Thermotunable太赫兹负折射率材料与介质球嵌在半导体主机

文摘

有可能实现thermotunable各向同性负折射率材料到太赫兹政权理论研究。提出的复合材料由电介质球嵌入随机半导体主机中。作为内在的变化载体密度InSb由于温度的变化从而改变等离子体频率,我们展示理论上所提供的复合材料,其折射率热可调,同时潜在的传播损耗更低。此外,介质球的半径的影响,讨论了调制频率和带宽。最后,我们发现,复合材料的设计参数可以扩展应用在更高的频率区域。

1。介绍

负折射率材料(年来),负的介电常数和磁导率,同时介绍了由Veselago近四十年前(1)和最近得到太多的关注在文献中由于巨大的潜在应用,如完美透镜(2),光学隐身3),和完美的吸收器4]。最近,超材料也被用来控制光场(5- - - - - -7]。有很多进步发展的超材料(MMs)红外和光学频率的微波频率。微波政权,MMs可以构造成一个组合阵列组成的金属导线和开口环谐振器(8]。MMs在红外和光学频率对金属杆来完成(9)和反向双介质孔隙系统的金属(10]。大部分的MMs设计是由金属元素,招致许多缺点如高损失,很窄的带宽,和高度各向异性。另一种方案提出了基于个人非磁性介质的共振散射体与很高的介电常数(11- - - - - -14]。然而,电介质与极高的介电常数也遭受大的阻尼。最近,搜索引擎优化等人表明,各向同性年来了光学频率可以实现负介电常数与介质球嵌入随机主机(一)中15]。结果,DS /一组显示更健壮的特性在DS / DH制造公差,带宽和传输损耗。

最年来通常显示一个狭窄的操作提供带宽,和操作频率可调。可调的MMs显然是非常期望和潜在期望未来的光学设备,例如,空间光调制器和可调光学滤波器。有各种各样的战略报告调优的磁共振渗透率包括电气控制(16,17),磁控制(18),和温度变化(19,20.]。一般来说,介绍了可调谐性由铁磁材料(21,22),铁电(13,23,液晶20.,24,25)等。然而,上述可调年来主要在低频或高损失。在这篇文章中,我们将提出thermotunable和低损耗的设计各向同性负折射率材料太赫兹地区,由电介质球嵌入随机半导体主机中。

2。半导体的介电常数和有效介质理论

在太赫兹政权,复值相对介电常数InSb是由简单的柯克模型(26] 在哪里是角频率,代表高频介电常数,阻尼常数;等离子体频率和吗 取决于内在载体密度 ,的有效质量免费的航空公司,电子电荷 ,介电常数和空间 。与金属相比,等离子体频率InSb强烈依赖于温度 。内在载体密度(在米⁻³)InSb服从的关系(27] 在哪里波尔兹曼常数和开尔文温度。的变化由于变化因此改变 。因此,在远红外太赫兹政权的一部分,InSb非常敏感 。因此,对年来组成InSb主机和电介质领域,我们可以预计,温度变化会导致大量的光响应特性的变化。

复合材料组成的球形散射可以被描述为一个均匀介质在亚波长极限和有效电介电常数和有效磁导率和 ,分别。如图1,我们假设介质领域拥有一个相对介电常数和相对磁导率嵌入在一个半导体介质的相对介电常数和相对磁导率是什么和 ,分别。假设介质球位于主机中随机和均匀,在准静态极限下,我们可以获得相对有效介电常数和相对有效渗透率从扩展Maxwell-Garnett理论(EMG),如图所示(14] 在哪里是体积分数代表的比例介质球的体积总量和 ,在那里表示球面半径和是单位细胞的大小。和电偶极子和磁偶极子组件的散射T矩阵的一个领域,分别。他们可以写成 在哪里球贝塞尔函数和吗球形汉克尔函数吗 ,分别。 。和站为球体的大小参数, 和 ,和是媒介和宿主范围的波长介质,分别。

3所示。数值结果与讨论

图2显示的仿真结果 为 K, , 使用[嗯3- - - - - -5];这里我们假定 , 公斤, , 太赫兹(27],磷化镓(GaP)假定非磁性介质球,和介电常数 。

从这些数据我们可以看到,有效介电常数的实部从0.58太赫兹到0.9太赫兹是负的,真正的有效渗透率的一部分从0.65太赫兹到1.0太赫兹是负的;因此两地区之间关于0.65太赫兹和0.9太赫兹和带宽约为0.25太赫兹,如图2 (c)。我们也可以发现的价值远远大于 ;然而的虚部 都远小于由金属构造复合MMs球体,当入射波频率远离共振区域。

为了讨论温度的影响的属性 ,在图3,我们已经绘制组合MMs在不同的频率相关折射率温度。从图我们可以发现3(一个)共振的下降几乎不变,温度增加;然而,真正的价值的一部分将变得越来越大随着温度的增加。显然,MMs的光学特性,如 随温度变化显著。证明这些属性很明显,在图3 (b),我们展示了真实的一部分作为温度的函数从210 K到350 K。正如所料,可以有效地放大通过提高温度。与温度有关的光学特性的复合直接MMs可以归结到等离子体频率的热敏感半导体的介电常数InSb。

此外,我们发现的性质 在我们的复合结构强烈依赖于介质球的半径;因此谱谐振点的位置可以调整不同的介质球的半径。为证明这一点,我们已经表明的实部的依赖在图介质球的半径4。结果表明,当球的半径的变化从80年50嗯嗯,共振频率点的负折射率将从0.8太赫兹到0.5太赫兹和共振负折射率的值将会变得越来越大随着介质球的半径增加。

我们已经表明,低损耗和thermotunable年来可以实现太赫兹频率;但是材料是可伸缩的设计在一个大动态范围的操作频率只要我们改变介质球的半径和温度同时性。首先,内在InSb载体密度可以改变 米⁻³在220 K 在350 K,这将导致半导体主机的等离子体频率改变 在220 K 在350 K;因此只要我们调整介质球的半径的规模,我们可以获得双重否定超材料在更高的频率。图5例如,显示相应的折射率的实部8太赫兹56太赫兹 嗯, K,其他参数都是相同的在图2。再次,它清楚地表明,一个可以获得双重否定超材料的散装材料嵌入电介质球半导体主机中随机的太赫兹频率更高。此外,频率带宽达到32太赫兹也变得非常大。

4所示。结论

总之,我们提供了一个方案实现各向同性thermotunable和更少的损失负折射率材料到太赫兹政权通过嵌入电介质在半导体领域的主机中随机。复合材料是敏感外温度,使双重否定可调频率区域。此外,介质球的半径也将使双区域的频率范围可调。此外,通过扩展范围的大小和温度外,我们可以改变工作频率更高的频率。可重构和thermotunable超材料设计可调装置,有非常广阔的前景,如可调光学隐身,可调空间光调节器,可调的新型微波天线。

数据可用性

(数据类型)的数据用于支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(授予号。61505122,61505122),SZU的自然科学基金(批准号。2016031,2016031),该程序的基础研究深圳市科技计划(批准号JCYJ20160422152152634)、广东省自然科学基金支持的项目(批准号2016 a030310065),广东省自然科学基金教育部(2015 kqncx146),和玉林师范大学科研资助(批准号2016 yjky06)。

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