Multiband en breedband lichtabsorptie in monolayer grafeen via magnetische dipol resonanties in Ag nanodisk metamaterialen

Samenvatting

Monolayer grafeen, wanneer opgehangen, absorbeert slechts ~2,3% van invallicht bij normale inval—een beperking voor optoelektronische toepassingen. We demonstreren numeriek dat een zorgvuldig ontworpen metamateriaal, bestaande uit een grafeenblaadje gesandwicht tussen vier zilver (Ag) nanodisks van variërende diameters en een SiO₂ spacer op een Ag substraat, grafeens absorptie kan verhogen tot meer dan 65% over het zichtbare spectrum. Elke nanodisk koppelt met het substraat om een individuele magnetische dipol resonantie te produceren; de collectieve actie van deze vier resonanties levert duidelijke absorptiepieken op, en door hun spectrale overlap te tunen, wordt een breedband hoge-absorptieband gerealiseerd. De absorptieband kan verschoven worden door de SiO₂ dikte of de afstand tussen de nanodisks aan te passen, wat veelzijdige ontwerpparameters biedt voor fotodetectors en verwante apparaten.

Achtergrond

Grafens twee-dimensionale honingraatrooster verleent het uitzonderlijke elektronische en optische eigenschappen, zoals hoge drager mobiliteit, afstelbare geleiding en opmerkelijke transparantie. De universele absorptie van ≈2,3% in het zichtbare en nabij-infrarode is geworteld in de fijnstructuurconstante, doch deze waarde is onvoldoende voor efficiënte fotodetectie of energie-opslag. Talrijke strategieën—waaronder fotonische kristal vangst, totale interne reflectie, oppervlakte plasmon resonantie, evanescent diffractie en gegolfde-modus koppeling—zijn verkend om grafeens absorptie te verbeteren. Het bereiken van gelijktijdige multiband en breedband verbetering, met name in het optische regime, blijft echter uitdagend. Eerder werk heeft getoond dat multi-resonator ontwerpen absorptie in de THz en infrarood kunnen verbreiden; hier breiden we dit concept uit naar het zichtbare door gebruik te maken van magnetische dipol modi in een sub-golfengte metamateriaal architectuur.

Methodes/Experimenteel

De eenheidscel (Fig. 1) bestaat uit een grafeen monolayer gepositioneerd tussen vier Ag nanodisks met diameters d₁ > d₂ > d₃ > d₄ en een SiO₂ spacer op een Ag substraat. Periodes p_x en p_y zijn 400 nm, nanodisk hoogte h is 50 nm, spacer dikte t is 30 nm, en grafeen Fermi-niveau E_f is 0,5 eV. Elektromagnetische simulaties werden uitgevoerd met EastFDTD v5.0, gebruikmakend van de experimentele Drude-Lorentz permittiviteit van Ag en een willekeurige-fase benadering voor grafeens oppervlaktegeleiding (intraband en interband termen). De grafeen permittiviteitstensor werd gemodelleerd als ε_g = diag(1+ iσ/(ωε₀t_g), 1+ iσ/(ωε₀t_g), 1).

Resultaten en Discussie

Figuur 2 toont de berekende absorptiespectra voor grafeen, Ag en het complete metamateriaal bij normale inval. Vier duidelijke absorptiepieken verschijnen bij λ₁ = 722,9 nm, λ₂ = 655,7 nm, λ₃ = 545,5 nm en λ₄ = 468,8 nm, met grafeenabsorptie van 65,7%, 61,2%, 68,4% en 64,5% respectievelijk. Vergeleken met de intrinsieke 2,3% van opgehangen grafeen, vertegenwoordigt dit meer dan een 26-voudige toename. Bij λ₃ overschrijdt totale absorptie 98,5%, wat de prestaties van gevestigde perfecte absorbers weerspiegelt en potentieel voor zonnecelintegratie benadrukt.

Om de oorsprong van deze pieken te verduidelijken, werden veldverdelingen bij elke resonantie onderzocht (Fig. 3 en 4). Bij λ₁ lokaliseren elektrische velden aan de randen van de grootste nanodisk, terwijl magnetische velden zich binnen de SiO₂ spacer eronder beperken—kenmerkend voor een magnetische dipol mode voortvloeiend uit plasmonhybridisatie met het substraat. Vergelijkbare patronen ontstaan voor λ₂, λ₃ en λ₄, elk geassocieerd met de volgende kleinere disk. Dus vier onafhankelijke magnetische dipol resonanties drijven de multiband absorptie.

Door de nanodisk diameters te tunen zodat de vier resonanties spectraal overlappen, wordt een breedband absorptieband bereikt die 450–650 nm beslaat (Fig. 5a). Piekabsorptie blijft boven 73% terwijl de dal boven 50% blijft. Graduele toename van de diameters verschuift deze band naar langere golflengtes (Fig. 5b,c). Wijzigen van de SiO₂ spacer dikte moduleert ook de absorptieband; toename van t van 25 tot 45 nm produceert een duidelijke blauwverschuiving (Fig. 6). Evenzo veroorzaakt vermindering van de centrum-tot-centrum afstand tussen aangrenzende disks (l van 220 tot 160 nm) een bescheiden blauwverschuiving door inter-disk plasmonkoppeling (Fig. 7).

Conclusies

We hebben aangetoond dat een sub-golfengte metamateriaal met een grafeen monolayer tussen vier Ag nanodisks vier verschillende magnetische dipol resonanties kan genereren, wat multiband absorptiepieken oplevert tussen 468 en 723 nm met efficiënties boven 60%. Door de disk diameters, spacer dikte of inter-disk afstand te engineeren, kunnen deze resonanties samengevoegd worden tot een breedband absorptieband die 450–650 nm bedekt met piekwaarden boven 73% en dalen boven 50%. Een dergelijke afstelbare, hoog-efficiënte absorber belooft voor next-generatie fotodetectors, zonnecellen en andere optoelektronische apparaten die sterke licht-materie interactie in het zichtbare vereisen.