Recently, metasurfaces, ultra-thin and planar metamaterials with abrupt phase discontinuities, have been attracting intensively enormous attention due to its exotic optical phenomena such as anomalous refraction and reflection and possibility to substrate conventional optical components by engineering the spatial phase distribution within surfaces such as ultra-thin, flat focusing (or diverging) lens, optical vortex plate, background-free quarter-wave plate. It is proposed to manipulating shape of wave-front for electromagnetic waves. In this paper, to demonstrate electrically controllable devices, we proposed unique concept of graphene metasurface device which integrated graphene on metasurfaces. Transmission modulation in anomalous refracted terahertz waves for graphene metasurface devices is achieved by manipulating electrostatic gate voltage. Graphene, single-atom-thick sheet of carbon atoms with hexagonal lattice structure, have been attracting interest for its unique electronic properties and applied to various optical devices such as modulator. In particular, it has tunability which means that optical conductivity of graphene can be tuned by changing the Fermi level. Metasurfaces have U-shaped complementary structure with anisotropic aperture antennas. The acquired phase shift (relatively phase change) by normal incident circularly-polarized light across metasurfaces is twice that of rotated angle within unit cell of metasurface layer.
Firstly, we proposed two gate-typed graphene metasurface devices with spatially invariant phase profile. One of device is back-gate graphene metasurface device using properly designed metal electrode layer. The electrode layer is composed of complimentary structure with asterisk-shaped aperture to have rotation symmetry for polarization-independent transmission. The other of device is composed of rubbery ion-gel film as gate dielectrics due to its high electrically capacitance and mechanical strength and elasticity. And then, two-type of graphene metasurface devices with spatially linear phase distribution are designed by its lateral period. The metasurface layer is composed of the unit cells with rotated angle in step of $\pi /10$ and $\pi /6$, respectively. It fabricated and measured in terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) method. We confirmed that graphene metasurface devices allow flat, thickness of $23.1 \mu m$ and relative modulation depth of approximately 18% (at 1.15 THz, refracted angle of 18 degrees) and 23% (at 1.12 THz, refracted angle of 32 degrees) for scattered terahertz waves, respectively. Thus, the scheme of electrically controllable devices would open opportunities in the design of ultra-thin, flat, actively gate-controlled systems and other applications.
최근 들어 매우 얇고 급작스러운 위상 불연속성을 가지는 2차원의 메타물질인 메타표면은 비정상적인 굴절과 반사현상과 같은 특이한 광학적 현상과 표면상에 공간적으로 위상 분포를 설계함으로서 매우 얇으면서 평평한 렌즈, 광보텍스, 사분의 일 파장판과 같은 기존의 광학소자의 대체 가능성 때문에 많은 주목을 받고 있다. 이는 전자기파의 파면 형태를 디자인하는 방법을 제시하고 있다고 할 수 있다. 본 논문에서는 전기적 조절이 가능한 광학소자를 증명하기 위해서 메타표면과 그래핀이 결합된 그래핀 메타표면 소자라는 개념을 제시하고 있다. 게이트 전압을 바꿈으로서 그래핀 메타표면의 비정상적으로 굴절되는 테라헤르츠 파의 투과도 조절을 확인하였다. 탄소 원자로 구성된 육각형 격자구조를 가지는 단원자 두께인 그래핀은 자체의 특이한 전자특성 때문에 많은 관심을 받았으며, 변조기와 같은 다양한 광소자에 적용되어졌다. 특히 변조성이라는 특징이 있는데, 이는 그래핀의 페르미 준위를 바꿈에 따라서 광전도성이 조절 가능함을 의미한다. 본 논문에서 사용한 메타표면은 이방성 U자 구멍 형태를 가지는 구조를 사용하였다. 이러한 구조의 메타표면은 원편광의 빛이 수직 입사할 때 단위격자 내의 회전각도의 두 배에 해당하는 만큼 상대적 위상 변위를 얻을 수 있다고 알려져 있는 메타표면이다.
먼저 두 가지의 게이트 형태에 대해서 공간적으로 위상 변위가 없는 그래핀 메타표면 소자를 제시하였다. 그 중 한 가지는 적절하게 디자인된 금속 전극 층을 이용한 백 게이트 방식의 소자이다. 해당 전극 층은 편광 독립적인 투과도를 가지기 위해 회전균형 특성을 가지고 있으며, 별모양의 구멍형태를 띄고 있다. 또 다른 소자는 게이트 유전물질로 높은 전기적 축전용량과 높은 기계적인 강도와 탄성 성질을 가지는 이온겔 필름을 이용한 소자이다. 다음으로 두 가지의 측면방향의 주기에 대해서 공간적으로 선형 위상 변위 분포를 가지는 그래핀 메타표면 소자를 디자인하였다. 이 두 가지의 소자는 각각 $\pi /10$, $\pi /6$ 간격의 회전 각도를 가지는 단위격자들로 구성되어있다. 그래핀 메타표면 소자를 제작하였고, 테라헤르츠 시간영역 분광학적 방법으로 측정을 진행하였다. 그래핀 메타표면 소자는 $23.1 \mu m$정도의 두께를 가지고 있으며, 각각의 소자에 대해서 1.15 THz에 대해서 18도의 굴절각도에서 18%, 1.12 THz에 대해서 32도의 굴절각도에서 23% 정도의 변조도를 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제시하고 있는 전기적 조절이 가능한 소자의 개념은 매우 얇고, 평평하고, 게이트 조절되는 시스템과 관련된 다른 응용 기회를 제시하고 있다.
