Hybride metasurface driedelige lichtabsorber voor hoge-gevoeligheid RI sensing

Samenvatting

In dit werk wordt een eenvoudig ontwerp van een driedelige perfecte lichtabsorber (PLA) gebaseerd op hybride metasurface in zichtbaar gebied gepresenteerd, toepasbre voor brekingsindex (RI) sensing. In tegenstelling tot eerdere ontwerpen, bestaat de voorgestelde hybride metasurface voor zichtbare PLA slechts uit periodieke silicium kruis nanostructuur arrays en goud substraat. De periodieke silicium kruis arrays gedeponeerd op goud substraat dragen bij tot het opwekken van geleide modi onder normale incident lichtverlichting. Simulatieresultaten tonen drie perfecte absorptiepieken van 98,1%, 98,7%, en 99,6% op 402,5 THz, 429,5 THz, en 471,5 THz respectievelijk. Dit driedelige perfecte absorptieeffect kan toegeschreven worden aan intrinsieke verlies van siliciummateriaal afkomstig van geleide modus opwekking veroorzaakt by staande golven van verschillende orden. Bevestigd dat perfecte absorptie-eigenschappen van PLA eenvoudig geregeeld kunnen worden door geometrische parameters van eenheidscel nanostructuur te veranderen. Verder kan ontworpen PLA als RI sensor gevoeligheid bereiken van ~25,3, 41,3, en 31,9 THz/brekingsindex eenheid (RIU). Het voorgestelde PLA ontwerp voor RI sensing biedt grote potentiële toepassingen in sensing, detectie, verbeterde zichtbare spectroscopie, etc.

Inleiding

Metasurfaces, als belangrijke tak van optische metamaterialen, zijn twee-dimensionale (2D) array architecturen gevormd door sub-golflengte periodieke plasmonische nanostructuren bestaande uit gepatroniseerde dielectrische en metaalmaterialen. In recent jaren zijn metasurfaces uitgebreid onderzocht aangezien ze potentieel toepasbaar zijn in geminiaturiseerde vrij-ruimte optische componenten, zoals lenzen, golfplaten, spectrale filters, en absorbers. Een van de uitstekende aspecten van metasurfaces zijn perfecte lichtabsorbers (PLA's) in optisch gebied, met veelbelovende toepassingen in optische communicatie, thermische emissie, lichtopbrengst, en sensing. Over het algemeen kunnen metasurface-gebaseerde PLA's gerealiseerd worden door configuratie van drie-laags metaal-dielectrisch-metaal (MDM) nanostructuren of twee-laags dielectrisch-metaal (DM) nanostructuren, waarin diverse oppervlakteplasmonresonanties (SPRs) opgewekt kunnen worden en vervolgens lichtenergie opsluiten in gepatroneerde metalen of metaal-dielectrisch interface. Bovendien zijn intrinsieke optische verliezen van metaal- en dielectrische materialen in PLA ook belangrijke en voordelige factoren voor verbetering van elektromagnetische (EM) energie absorptie van incident licht. Bevestigd dat absorptiecapaciteit van PLA meestal afhangt van vorm, grootte, dikte, en samenstelling van plasmonische metasurface, die ook gevoelig zijn voor brekingsindex (RI) van omringend materiaal. Voor sensing toepassingen werd smalband PLA intensief onderzocht vanwege grote modulatie diepte. Wanneer PLA in gas of vloeistof omgeving geplaatst wordt, verschuift frequentie van absorptiepiek significant met verandering RI waarde van omringend materiaal. Dus talloze metasurfaces gebaseerd op smalband PLA's voorgesteld en intensief onderzocht. Bijvoorbeeld, Cheng et al. voorgesteld smalband PLA gebaseerd op MDM configuratie, gevoeligheid ~590 nm/RIU. Bhattarai et al. gedemonstreerd paddestoelhoed smalband PLA gebaseerd op Fabry-Perot kaviteit mechanisme, gevoeligheid tot 2508 nm/RIU. Andere PLA's op MDM configuraties voorgesteld en theoretisch onderzocht. Hoewel deze smalband PLA's hoge gevoeligheid bereiken, is grootschalige productie tijdrovend en kostbaar door complexiteit metasurface ontwerp. Het zou zeer nuttig zijn als smalband PLA ondersteund kon worden door relatief eenvoudige structuren. Yong et al. voorgesteld eenvoudig ontwerpschema PLA's voor sensing gebaseerd op all-metal metasurface. Voor deze PLA's worden edele metalen goud of zilver gebruikt, wat fabricagekosten verhoogt.

Recent trekken metasurfaces gebaseerd op silicium nanostructuren veel aandacht door toepassingen in detector, fotonische golfgeleider, kleurgenerator en filter, en PLA's. Vergelijkbaar met metaal nanostructuren is silicium een haalbare hoge RI materiaal dat diverse SPRs kan ondersteunen door structureel ontwerp bij optische frequentie bereik. Bovendien kan silicium kosteneffectief en appreciëel compatibel met complementaire metaal-oxide halfgeleider (CMOS) proces gegroeid worden over heterogeen substraat (zoals goud substraat) bij lage temperatuur, wat gemakkelijk voldoet aan eisen van grootschalige productie. In ons geïnteresseerde zichtbare bereik (350-500 THz) is RI waarde van silicium ongeveer constant, ~n_si = 3,7 × (1 + 0,0025i). Goud (Au) substraat laag beschreven door frequentie-afhankelijk Drude model uit experimentele data. Dikte goud substraat hoger dan doordringingsdiepte incident licht in zichtbaar bereik. Verschillend van typische MDM configuratie, ons voorgestelde PLA gebaseerd op hybride metasurface gevormd door sub-golflengte periodieke twee-laags DM nanostructuur, en verwacht polarisatie-onafhankelijk door geometrische rotatiesymmetrie van kruis nanostructuur en vierkante rooster. Geoptimaliseerde geometrische parameters: px = py = 400 nm, l = 350 nm, w = 100 nm, h = 85 nm, ts = 100 nm. Eenheidscel constante periodiciteit 400 nm langs x- en y-as richtingen om diffractie te vermijden tot 750 THz.

Voorgestelde PLA gebaseerd op hybride metasurface ontworpen en onderzocht via simulatie tool gebaseerd op eindige elementen methode (FEM) in CST Microwave Studio. Zolang getoond in Fig. 1c, vlakke golf excitatie met brede frequentiebereik 350-500 THz als verlichtingsbron met golfvector normaal op hybride metasurface oppervlak. In simulatie mesh grootte 0,3 nm, veel kleiner dan werkende golflengte en eenheidscel grootte. Standaard convergentietest uitgevoerd voor verwaarloosbare numerieke fouten. Periodieke randvoorwaarden langs x- en y-as voor periodieke rangschikking hybride metasurface. Incident lineaire polarisatie licht ingesteld propageren langs z-as richting, elektrisch (Ex) en magnetisch (Hy) velden langs x- en y-as. In ons ontwerp, transmissie geblokkeerd door goud substraat, absorptie berekend alleen door A(ω) = 1 - R(ω) = |S11|², waar S11 reflectiecoëfficiënt.

Resultaten en discussies

Figuur 2 toont gesimuleerde reflectantie en absorptie spectra van PLA gebaseerd op hybride metasurface onder normale incident lichtverlichting in zichtbaar gebied. Drie duidelijke resonantiepunten waargenomen bij f1 = 402,5 THz, f2 = 429,5 THz, f3 = 471,5 THz. Bij deze resonanties reflectantie gedaald tot 1,9%, 1,3%, 0,4%, corresponderende absorptie gestegen tot maximaal 98,1%, 98,7%, 99,6%. Volgens eerdere werken kan perfecte absorptie bij drie resonanties toegeschreven worden aan opwekking van hogere-orde SPR modi in silicium kruis nanostructuren onder normale incident lichtverlichting. Hoewel zowel hoge RI halfgeleider silicium als hoge reflectantie goud substraat breed gebruikt in eerdere werken, toont ons ontwerp relatief verbeterde eigenschap: driedelige perfecte absorptie in zichtbaar gebied met enkelvoudige silicium kruis nanostructuur. Verwacht dat PLA polarisatie-ongevoelig is voor normaal incident licht door hoge geometrische rotatiesymmetrie eenheidscel.

Bovendien zijn volle breedte halve maximum (FWHM) en Q-factor berekend. Bij drie resonantieposities: FWHM ~64,875 THz, 27,75 THz, 34,125 THz; Q-factor (=fi/FWHMi, i=1,2,3) ~6,48, 14,57, 13,82. Driedelige perfecte absorptie observeerbaar in ideaal geval met lucht media. Echter, resonantie absorptie eigenschap te regelen door buiten/omgevings RI waarde van PLA te veranderen. Bedoelt dat werkfrequentie significant geregeld kan worden door RI waarde van omgeving rond PLA te veranderen. Dus ontworpen PLA met steile resonanties biedt potentiële toepassingen in multiplex sensoren en detectors.

Om fysica mechanisme achter waargenomen driedelige perfecte absorptie te verifiëren, ruimtelijke distributies van elektrisch (Ex, x-z vlak) en magnetisch (Hy, y-z vlak) veld bij drie absorptiepieken systematisch onderzocht (Fig. 3). Ruimtelijke distributiepatronen sterke elektrische en magnetische velden significant verschillend bij verschillende resonantiefrequenties, onthullend opwekking van verschillende SPR modi. Echter, zowel elektrisch als magnetisch veld altijd sterk geconcentreerd in interface van silicium kruis en goud substraat bij resonantie. Deze ruimtelijke veldkenmerken wijzen op geleide modi met verschillende hogere orden in interface silicium kruis nanostructuur en goud substraat die opgewekt zijn. Intensieve geleide modus resonanties aan dielectrisch/metaal interface opgewekt wanneer incident licht gekoppeld wordt tussen golfgeleiders met verschillende brekingsindices. Resonante koppeling tussen incident licht en geleide modus van dielectrisch/metaal nanostructuur mogelijk, vergelijkbaar met metaal rooster geleide modus resonantie effect.

Om geleide modus resonantie van ontworpen PLA nanostructuur te illustreren: ontworpen silicium kruis nanostructuur aangenomen als dielectrische golfgeleider in zichtbaar gebied. Wanneer incident licht inpakt op gaten tussen twee aangrenzende eenheidscellen, wordt het gediffracteerd in siliciumlaag en gereflecteerd door goud substraat, vervolgens geleid in interface silicium/goud substraat. Vanwege symmetrische ontwerp eenheidscel, propageren gekoppelde geleide lichten van aangrenzende gaten tegenovergesteld en combineren tot staande golf in golfgeleiderlaag. Volgens resultaten Fig. 3a-f: alleen oneven harmonische geleide modi in nanostructuur opgewekt onder normale incident lichtverlichting. Fig. 3a-f tonen eerste-orde, derde-orde, vijfde-orde modi respectievelijk. Resultaten consistent met eerdere PLA's op MDM configuratie, waarin tweede-orde modus niet opgewekt kan worden voor normale incident licht. Omdat opwekking harmonische geleide modi voornamelijk bepaald wordt door geometrische parameters ontworpen nanostructuur. Alleen oneven of harmonische geleide modi kunnen opgewekt worden onder speciaal gepaste nanostructuur ontwerp in dit werk. Hogere-orde geleide modus opwekkingen in deze nanostructuur dragen bij aan verbetering incident licht koppeling in luchtgat en lokalisatie in silicium/goud interface, creërend perfecte lichtabsorptie bij diverse resonantiefrequenties. Zoals bekend, energieverlies incident licht geïnduceerd door geleide modus opwekking in nanostructuur altijd groot genoeg voor hoge absorptie bij resonanties. Bovendien geleide modus resonanties hoofdzakelijk bepaald door geometrische afmetingen en omringende media van ontworpen nanostructuur. Conclusie: hogere-orde geleide modi ook toepasbaar voor hoge-prestatie PLA in zichtbaar gebied met matige geometrische parameters in vergelijking met fundamentele modus met diepere sub-golflengte structuur.

Voor dieper en kwalitatief begrip perfecte absorptie, 3D distributies van stroomstroom en verliesdichtheid voor normaal incident y-gepolariaseerd licht bij diverse resonantiefrequenties (f1=402,5 THz, f2=429,5 THz, f3=471,5 THz) bestudeerd (Fig. 4a-c). Invoere lichtstroom oorspronkelijk parallele stromen ver van nanostructuur. Wanneer incident lichtstromen dichterbij PLA komen, stromen meeste "dwars" eenheidscel, krullen in siliciumlaag en concentreren op interface silicium/goud substraat. Ruimtelijke vorm stroomstromen in nanostructuur vertoont diverse kenmerken bij verschillende absorptiefrequenties. Stroomstroom profielen door geleide modus opwekkingen plaatsvinden in nanostructuur, intrinsiek verlies meestal in bulk materialen. Vanwege dielectrisch verlies natuur van silicium en goud in zichtbaar gebied, lichtenergieverliezen geïnduceerd door geleide modus opwekkingen met verschillende hogere orden hoofdzakelijk afkomstig van silicium kruis nanostructuur en goud substraat.

Figuur 4d-f toont 3D distributies verliesdichtheid in eenheidscel nanostructuur bij frequenties f1, f2, f3. Verliesdichtheden hoofdzakelijk verdeeld in interface tussen silicium kruis nanostructuur en goud substraat. Incident lichtenergie volledig ingeperkt in ontworpen PLA nanostructuur. Aangezien silicium en goud in nanostructuur beide dielectrisch verlies materiaal in zichtbaar gebied, lichtenergie dissipatie in PLA. In ons ontwerp, silicium kruis gunstiger voor absorptieprestaties dan eerdere vierkant en schijf, omdat gaten voorgestelde kruis-type nanostructuur meer incident licht vangen door geleide modus opwekkingen. Gestructureerd silicium met gepaste geometrische ontwerp zelf kan dienen als goede PLA, rekenend op verlieskenmerk siliciummateriaal in zichtbaar gebied. Verder silicium kruis ook als anti-reflectielaag, wat goud substraat bijna perfect absorptie materiaal maakt bij resonanties. Goud nog steeds plasmonisch in zichtbaar gebied omdat reële deel permittiviteit negatief. Incident licht sterk afgestoten door goud substraat, perfecte absorptie onmogelijk zonder SPRs respons.

Op basis van bovenstaande analyses: driedelige perfecte absorptie voorgestelde PLA afkomstig van geleide modi met hogere-orde en dielectrisch verlies natuur van silicium en goud substraat in zichtbaar gebied. Samengevat: geleide modus resonantie en verliezen nanostructuur zijn twee sleutelfactoren voor perfecte absorptie ontworpen PLA.

Vervolgens invloed geometrische parameters per eenheidscel op absorptie eigenschap ons PLA systematisch onderzocht via parameterstudie. Voor voorgestelde PLA: vier geometrische parameters: draaddikte (w), draadlengte (l), hoogte (h) silicium kruis nanostructuur, periodiciteit (p) eenheidscel. Reeks absorptie spectra met verschillende geometrische parameters (w, h, l, p) geïllustreerd Fig. 5a-d. Alleen één parameter geregeld per keer, overige constant.

Op basis Fig. 5a, b: absorptie resonantiepieken behouden >95% bij wijzigen één parameter, overige constant. Echter, werkafrequentie gevoelig voor geometrische parameters. Wanneer periodiciteit (p) PLA vast, absorptiepiek frequentie omgekeerd evenredig aan geometrische afmetingen (w, h, l) eenheidscel, consistent met eerdere studies. Effectieve brekingsindex geleide modus resonanties neemt toe met toename w, h, l. Absorptie eigenschappen PLA met verschillende w getoond Fig. 5a. Wijzigen w van 85 tot 105 nm stap 5 nm: duidelijke roodverschuiving absorptiespectra. Bij bredere draaddikte (w > 100 nm) silicium kruis: absorptie eerste en tweede piek lichtelijk afgenomen, derde bijna behouden. Resultaat verzwakte koppeling en insluiteffect geïnduceerd door nanostructuur. Eerste piek veel gevoeliger voor variaties w, duidelijke roodverschuiving. Absorptie eigenschappen PLA met verschillende h getoond Fig. 5b. H neemt toe van 80 tot 100 nm intervallen 5 nm: absorptiespectra variaties vergelijkbaar met w, piekfrequenties lichte roodverschuiving. Met toename h: absorptie eerste resonantiepiek neemt geleidelijk toe, tweede lichtelijk af, derde bijna constant. Fig. 5c: absorptiepieken verschuiven naar lagere frequenties bij toename l van 340 tot 360 nm stap 5 nm. Met toename l: absorptie eerste piek lichtelijk af, overige resonantiepieken constant. Fig. 5d: volledig tegenovergestelde variatietendens, "blauwverschuiving" absorptiepieken, bij toename p van 390 tot 430 nm intervallen 10 nm. Met toename p: absorptie eerste resonantiepiek lichtelijk toegenomen, overige absorptiepieken nauwelijks veranderd. Samengevat: resultaten Fig. 5 bevestigen absorptiepieken gerelateerd aan kenmerken staande golven aangetoond Fig. 3, indicerend werkafrequentie en efficiëntie voorgestelde PLA direct geregeld kunnen worden door relatieve geometrische parameters w, h, l, p.

Op basis resultaten en discussies ontworpen driedelige PLA, verwacht als veelbelovende kandidaat RI sensing toepassing. Om praktische haalbaarheid te verduidelijken, gedrag absorptie spectra als functie RI waarden omringend analyte geverifieerd. Fig. 6a: omringend analyte gevuld in gaten silicium kruis nanostructuur voorgestelde PLA. PLA heeft driedelige smalband en perfecte absorptie rond resonantiefrequentie, verwacht goede sensing prestaties. Afhankelijkheid absorptie spectra van verandering RI waarde omringend analyte getoond Fig. 6b. Absorptie behouden >95% bij RI verandering van n=1,0 tot n=1,4 stap 0,1, frequentieverschuivingen drie resonantiepieken duidelijke roodverschuiving met toename RI waarde. Variaties frequentiepunt 1 (f1), 2 (f2), 3 (f3) gemiddeld ~2,53 THz, 4,13 THz, 3,19 THz. Sensing capaciteit PLA breed geaccepteerd gedefinieerd als bulk RI gevoeligheid (S): S = Δf/Δn, Δf en Δn verandering resonantiefrequentie en RI waarde. Volgens definitie, Fig. 6c: gemiddelde S waarden drie frequentiepunt (f1, f2, f3) geëvalueerd ~25,3, 41,3, 31,9 THz/RIU. Vanwege uitstekende sensing kenmerken, ontwerp driedelige PLA veelbelovend in sensor gerelateerde velden.

Conclusies

Concluderend: een eenvoudig ontwerp van driedelige PLA gebaseerd op hybride metasurface voorgesteld en numeriek onderzocht, toepasbaar voor RI sensing. Voorgestelde PLA gebaseerd op hybride metasurface ontworpen als slechts bestaande uit periodieke arrays silicium kruis nanostructuren gedeponeerd op goud substraat. Numerieke resultaten: PLA vertoont hoge absorptie 98,1%, 98,7%, 99,6% bij 402,5 THz, 429,5 THz, 471,5 THz. Fysieke beelden PLA verkend via analyse ruimtelijke distributies elektrisch en magnetisch veld bij drie resonantiefrequenties. EM energie gedissipeerd via staande golven afkomstig van verschillende hogere-orde geleide modi in verliesvolle interface silicium kruis nanostructuur en goud substraat, leidend tot driedelige perfecte absorptie. Ruimtelijke distributies stroomstroom en verliesdichtheid onthullen dielectrisch verlies kenmerk silicium en goud in zichtbaar gebied ook cruciaal voor perfecte absorptie PLA. Resonantie absorptie eigenschappen ontworpen PLA nanostructuur bevestigd afstembaar in zichtbaar gebied door geometrische parameters eenheidscel te regelen. Frequenties resonantiepieken gevoelig voor RI variaties omringend analyte in PLA. Gemiddelde bulk RI gevoeligheid S waarden PLA ~25,3, 41,3, 31,9 THz/RIU. Voorgestelde PLA fabricageerbaar via diepe reactieve ion etching (DRIE) of geavanceerde elektronenbundel lithografie (EBL), kosteneffectief compatibel met CMOS proces. Dit PLA ontwerp opent nieuwe weg voor multispectrale RI sensing toepassingen in zichtbaar gebied, met name bio-moleculaire, gasdetectie, medische diagnostiek, ruimtelijke biosensing. Potentieel in substraten voor multiplex sensing activiteiten differentiatie en proliferatie neurale stamcellen.

Beschikbaarheid van data en materialen

Datasets gegenereerd en/of geanalyseerd tijdens huidige studie beschikbaar bij corresponderende auteur op redelijk verzoek.

Afkortingen

PLA:

Perfecte Licht Absorber

RI:

Brekingsindex

RIU:

Brekingsindex eenheid

2D:

Twee-dimensionaal

MDM:

Metaal-dielectrisch-metaal

SPRs:

Oppervlakte plasmon resonanties

EM:

Elektromagnetisch

CMOS:

Complementaire metaal-oxide halfgeleider

FEM:

Eindige elementen methode

FWHM:

Volle breedte halve maximum

DRIE:

Diepe reactieve ion etching

EBL:

Elektronenbundel lithografie