基于狄拉克半金属超表面的可调谐太赫兹极化操控器件研究

Utilizing the artificial metasurface in subwavelength to realize the polarization controller of terahertz wave is a much concerned subject. Dirac semimetal meet the linear dispersion relationship both in momentum and energy in the three-dimensional of K-space, thus, it is also regarded as "three-dimensional graphene." Dirac semimetal has a similar band structure to grapheme, while has advantages of being less susceptible to dielectric environment, free of excess electrons on the surface, easier to prepare and more stable in performance compared to graphene, thus have great potential applications in the field of THz metasurface functional devices. In this project, we intend to carry out the applications of Dirac semimetal metasurface microstructure in THz polarization control devices. Utilizing the characteristic of bias voltage controllable surface conductivity of Dirac semimetal, we will construct the THz metasurface functional devices by choosing proper Dirac semimetal metasurface structure, investigate the physical mechanism of the terahertz wave polarization conversion characteristics of the device, explore the realization of THz wave polarization conversion device with tunable working frequency and switchable polarization function, and finally, develop a tunable THz wave polarization controller with excellent performance.The research of the project is of great scientific value and guiding significance both in theory and practice for further study of the application of the new quantum material, Dirac semimetal, in the optoelectronic devices.

利用亚波长人工超表面实现太赫兹波的极化操控是近年来备受关注的研究方向。狄拉克半金属在K空间的三维方向上动量和能量都满足线性色散关系，因而也被称为“三维石墨烯”。相比于石墨烯，它不易受介电环境干扰、表面没有过剩电子、更容易制备且性能稳定，在超表面太赫兹功能器件领域极具应用潜力。本项目拟利用狄拉克半金属的电导率受偏置电压调控的特性，选取合适的狄拉克半金属超表面构建太赫兹极化操控器件，研究器件对太赫兹极化转换特性的物理机理，探索工作频率可调谐、极化功能可切换的太赫兹极化转换器件的实现方法，最后开发出性能优良的可调谐太赫兹极化操控器件。项目研究将对深入探讨狄拉克半金属这种新型量子材料在光电子器件中的应用有重要的科学价值和指导意义。

狄拉克半金属它不易受介电环境干扰、表面没有过剩电子、更容易制备且性能稳定，在超表面太赫兹功能器件领域极具应用潜力。本项目中，研究了一种基于狄拉克半金属的动态可调宽带线-圆偏振转换器。该器件在1.5-2.8 THz频率范围内将线偏振波转换为右旋圆偏振波，在1.20-1.25THz和3.04-3.07 THz两个窄带范围内将线偏振波转换为左旋圆偏振波；研究了一种基于狄拉克半金属的单层超表面，该偏振转换器在透射模式下能够实现可调谐的宽带交叉偏振转换特性，在3.82–7.88 THz频率范围内可以观察到宽带偏振转换的可调性；研究了一种基于狄拉克半金属的动态可调谐超表面，能够在太赫兹频域实现宽带和可调谐的非对称传输；提出了一种三层互补条状狄拉克半金属偏振器，可以实现旋光片，完美的偏振转换和非对称传输功能的集成；研究了基于DSMs和VO2超表面的双功能可调谐THz圆偏振转换器。通过调节VO2的电导率，使结构在透射模式和反射模式进行切换，实现了透射模式下的圆偏振波转换和不对称传输以及反射模式下的圆偏振保持；研究了THz波段双功能可调谐不对称传输和偏振转换器件。在透射模式下，实现了约3.9 THz的宽带线偏振转换和不对称传输。反射模式下实现了1.365 THz的线到左旋圆偏振转换和0.847 THz的线到右旋圆偏振转换；在太赫兹波段提出了基于狄拉克半金属超表面可调谐的两种类型连续域束缚态（BIC），通过打破结构对称性，获得对称保护BIC，通过调节结构参数实现偶发BIC，其相应准BIC的Q因子可高达175左右；提出了基于全介质的开缝U型谐振臂的超表面，它在高频太赫兹波段实现了三个连续域束缚态(BIC)，其准BIC态的Q因子可达到104数量级，同时通过改变结构参数可操控不同类型的BIC退化，基于全介质超表面产生的QBIC应用于传感器，得到了三个QBIC的传感灵敏度，其中偶发QBIC的灵敏度可高达1717GHz/RIU， FOM可高达16670；研究了一个基于狄拉克半金属的超表面，用于实现THz波段BIC和准BIC的动态切换。制作并演示了一个近场动态成像阵列，通过分别施加不同的偏置电压实现了不同内容的动态显示。共发表SCI论文24篇，申请发明专利3项（授权1项）。培养博士研究生2人，硕士研究生16人。综上所述，本项目研究内容和成果满足任务书的要求，达到了预期目的。