Driebandige perfecte lichtabsorber op basis van hybride metasurface voor detectietoepassing

Resultaten en discussies

Figuur 2 presenteert de gesimuleerde reflectie- en absorptiespectra van de PLA op basis van hybride metasurface onder normale invallende lichtverlichting in het zichtbare gebied. Er zijn duidelijk drie verschillende resonantiepunten waargenomen bij f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz, en f ₃ =471,5 THz, respectievelijk. Bij deze resonanties wordt de reflectie verlaagd tot 1,9%, 1,3% en 0,4%, en de overeenkomstige absorptie neemt toe tot de maximale waarden van respectievelijk 98,1%, 98,7% en 99,6%. Volgens eerdere werken [45,46,47,48] zou kunnen worden aangenomen dat de perfecte absorptie bij drie resonanties kan worden toegeschreven aan de excitaties van hogere-orde SPR-modi in siliciumkruis-nanostructuren onder normale verlichting van invallend licht, wat zal worden besproken later. Hoewel zowel het halfgeleidersilicium met hoge RI als het goudsubstraat met hoge reflectie, dat veel werd gebruikt in eerdere werken, in ons ontwerp zijn toegepast [17, 38,39,40, 46, 48,49,50], is het toch de moeite waard om te vermelden uit dat het voorgestelde nieuwe ontwerp van PLA in dit werk een relatief verbeterde eigenschap vertoont, namelijk in termen van een drievoudige band perfecte absorptie in het zichtbare gebied door gebruik te maken van een enkelvoudige siliciumkruis-nanostructuur. Bovendien kan worden verwacht dat het voorgestelde PLA polarisatie-ongevoelig zou zijn voor het normale invallende licht vanwege de hoge geometrische rotatiesymmetrie van de eenheidscel die vergelijkbaar is met de eerdere ontwerpen [54.55.56].

De gesimuleerde reflectie (R (ω)) en absorptie (A (ω)) spectra van het ontworpen zichtbare hybride metasurface-gebaseerde PLA onder normale invallende lichtverlichting

Bovendien zijn de volledige breedte op half maximum (FWHM) en Q-factor van de voorgestelde PLA ook berekend volgens de vorige referentie [40]. Op de drie hierboven genoemde resonantieposities is de waarde van FWHM ongeveer 64,875 THz, 27,75 THz en 34,125 THz, en de bijbehorende Q-factor (=f _ik /FWHM_i , ik =1, 2, 3) is respectievelijk ongeveer 6,48, 14,57 en 13,82. Opgemerkt moet worden dat de triple-band perfecte absorptie kan worden waargenomen in het ideale geval met luchtmedia. Het is echter mogelijk om de resonantieabsorptie-eigenschap af te stemmen door de RI-waarde van de buiten-/omgeving van het ontworpen PLA aan te passen. Het betekent dat de bedrijfsfrequentie aanzienlijk kan worden gereguleerd door de RI-waarde van de omgeving op de PLA te wijzigen. Het ontworpen PLA met steile resonanties kan dus enkele potentiële toepassingen bieden in multiplexsensoren en -detectoren.

Om het natuurkundige mechanisme achter het waargenomen triple-band perfecte absorptiefenomeen van het ontworpen PLA te verifiëren, zijn de ruimtelijke verdelingen van elektrische (E _x , x-z vlak) en magnetisch (H _j , y-z vlak) veld bij die drie absorptiepieken zijn systemisch onderzocht, zoals weergegeven in Fig. 3. Het is duidelijk dat de ruimtelijke distributiepatronen van de sterke elektrische en magnetische velden (E _x en H _j ) zijn significant verschillend bij verschillende resonantiefrequenties, wat de excitaties van verschillende SPR-modi onthult. Het is echter duidelijk dat zowel het elektrische als het magnetische veld altijd sterk geconcentreerd zijn in het grensvlak van het siliciumkruis en het goudsubstraat wanneer de resonantie optreedt. Deze ruimtelijke veldkenmerken geven aan dat de geleide modi met verschillende hogere orden in het grensvlak van de siliciumkruis-nanostructuur en het gouden substraat zijn geëxciteerd. Er kan worden aangenomen dat de intense resonanties van de geleide modus op het diëlektrische/metaal-interface worden geëxciteerd wanneer invallend licht wordt gekoppeld tussen golfgeleiders met verschillende brekingsindices [57,58,59,60]. Ondertussen zijn de resonante koppelingen tussen het invallende licht en de geleide modus van de diëlektrische/metalen nanostructuur mogelijk, wat vergelijkbaar is met het resonantie-effect met de geleide modus van het metalen rooster [21, 59, 60].

Verdelingen van de a –c elektrisch veld (E _x in de x-z vlak van y =0 nm) en d –f magnetisch veld (H _j in de y-z vlak van x =0 nm) in de eenheidscel nanostructuur van het PLA bij verschillende resonantiefrequenties:(a , d ) f ₁ =402,5 THz, (b , e ) f ₂ =429,5 THz, en (c , v ) f ₃ =471,5 THz

Om de resonantie van de geleide modus van de ontworpen PLA-nanostructuur te illustreren, kunnen we de ontworpen siliciumkruis-nanostructuur aannemen als een diëlektrische golfgeleider in het zichtbare gebied. Wanneer het invallende licht de openingen tussen de aangrenzende twee eenheidscellen raakt, zou het worden afgebogen in de siliciumlaag en vervolgens gereflecteerd door het goudsubstraat, en vervolgens geleid naar het grensvlak van het silicium/goudsubstraat. Vanwege het symmetrische ontwerp van de eenheidscel planten de gekoppelde geleide lichten van aangrenzende openingen zich tegengesteld voort en vormen bijgevolg een staande golf in de golfgeleiderlaag [58,59,60]. Volgens deze resultaten getoond in de figuren 3a-f, kan worden vastgesteld dat alleen oneven harmonisch geleide modi in de nanostructuur kunnen worden geëxciteerd onder de normale verlichting van invallend licht. Figuur 3a-f toont respectievelijk de eerste-orde-modus, derde-orde-modus en vijfde-orde-modus in de nanostructuur. De resultaten zijn goed consistent met de eerdere PLA's op basis van MDM-configuratie [58, 61], waarin de tweede-orde-modus niet kon worden geactiveerd voor de normale invallende lichten. Het is omdat de excitaties van de harmonisch geleide modi voornamelijk worden bepaald door de geometrische parameters van de ontworpen nanostructuur. Het betekent dat alleen oneven of harmonisch geleide modi kunnen worden opgewekt onder het speciale geschikte nanostructuurontwerp in dit werk. De geleide-modus-excitaties met hogere orden in deze nanostructuur zouden bijdragen aan het verbeteren van de koppeling van invallend licht in de luchtspleet en het lokaliseren in de silicium / goud-interface, waardoor uiteindelijk een perfecte lichtabsorptie bij verschillende resonantiefrequenties wordt gecreëerd. Zoals bekend is, is het energieverlies van invallend licht geïnduceerd door de excitatie met geleide modi in de nanostructuur altijd groot genoeg om de hoge absorptie bij resonanties te introduceren [20, 21, 26, 58,59,60,61]. Bovendien worden deze resonanties met geleide modus voornamelijk bepaald door geometrische afmetingen en omringende media van de ontworpen nanostructuur [58]. Er kan worden geconcludeerd dat de hogere-orde-geleide modi ook kunnen worden toegepast om de hoogwaardige PLA in het zichtbare gebied te verkrijgen met gematigde geometrische parameters in vergelijking met het gebruik van de fundamentele modus met een diepere subgolflengtestructuur [61].

Om een ​​dieper en kwalitatief begrip te krijgen van de perfecte absorptie hierboven, de 3D-verdelingen van de stroomstroom en de vermogensverliesdichtheid voor normaal incident y -gepolariseerd licht op verschillende resonantiefrequenties (f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz, en f ₃ =471,5 THz) zijn ook bestudeerd, zoals geïllustreerd in Fig. 4a-c. Ten eerste zijn de stroomstromen van het ingangslicht oorspronkelijk parallelle stromen in de ruimte ver weg van de nanostructuur bij resonanties. Wanneer invallende lichtstromen dichter bij het PLA komen, stromen de meeste "over" de eenheidscel, krullen vervolgens in de siliciumlaag en concentreren zich uiteindelijk op het grensvlak van het silicium en gouden substraat. In dit geval vertoont de ruimtelijke vorm van de krachtbloemstromen in nanostructuur verschillende kenmerken bij verschillende absorptiefrequenties. De stroomprofielen van de stroom die worden veroorzaakt door de excitaties in geleide modus vinden plaats in de nanostructuur en het intrinsieke verlies vindt meestal plaats in bulkmaterialen. Vanwege het diëlektrische verlies van silicium en goud in het zichtbare gebied, kan worden aangenomen dat de lichtenergieverliezen die worden veroorzaakt door de excitaties in geleide modus met verschillende hogere ordes voornamelijk afkomstig moeten zijn van de siliciumkruis-nanostructuur en het gouden substraat.

De driedimensionale (3D) verdelingen van de a –c power flow stream en d –f vermogensverliesdichtheid van de PLA bij verschillende resonantiefrequenties:(a , d ) f ₁ =402,5 THz, (b , e ) f ₂ =429,5 THz, en (c , v ) f ₃ =471,5 THz

Figuur 4d-f illustreert de 3D-verdelingen van vermogensverliesdichtheid in de nanostructuur van een eenheidscel bij frequenties van f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz, en f ₃ =471,5 THz, respectievelijk. Opgemerkt kan worden dat de vermogensverliesdichtheden zich voornamelijk verdelen in het grensvlak tussen de siliciumkruis-nanostructuur en het gouden substraat. Uiteraard is de kracht van invallend licht volledig beperkt in de ontworpen PLA-nanostructuur. Omdat het silicium en goud in de nanostructuur beide diëlektrisch verliesmateriaal zijn in het zichtbare gebied, vindt de dissipatie van lichtenergie plaats in het ontworpen PLA [48, 49]. In ons ontwerp is het siliciumkruis veel gunstiger voor het verbeteren van de absorptieprestaties dan het vorige vierkant en de vorige schijf, omdat de gaten van de voorgestelde kruistype nanostructuur gemakkelijk meer invallend licht zouden opvangen vanwege de excitaties in de geleide modus [47,48,49 ]. In feite kan het gestructureerde silicium met het juiste geometrische ontwerp zelf dienen als een goede PLA, vertrouwend op de verliesgevende eigenschap van siliciummateriaal in het zichtbare gebied [49]. Verder zou het siliciumkruis ook kunnen worden aangenomen als een antireflectielaag, waardoor het gouden substraat een bijna perfect absorptiemateriaal is bij resonanties. Het goud is nog steeds plasmonisch in het zichtbare gebied, aangezien het reële deel van zijn permittiviteit negatief is [53]. Opgemerkt moet worden dat het invallende licht sterk wordt afgestoten door een goudsubstraat en dat de perfecte absorptie onmogelijk zou zijn zonder de reactie van SPR's.

Op basis van de bovenstaande analyses kan worden geconcludeerd dat de triple-band perfecte absorptie van voorgesteld PLA afkomstig is van de geleide modi met hogere orde en diëlektrisch verlies van silicium en goudsubstraat in het zichtbare gebied. Kortom, de begeleide resonantie en verliezen van de nanostructuur zijn de twee belangrijkste factoren voor de perfecte absorptie van het ontworpen PLA.

Vervolgens zijn de invloeden van geometrische parameters voor elke eenheidscel op de absorptie-eigenschap van ons ontwerp-PLA systematisch onderzocht door een parametrische studie. Wat betreft het voorgestelde PLA in dit werk, zijn er slechts vier geometrische parameters nodig:draadbreedte (w ), draadlengte (l ), hoogte (h ) van silicium kruis nanostructuur, en de periodiciteit (p ) van de eenheidscel. Een reeks absorptiespectra van het ontworpen PLA met verschillende geometrische parameters (w , h , l , en p ) zijn geïllustreerd in Fig. 5a-d. Het is de moeite waard om op te merken dat slechts één geometrische parameter tegelijk kan worden geregeld, terwijl de andere constant blijven.

De afhankelijkheid van de perfecte absorptie van verschillende geometrische parameters van het voorgestelde PLA. een –c Draadbreedte (w ), hoogte (h ), draadlengte (l ) van de silicium kruis nanostructuur, en d periodiciteit (p ) van de eenheidscel

Op basis van Fig. 5a, b kan worden waargenomen dat de absorptie van resonantiepieken meer dan 95% kan worden gehandhaafd bij het veranderen van de ene geometrische parameter, terwijl andere constant blijven. De werkingsfrequentie blijkt echter gevoelig te zijn voor de geometrische parameters van de PLA. Wanneer de periodiciteit (p ) van de PLA vast is, blijkt de absorptiepiekfrequentie omgekeerd evenredig te zijn met de geometrische afmetingen (w , h , en l ) van de eenheidscel, wat goed overeenkomt met eerdere onderzoeken [58, 62]. Dit komt omdat de effectieve brekingsindex van de resonanties in de geleide modus toeneemt met de toename van w , h , en l . De absorptie-eigenschappen van de PLA met verschillende maten van w zijn afgebeeld in Fig. 5a. Met het veranderen van w van 85 tot 105 nm per stap van 5 nm, kan een duidelijke roodverschuiving van het absorptiespectrum duidelijk worden waargenomen. Voor de PLA met een bredere draadbreedte (w> 100 nm) van siliciumkruis, zal de absorptie van de eerste en tweede absorptiepieken iets afnemen, maar de derde kan bijna behouden blijven. Dit soort respons is voornamelijk het gevolg van het verzwakte koppelings- en opsluitingseffect dat wordt veroorzaakt door de nanostructuur. Bovendien kan worden vastgesteld dat, vergeleken met de tweede en derde resonantiepieken, de eerste piek veel gevoeliger is voor de variaties van de draadbreedte w , wat resulteert in een opvallend roodverschuivingsfenomeen. De absorptie-eigenschappen van de PLA met verschillende groottes van h zijn weergegeven in Fig. 5b. Wanneer de hoogte h neemt toe van 80  tot 100 nm in intervallen van 5 nm, de variaties in de absorptiespectra zijn vergelijkbaar met het geval van verandering van de draadbreedte w en de absorptiepiekfrequenties vertonen ook een lichte roodverschuiving. Met het toenemen van h , kan worden gevonden dat de absorptie van de eerste resonantiepiek geleidelijk toeneemt, terwijl de tweede enigszins afneemt, en de derde bijna constant kan worden gehouden. Zoals getoond in Fig. 5c, kan worden vastgesteld dat de absorptiepieken naar de lagere frequenties zullen verschuiven wanneer de draadlengte l neemt toe van 340 nm naar 360 nm met een stap van 5 nm. Naarmate de draadlengte toeneemt l , neemt de absorptie van de eerste absorptiepiek iets af terwijl de andere resonantiepieken constant blijven. Zoals getoond in Fig. 5d, is een volledig tegengestelde variatietendens gevonden, die kan worden beschreven in termen van een "blauwverschuiving" van de absorptiepieken, wanneer de periodiciteit p verhoging van 390 naar 430 nm in intervallen van 10 nm. Met de toenemende periodiciteit p , neemt de absorptie van de eerste resonantiepiek iets toe, terwijl de andere absorptiepieken nagenoeg onveranderd zijn. Samenvattend bevestigen de resultaten geïllustreerd in Fig. 5 dat deze absorptiepieken verband houden met kenmerken van staande golven die zijn aangetoond in Fig. 3, wat aangeeft dat de werkingsfrequentie en efficiëntie van het voorgestelde PLA direct kunnen worden geregeld door de relatieve geometrische parameters inclusief draadbreedte (w ), hoogte (h ), draadlengte (l ), en periodiciteit (p ).

Volgens de resultaten en discussies van het ontworpen triple-band PLA hierboven, zou het kunnen worden verwacht als een veelbelovende kandidaat voor RI-detectietoepassing. Om de bruikbaarheid van ons ontworpen triple-band PLA voor detectietoepassingen te verduidelijken, is het gedrag van absorptiespectra als een functie van RI-waarden van de omringende analyt verder geverifieerd. Zoals getoond in Fig. 6a, wordt de omringende analyt opgevuld in gaten van de silicium kruis nanostructuur van het voorgestelde PLA. Aangezien ons PLA een drievoudige smalle bandbreedte heeft en een perfecte absorptie rond de resonantiefrequentie, zou het een goede detectieprestatie kunnen vertonen. De afhankelijkheid van de absorptiespectra van de verandering van de RI-waarde van de omringende analyt is weergegeven in figuur 6b. Opgemerkt moet worden dat de absorptie meer dan 95% kan worden gehandhaafd wanneer de RI-waarde van de omringende analyt verandert van n =1,0 tot n =1,4 met een stap van 0,1, terwijl frequentieverschuivingen van de drie resonantiepieken behoorlijk opvallend zijn, wat zou kunnen worden beschreven in termen van een duidelijke roodverschuiving met de toenemende RI-waarde van de omringende analyt. De variaties van de frequentiepunten 1 (f ₁ ), 2 (f ₂ ), en 3 (f ₃ ) blijken respectievelijk ongeveer 2,53 THz, 4,13 THz en 3,19 THz te zijn. In feite is algemeen aanvaard dat het detectievermogen van de PLA wordt beschreven door een definitie van bulk-RI-gevoeligheid (S):S =Δf /Δn , waarbij Δf en Δn zijn respectievelijk de verandering van de resonantiefrequentie en de RI-waarde [63]. Volgens de bovenstaande definitie, zoals weergegeven in Fig. 6c, is de gemiddelde S waarden van drie frequentiepunten (f ₁ , f ₂ , en f ₃ ) worden geschat op respectievelijk ongeveer 25,3, 41,3 en 31,9 THz/RIU. Vanwege de uitstekende detectiekarakteristiek kan worden aangenomen dat het ontwerp van de triple-band PLA veelbelovend is in sensorgerelateerde velden.

een Het schema van de PLA voor RI-detectietoepassing. b de gesimuleerde absorptiespectra van de PLA door de RI-waarden van de omringende analyt te variëren van n =1,0 tot n =1,4 per stap van 0,1. c Lineaire pasvorm (ononderbroken lijnen) en gesimuleerde resonantiefrequenties (holle symbolen) als functie van RI-waarden van de omringende analyt