Hoek-ongevoelige breedband grafene absorber mogelijk gemaakt door multi-groove metasurface

Samenvatting

We presenteren een numeriek geoptimaliseerde, hoek-ongevoelige absorber die de breedband optische absorptie van grafene over het volledige zichtbare spectrum (450–800 nm) aanzienlijk verhoogt. Door een monolaag grafenevel te integreren met een multi-gegolfde zilver-metasurface gescheiden door een 5-nm PMMA-spacer, bereikt het apparaat een gemiddelde absorptie van 71,1 %. De piekgolflengte kan worden afgestemd door de groefdiepte aan te passen, terwijl de totale bandbreedte wordt gecontroleerd door het aantal en de diepte van de groeven. Belangrijk is dat de structuur een hoge absorptie behoudt (≈ 61 % bij 60° invalshoek) ondanks variaties in structurele parameters.

Achtergrond

Grafene's uitzonderlijke elektronische, mechanische en afstelbare optische eigenschappen maken het een veelbelovende kandidaat voor opto-elektronische apparaten zoals fotodetectoren en zonnecellen [1–3]. In de zichtbare en nabij-infrarode regimes blijft grafene's intrinsieke absorptie echter een bescheiden 2,3 % bij normale inval [9], wat de generatie van elektronen-gaten paren en fotostroom beperkt. Tallooze strategieën—epsilon-bijna-nul effecten [10], caviteitresonanties [11–13], gedempte totale reflectie [14], gegolfde-modus resonanties [15–18], kritische koppeling [19–21], Fano-resonanties [22–23], plasmonische resonanties [24–26], en magnetische resonanties [27–29]—zijn verkend om de absorptie te verbeteren, doch de meeste leveren smalle bandbreedtes op vanwege hun resonantie-aard. Recente studies hebben de absorptieband verbreed door additionele lichtkoppelingkanalen te introduceren, zoals patch-resonatoren [30] en meervoudige Ag-nanodisk-arrays [33]. Niettemin blijven breedband, hoek-ongevoelige absorbers die het volledige zichtbare spectrum bedekken schaars.

Methoden

De voorgestelde structuur is geïllustreerd in Fig. 1. Deze bestaat uit een vlak grafenevel, een gepatenteerde zilverfilm met vijf parallele groeven, en een polymethylmethacrylaat (PMMA) spacer die de elektromagnetische koppeling medeert. De eenheidscel heeft periode Λ, spacer-dikte t, bodem zilver-dikte D, en groefgeometrie gedefinieerd door breedte w en dieptes d1–d5. De PMMA-brekkingsindex is 1,49 [36] en de optische constanten van zilver zijn afkomstig van Palik [37]. De grafene-laag wordt gemodelleerd als een oneindig dunne laag met oppervlaktegeleiding σg afgeleid van de Kubo-formule:
σg(ω)=σintra(ω)+σinter(ω), waar σintra en σinter gegeven zijn door vergelijkingen (2) en (3). Simulatieparameters omvatten μc=0,15 eV, T=300 K, en τ=0,5 ps. Finitie-differentie tijdsdomein (FDTD) berekeningen (Lumerical FDTD) met periodieke randvoorwaarden in x en perfecte aangepaste lagen in z leveren reflectiviteit R en transmissiviteit T. Totale absorptie A wordt berekend als 1−R, en grafene-absorptie Ag wordt verkregen uit de energiedichtheid door het grafene-vel: Ag=[Pup(λ)−Pdown(λ)]/Pin(λ).

a Schematisch overzicht van de multi-groove metasurface voor hoek-ongevoelige breedband absorptie. b Dwarsdoorsnede van een eenheidscel.

Resultaten en Discussie

Figuur 2a toont het absorptiespectrum van de metasurface zonder grafene; de structuur gedraagt zich als een plasmonische absorber met verhoogde absorptie over het zichtbare bereik. Het toevoegen van grafene (Fig. 2b) verhoogt de absorptie in het gehele 400–800 nm venster dramatisch, wat resulteert in een gemiddelde totale absorptie van 92,7 %. Belangrijk is dat de meerderheid van de geabsorbeerde energie in grafene resideert, wat een gemiddelde grafene-absorptie van 71,1 % oplevert tussen 450 en 800 nm. De versterking is TM-polarisatie afhankelijk; geen significante toename wordt waargenomen onder TE-verlichting (zie Supplementary Fig. S1).

a Absorptie van de metasurface zonder grafene. b Absorptiespectra van de totale structuur, grafene, en zilver met grafene. Parameters: Λ=300 nm, t=5 nm, w=30 nm, D=100 nm, d1=20 nm, d2=35 nm, d3=50 nm, d4=80 nm, d5=90 nm, N=10, θc=0°.

Veldverdelingen (Fig. 3) onthullen dat het elektrisch veld zich concentreert langs de groefhoeken (x-richting), wat een elektrische dipoolresonantie aangeeft, terwijl het magnetisch veld piekt binnen de groefcaviteit (loodrecht op het xoz-vlak), wat overeenkomt met een magnetische dipoolresonantie. De gelijktijdige opwekking van deze modi in meerdere groeven met verschillende dieptes produceert een breed absorptieband die het zichtbare spectrum beslaat.

Genormaliseerde elektrisch (a,c,e) en magnetisch (b,d,f) velden voor λ=450 nm (a,b), 600 nm (c,d), en 750 nm (e,f). Rode pijlen geven de richting van het elektrisch veld aan. Parameters overeenkomen met Fig. 2.

Om het resonantiemechanisme te achterhalen, wordt een enkele-groef structuur geanalyseerd. De caviteitresonantievoorwaarde voor TM0 modi is 2neffdg+½λ=Mλ (M=1). De effectieve index neff wordt verkregen uit de even-modus dispersie van een metaal-isolator-metaal golfgeleider (Verg. 6). Simulaties bevestigen dat het verhogen van de groefdiepte de grafene-absorptiepiek verschuift naar langere golflengtes (Fig. 4). De piekposities komen nauwkeurig overeen met de theoretische voorspelling (helling 8,48 vs 10,46), wat aantoont dat de groefdiepte de absorptiepiek direct afstemt over het zichtbare bereik. Dit valideert het breedbandmechanisme voortvloeiend uit meervoudige dipoolkoppeling.

Enkele-groef absorptie vs groefdiepte. (a) Grafene-absorptiepiek vs diepte. (b) FDTD piekposities (blauw) en theoretische resonantie (rood). Parameters: Λ=300 nm, t=5 nm, w=30 nm, N=10.

De robuustheid van de absorber tegen spacer-dikte wordt gedemonstreerd in Fig. 5. Het vergroten van de PMMA-laag van 5 nm tot 20 nm behoudt de breedbandabsorptie, hoewel de band lichtjes verschuift naar langere golflengtes en de gemiddelde absorptie afneemt door zwakkere koppeling.

Grafene-absorptie vs spacer-dikte (overige parameters als in Fig. 2).

Figuur 6 onderzoekt de invloed van grafene-dikte (aantal monolagen N) en groefbreedte w. Het verhogen van N tot 10 levert een aanzienlijke absorptieboost op, maar verdere toenames leveren afnemende opbrengsten, met verzadiging rond N=30. De groefbreedte beïnvloedt primair de resonantiegolflengte; de optimale breedte is 30 nm, met afwijkingen van ±10 nm die de prestaties verminderen.

a Grafene-absorptie vs N. b Absorptiespectra vs groefbreedte (N=10). Overige parameters als in Fig. 2.

Hoekprestaties zijn een belangrijk voordeel: Fig. 7 toont dat zelfs bij 60° invalshoek de grafene-absorptie boven de 61 % blijft over 450–800 nm. Het dipoolkoppelingsmechanisme binnen de groeven is grotendeels invariant voor de invalshoek, wat hoek-ongevoelige breedbandabsorptie biedt—een eigenschap die zeldzaam is onder grafene-gebaseerde absorbers.

Grafene-absorptie vs invalshoek (overige parameters als in Fig. 2).

Conclusies

We hebben een multi-groove metasurface gedemonstreerd die grafene voorziet van hoek-ongevoelige, breedbandabsorptie over het volledige zichtbare spectrum. Het ontwerp benut meervoudige elektrische en magnetische dipoolresonanties binnen de groefcaviteiten, wat een gemiddelde absorptie van 71,1 % tussen 450 en 800 nm mogelijk maakt. De absorptiepiek is afstelbaar via de groefdiepte, terwijl de bandbreedte instelbaar is door het aantal en de diepte van de groeven. Prestaties zijn robuust tegen variaties in spacer-dikte, grafene-laag aantal, groefbreedte, en invalshoek—wat deze architectuur zeer aantrekkelijk maakt voor omnidirectionele fotodetectoren, fotovoltaïca, en andere grafene-gebaseerde opto-elektronische apparaten.

Afkortingen

FDTD

Finitie-differentie tijdsdomein

MIM

Metaal-isolator-metaal

PBCs

Periodieke randvoorwaarden

PMLs

Perfecte aangepaste lagen

PMMA

Polymethylmethacrylaat