Grootschalige, in bandbreedte verstelbare, zichtbare absorptiemiddelen door verdamping en gloeiproces

Resultaten en discussies

We hebben MIM-absorbers ontworpen met respectievelijk zilveren nanodeeltjes en hybride Ag-Cu-nanodeeltjes. De Ag NP-absorber wordt geïllustreerd in figuur 2a. Het bestaat uit een doorlopende zilverfilm als grondvlak en een SiO₂ spacerlaag en Ag-nanodeeltjes aan de bovenkant als resonatoren. De Ag-Cu NP-absorbeerder wordt gevormd door een laag koperdeeltjes tussen de zilverdeeltjes en het silica te plaatsen, zoals weergegeven in figuur 2b. Figuur 2c en d tonen de berekende absorptiespectra van respectievelijk de Ag NP- en Ag-Cu NP-absorbeerders. Deze spectrogrammen verkregen door fitting geven aan dat de toevoeging van koper de absorptie-eigenschappen van de oorspronkelijke structuur remt.

Schema's van de absorbers en gesimuleerde absorptiespectra van de Ag NP en Ag-Cu NP absorbers. In deze twee absorbers is de drager glas en de onderliggende metaal- en diëlektrische lagen zijn zilver en siliciumdioxide. c en d tonen respectievelijk de absorptiespectra van Ag NP absorber en Ag-Cu NP absorber structuursimulatie

Figuur 3a en b tonen SEM-afbeeldingen van de gefabriceerde Ag NP-absorber en de Ag-Cu NP-absorber. Uit de SEM-afbeeldingen kunnen we zien dat elk nanodeeltje geïsoleerd is en dat de grenzen duidelijk zijn, wat wijst op het succesvolle fabricageproces. Figuur 3c en d geven de gemeten absorptiespectra weer van respectievelijk de Ag NP-absorber en de Ag-Cu NP-absorber. De absorptie van de Ag NP-absorber is meer dan 77% voor het golflengtebereik groter dan 470 nm (figuur 3c). Het absorptiespectrum van de Ag-Cu NP-absorber is anders dan die van de Ag NP-absorber, zoals weergegeven in figuur 3d. De absorptiebandbreedte in het spectrum is veel smaller in vergelijking met figuur 3c. Meer dan 80% absorptie ligt in het bereik van 480-577 nm met een piek van 98,6% bij 528 nm, wat leidt tot een smalle bandbreedte van 97 nm. Deze resultaten suggereren dat het Cu de absorptie van de Ag-Cu NP-absorbeerder in een smal golflengtebereik bevorderde, terwijl het de absorptie voor andere golflengten onderdrukte. De gesimuleerde resultaten komen overeen met de experimentele resultaten in de spectrumvorm en resonanties. Het verschil tussen de absorptie-intensiteit van de simulatie en die van het experiment werd veroorzaakt door het verschil tussen de werkelijke vorm van nanodeeltjes en het model. In de experimenten waren de werkelijke vorm en grootte van de nanodeeltjes willekeurig verdeeld, wat erg moeilijk te modelleren was in de simulatie. Bovendien veroorzaakte het verschil in omgeving tussen simulatie en experimenten ook het verschil.

SEM-afbeelding van Ag NP (a ) en Ag-Cu NP (b ) absorbers en bijbehorend en gemeten absorptiespectrum (c ) en (d )

Om de fysica achter de waarnemingen beter te begrijpen, werd de elektromagnetische veldverdeling van de absorbers gesimuleerd. Figuur 4a-d toont de elektrische veldverdeling van respectievelijk de Ag- en Ag-Cu NP-absorbers. De veldverdelingen werden verkregen bij een resonantie van 430 THz. Voor de Ag NP-absorber bevindt de hoge veldintensiteit zich aan de rand van de metaaldeeltjes. Terwijl voor de Ag-Cu NP-absorber hotspots verschijnen aan de rand van de zilveren schaal met een intensiteit die veel lager is dan die van de Ag NP-absorber, wat aangeeft dat de Cu-kern negatieve effecten heeft op de veldverbetering van het Ag-nanodeeltje. Een mogelijke oorzaak was dat de Cu-kern het interactiegebied van Ag-deeltjes met de onderste metaalfilm verkleinde. De veldverdeling van de Ag- en Ag-Cu NP-absorbeerders verklaarde waarom de absorptie van de Ag-Cu NP-absorber lager was dan die van de Ag-absorbeerder. Opgemerkt wordt dat de Ag-Cu NP-absorber een absorptiepiek (>  98%) heeft bij 528 nm (zie figuren 1 en 3). Om dit effect te begrijpen, presenteren we de veldcomponent E _j in Fig. 4e en f. Uit Fig. 4e en f kan men zien dat elektrische dipolen in de zilveren schaal worden geëxciteerd. De op dipool en dipool gebaseerde resonanties kunnen leiden tot een hoge absorptie wanneer een bepaalde golfvectorcomponent overeenkomt met die van een SPP-golf op de reflector-spacer-interface. Experimenten hebben ook aangetoond dat de absorptiepiekpositie van de Ag-Cu NP-structuur kan worden aangepast door parameters zoals de dikte van de diëlektrische laag te wijzigen. Deze eigenschap geeft aan dat we op een eenvoudige manier resonantie-afstembare fotonische apparaten kunnen ontwerpen.

Gesimuleerde elektrische veldverdelingen van a , c Ag en b , d Ag-Cu-absorbers vanaf de bovenkant en yz dwarsdoorsnede, respectievelijk. De E . van de Ag-Cu absorber _j in TE-modus wordt weergegeven in e en f

Experimenten hebben aangetoond dat de absorptie van de Ag-Cu NP's sterk afhangt van de relatieve hoeveelheid Ag en Cu. Om de relatie tussen de dikte van deze twee metaallagen en de absorptie van Ag-Cu NP-absorbeerder te onthullen, hebben we de afhankelijkheid van absorptie van de atoomnummerverhouding bestudeerd Q van de twee metalen. De Q is gedefinieerd als,

waarbij de dichtheid ρ _Ag is 10,53 g/cm ³ en ρ _Ku is 8,9 g/cm ³ . Molaire massa van koper (M _Ku ) en zilver (M _Ag ) zijn respectievelijk 64 g/mol en 108 g/mol. De zilverfilm was 10 nm dik en Q kan worden gewijzigd door de dikte van de koperfilm te wijzigen.

Figuur 5a toont absorptiespectra van de Ag-Cu NP-absorbeerders met verschillende atomaire verhoudingen Q . De curven laten een sterke correlatie zien tussen Q en de absorptie-intensiteit. Wanneer de Q stijgt van 1,44 naar 2,15, 2,87, 3,59 en 4,31, de absorptiepiek verschuift naar lagere golflengten en de intensiteit neemt af. Figuur 5b en c zijn de grafieken van resonantiepiekgolflengte vs. Q en piekintensiteit vs. Q , respectievelijk. De twee grafieken laten zien dat de resonantiegolflengte en de piekintensiteit bijna lineair afnemen met de toename van de atomaire verhouding Q . Eerdere studies hebben aangetoond dat de resonantiegolflengte gerelateerd is aan de grootte en vorm van metalen nanodeeltjes, en de intensiteit is gerelateerd aan de oppervlakte-plasmonoscillatie van de metaaldeeltjes [8, 34]. De verandering van Q door de dikte van de Cu-film aan te passen, leidde dit tot de afwezigheid van een continue film en de verandering van de grootte van de deeltjes. Naarmate het aantal openingen tussen nanodeeltjes afneemt, wordt de intensiteit van de optische holtes die gevormd zijn tussen de nanodeeltjes en de zilverfilm zwakker. Wanneer Q is 1,44, de absorptie is 98,7%. Wanneer Q wordt verhoogd tot 3,59, is de absorptiepiekpositie in principe stabiel in de buurt van 460 nm. Dit suggereert dat de Q waarde is het meest bevorderlijk voor de productie van absorbers, wat een referentie vormt voor de volgende stap en toekomstig onderzoek.

Afhankelijkheid van resonantie van atomaire verhouding Q . een Absorptiespectra voor verschillende Q parameters. b Afhankelijkheid van piekgolflengte van Q en zijn c afhankelijkheid van piekintensiteit op Q

Bandbreedteaanpassing

Een van de belangrijke kenmerken van onze gefabriceerde absorbers voor nanodeeltjes is dat de absorptiebandbreedte kan worden aangepast door de temperatuur te gloeien. Toen de uitgloeitemperaturen toenam van 100 naar 150 °C, verschoof de absorptiepiek naar lagere golflengten. Toen de uitgloeitemperaturen verder opliepen tot 300 °C, vertoonde de absorptiepiek een breedbandfunctie. Figuur 6 toont het absorptiespectrum van monsters die bij verschillende temperaturen in een vacuümgloeioven zijn uitgegloeid. Door de temperatuur te verhogen, kan gloeien het metaal op het oppervlak herverdelen en een andere morfologie verkrijgen. Oppervlaktemorfologie werd gekarakteriseerd met atomaire krachtmicroscopie (AFM). De AFM-afbeeldingen die worden getoond in Fig. 6a-d zijn voor het monster zonder uitgloeien en uitgloeien bij respectievelijk 100 ° C, 150 ° C en 300 ° C. Naarmate de gloeitemperatuur stijgt, nemen de grootte van de metaaldeeltjes en de ruwheid toe. Toen de temperatuur 100 °C bereikte, werden de metaaldeeltjes geclusterd. Als het externe effect lager is dan de hechting tussen het medium en het metaal, blijven er veel fijne deeltjes op het oppervlak van het medium. Dit is de reden dat de deeltjes die worden geproduceerd door uitgloeien bij 100 °C een kleinere deeltjesgrootte hebben. Volgens het absorptiespectrum van figuur 6 kunnen we ook vinden dat uitgloeien binnen een bepaald temperatuurbereik weinig effect heeft op de absorptieprestaties van de Ag-Cu NP-structuur. Wanneer de temperatuur echter tot 300 °C stijgt, kan de invloed ervan niet worden genegeerd.

AFM-beelden en absorptiecurven van Ag-Cu NP-absorbers. een Zonder uitgloeien, b gegloeid bij 100 °C, c gegloeid bij 150 °C, en d gegloeid bij 300 °C. e De absorptiecurves van de absorber gegloeid bij verschillende temperaturen

De absorptiebandbreedte werd uitgebreid tot 494 nm (band van 506 tot 1000 nm) met een absorptie van meer dan 90% na uitgloeien bij 300 °C. Deze bandbreedte is aanzienlijk breed in vergelijking met andere gerapporteerde vergelijkbare breedbandmeta-oppervlakken. Voor de gerapporteerde meta-oppervlakken ligt de bandbreedte meestal in het bereik van 250 ~ 450 nm [31, 35, 36] die alleen het zichtbare bereik dekt. Onze absorber is echter geschikt voor zowel zichtbare als nabij-infrarode gebieden met een absorptie-intensiteit van 90% en meer. Door de extreem dunne dikte is de smelttemperatuur van het metaal veel lager dan die van de bulkmaterialen. De verwarming zorgt ervoor dat de twee metalen nanoclusters vormen en door versmelting in elkaar overgaan op het grensvlak, wat kan resulteren in de vorming van nano-legeringen met lage energie en stabiliteit [37, 38]. Vanwege de beperkte hoeveelheid Ag-atomen hebben de Ag-atomen de neiging om te convergeren naar het oppervlak van de cluster met Cu-atomen in het midden, waardoor een kern-schilstructuur wordt gevormd [39, 40]. Deze kern-schaalstructuur bepaalde de kenmerken van de absorptiespectra. Uit het gemeten AFM-beeld is bekend dat de grootte van de metaaldeeltjes toeneemt met de toename van de gloeitemperatuur. Om de relatie tussen de absorptie en temperatuur te onthullen, hebben we een kern-schaalmodel op de MIM-structuur berekend. De gesimuleerde resultaten laten zien dat het vergroten van de straal van de Cu-kern en de dikte van de Ag-schaal zal leiden tot een verschuiving van absorptie naar langere golflengten (figuur 7). Daarom was de roodverschuiving en verbreding van het spectrum na uitgloeien bij 300 ° C, omdat de hoge temperatuur de nanolegering produceerde en vervolgens de fijne deeltjes convergeerden in grotere deeltjes. Samenvattend, onder een bepaalde uitgloeitemperatuur veranderden de Ag-Cu-structuren van initiële selectieve absorptie naar breedbandabsorptie. Het biedt een manier om verschillende prestaties te bereiken met eenvoudige handelingen.

Simulatie van de Ag-Cu NPs-structuur met Cu-Ag-legering op het oppervlak. een Schema van het model. b Absorptiespectra met verandering van dikte w . c Absorptie met veranderingen van straal r