-Antireflexionsoberflächen sind passiv und verwenden oft eine ultradünne Metallbeschichtung, die nach der Herstellung fixiert wird und deren Leistung man dann nicht aktiv abstimmen kann."

"Eine elektrisch abstimmbare Meta-Oberfläche würde vielseitigere Geräte hervorbringen und mehr Flexibilität im Systemdesign einbringen", ergänzte Teng. "Es ist der Durchbruch, den die Gemeinschaft sucht."

Ding und Teng fertigten zusammen mit Mitarbeitern des A*STAR 'Institute of Microelectronics' (IME), der Nanyang Technological University, der National University of Singapore und der Jilin University in China ihre neue Meta-Oberfläche auf einem Siliziumwafer mit einem Verfahren, das vollständig kompatibel mit den CMOS-Technologien ist, die den meisten Elektronikprodukten zugrunde liegen.

Die freiliegende Meta-Oberfläche enthält Streifen aus halbleitendem Silizium, die mit anderen Elementen dotiert sind. Diese Streifen sind abwechselnd n-Typen, wobei die wandernden Ladungsträger Elektronen sind, und p-Typen, die Träger positiv geladener "Löcher" in der Elektronenstruktur sind. Wenn die Spannung an den pn-Übergängen geändert wird, ändern sich auch die Reflexion und die Transmission der Strahlung.

Das Team stellte fest, dass der Reflexionskoeffizient als Reaktion auf einen durch die angelegte Spannung verursachten Temperaturanstieg zunahm. In der Zwischenzeit zeigte die Übertragung eine komplexere Reaktion in Abhängigkeit von der Spannungspolarität, die sich auf den Ladungsträgertyp auswirkte, der dominant wurde.

Mithilfe der Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie zeigte das Team, dass bestimmte Spannungszustände dazu führten, dass der Echoimpuls von der Meta-Oberfläche verschwand und somit eine vollständige Antireflexion repräsentierte.

Die Meta-Oberfläche bietet nicht nur diese beispiellose Kontrolle über Reflexion und Transmission, sondern hat auch den Vorteil, dass sie auf atomarer Ebene fast vollständig flach ist. Dies macht es ideal für den Aufbau glatter Schichten in komplexeren Elementen.

"Ein weiterer großer Vorteil ist die Untersuchung der Interaktion von 2-D Materialien mit 2-D Metamaterialien oder Meta-Oberflächen, ein Thema in unserem Projekt im Rahmen des "2-D Semiconductors Pharos Programs" von A*STAR", sagte Teng.

"Die atomar glatte Oberfläche macht die Übertragung und Bildung von 2-D Si-Heterostrukturen wesentlich einfacher als die gemusterten Oberflächen von nanogroßen Säulen oder Scheiben auf herkömmlichen Meta-Oberflächen."

"Wir könnten diese Art von Meta-Oberfläche weiter nutzen, indem wir die p-n Verbindungen unabhängig voneinander vorspannen oder modulare Funktionen entwerfen, was bedeutet, dass wir vorprogrammierbare Metamaterialien haben würden", sagte Ding.

Teng fügte hinzu, dass die gleiche Plattform für die Untersuchung vielversprechender 2-D Materialien wie Molybdändisulfid verwendet werden könnte, das beeindruckende elektronische und optische Eigenschaften für den Einsatz in neuen flexiblen Schaltungen aufweist.

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