In-Plane Coupling과 Out-of-Plane Coupling의 혼성화에 기반한 광학 활성 플라즈몬 메타표면

결과 및 토론

그림 2a와 같이 TM 편광에서 수직 입사각에서 약 1550nm의 제안된 메타표면의 반사 및 흡수 스펙트럼을 계산하고 묘사합니다. 흡수 스펙트럼의 경우 1550 및 1588nm에 각각 99.9% 이상의 완벽한 흡수 효율을 보이는 두 개의 뚜렷한 흡수 피크가 있습니다. 그림 2b에 표시된 반사 스펙트럼에서 이 파장 범위에서 이 메타표면의 EIT와 유사한 스펙트럼 응답을 관찰하고 반사 스펙트럼의 동일한 결과는 각각 FDTD 및 FEM을 사용하여 입증되었습니다. TE 편광 하에서 제안된 메타표면의 반사 스펙트럼(입사면에 수직인 전기 구성요소)도 그림 2b에 검은색 선으로 표시되며 반사는 TE 편광에 대해 이 메타표면에서 흡수가 발생하지 않음을 나타내는 반사에 가깝습니다. 이 메타표면의 편광 의존성은 제안된 메타표면의 비대칭 설계로 쉽게 설명될 수 있습니다. 따라서 이 메타표면은 TM 편광에 대해 효율적으로 결합하고 TE 편광에 대해 어둡게 유지됩니다.

아 그림 1에 표시된 플라즈몬 메타표면의 흡수 및 반사 스펙트럼. b 그림 1에 표시된 메타표면의 반사 스펙트럼은 각각 FDTD와 FEM에 의해 계산되었습니다. ㄷ 금 기질에서 서로 다른 거리를 가진 두 개의 금괴로 구성된 플라즈몬 메타표면. d c에 표시된 플라즈몬 메타표면의 반사 스펙트럼

그림 2a에서 제안된 메타표면의 EIT와 같은 현상을 쉽게 설명하기 위해 먼저 그림 2c와 같이 나노슬릿이 없는 비교적 단순한 메타표면을 고려합니다. 이 메타표면은 금 기판과 거리가 다른 두 개의 금 나노바로 구성되어 있습니다. 나노슬릿이 없는 이 메타표면의 반사 스펙트럼이 계산되고 그림 2d에 표시됩니다. 분명히 비대칭 선 모양의 EIT와 같은 스펙트럼 응답이 나타납니다. 이는 두 금괴 사이의 결합 효과 때문일 수 있습니다. 그런 다음 구조의 대칭 파괴 과정(그림 3a-c)을 조사하여 EIT와 같은 창의 기본 형성 과정을 명확히 합니다. ∆d 변화에 따른 반사 스펙트럼의 변화 계산되고 그림 3d에 표시됩니다. ∆d =0이면 그림 3e와 같이 작동 파장대역에서 1653nm 주변에 반사 딥이 하나만 있습니다. ∆d 증가하면 두 개의 반사 딥(ω)과 함께 EIT와 유사한 스펙트럼 응답이 나타남을 알 수 있습니다. _왼쪽 그리고 ω _오른쪽 ). ∆d를 더 늘리면 , ω _왼쪽 모드는 더욱 향상될 수 있으며 이러한 계산된 결과는 ω _왼쪽 모드는 금 나노바 A와 매우 관련이 있을 수 있습니다. 동시에 ∆d가 증가함에 따라 , ω의 공명 파장 _왼쪽 모드는 약간의 적색 편이를 나타내고 ω의 공명 파장 _오른쪽 모드는 1653nm 부근에서 거의 변화가 없습니다. 위의 분석을 통해 EIT 유사 현상의 발생은 나노구조의 비대칭에 기여할 수 있다. 또한, 그림 3d, g에 표시된 반사 스펙트럼에서 1395nm에서의 플라즈몬 공명을 해석하기 위해 설계된 메타표면과 금속 격자 구조 사이의 반사 스펙트럼을 비교합니다(그림 3g의 삽입 참조). 금속 격자 구조의 경우 이전에 보고된 연구[58, 59]에서 표면 플라즈몬 폴라리톤(SPP)의 여기로 인해 1395nm에서 공명 딥이 있습니다. 따라서 1395nm에서 이 메타표면의 플라즈몬 공명은 SPP의 여기로 인해 발생합니다.

아 –ㄷ 그림 2c에 표시된 플라즈몬 메타표면의 대칭 파괴 과정. d 다양한 ∆d를 갖는 플라즈몬 메타표면의 반사 스펙트럼 1100~1800nm의 파장 범위에서 이 ∆d가 있는 플라즈몬 메타표면의 반사 스펙트럼 =1550–1800nm의 파장 범위에서 0 에 다양한 ∆d를 갖는 플라즈몬 메타표면의 반사 스펙트럼 1550~1800nm의 파장 범위에서 지 다양한 ∆d를 갖는 플라즈몬 메타표면의 반사 스펙트럼 =92 nm 및 1100–1800 nm 파장 범위의 모든 금속 구조

그런 다음 그림 4a, b와 같이 금 나노바 A와 금 나노바 B만 있는 필름 결합 나노바 시스템을 사용하여 구성된 메타표면의 반사 스펙트럼도 각각 조사합니다. 개별적으로 TM 입사광으로 여기되면, 더 좁은 플라즈몬 모드(ω _A )은 금 나노바 A와 더 넓은 플라즈몬 모드(ω)로 메타표면에서 여기됩니다. _나 )은 금 나노바 B가 있는 메타표면에서 관찰됩니다. 이 두 플라즈몬 모드 이면의 물리적 메커니즘을 보다 명확하게 설명하기 위해 그림 4c, d와 같이 이 두 반사 딥에서 자기장 분포를 각각 계산합니다. 빨간색 화살표는 전류를 나타내는 반면 컬러 맵은 자기장의 크기를 나타냅니다. ω의 경우 _A 도 4a에 도시된 모드에서 자기장이 금 나노바 A와 금 기판 사이의 간격에 국한되는 것을 관찰할 수 있다. 게다가, 역병렬 전류는 상부 및 하부 내부 금속 계면에서 관찰된다. 따라서 플라즈몬 모드는 주로 순환 전류에 의한 자기 공명과 관련이 있으며 입사광 에너지는 금속의 옴 손실에 의해 소산되어 ω의 반사 딥이 발생합니다. _A 방법. 그런 다음 ω에 대해 _나 그림 4b의 모드에서 순환 전류는 ω의 전류와 반대 방향입니다. _A 또한 자기 공명을 자극할 수 있는 모드입니다. 금 나노바 A와 금 나노바 B가 모두 있는 필름 결합 나노바 시스템의 경우, 그림 5a의 현상은 두 개의 반사 딥(ω _왼쪽 그리고 ω _오른쪽 ) 비대칭 선 모양으로 인해 [3]. 이 비대칭 Fano와 같은 스펙트럼 선 모양과 EIT와 같은 창은 더 좁은 플라즈몬 모드(ω _A ) 그림 4a와 더 넓은 플라즈몬 모드(ω) _나 ) 그림 4b에 나와 있습니다. 우리가 아는 한, Fano 공명은 비대칭 위치를 가진 동일한 모양의 공진기의 인위적으로 구조화된 배열에서 처음 관찰됩니다.

아 금 나노바 A만 있는 플라즈몬 메타표면의 반사 스펙트럼 A. b 금 나노바만 있는 플라즈몬 메타표면의 반사 스펙트럼 B. c ω의 공진 파장에서 메타표면의 계산된 자기장 분포 H _A 방법. d ω의 공진 파장에서 메타표면의 계산된 자기장 분포 H _나 방법. (금 A와 금 B의 두께는 모두 92nm, 금 A와 금 B의 너비는 92nm, 폴리머의 두께는 110nm, 주기는 1395nm입니다.)

아 그림 2에 표시된 플라즈몬 메타표면의 반사 스펙트럼. b , ㄷ ω의 공진 파장에서 메타표면의 계산된 자기장 분포 H _왼쪽 모드 및 ω _오른쪽 모드. d , e 계산된 전기장 분포(|E _위치 |/|이 ₀ |) ω의 공진 파장에서 메타표면의 _왼쪽 모드 및ω _오른쪽 각각의 모드

이 두 가지 플라즈몬 공명(ω _왼쪽 그리고 ω _오른쪽 ) 그림 4c에 표시된 자기장 H와 전기장 |E _위치 |/|이 ₀ | 이 두 공진의 파장에서의 분포가 계산되고 그림 5에 묘사되어 있습니다. 한편, 그림 5b, c에 따르면 자기장은 주로 금 나노바와 금 기판 사이의 유전층에 국한되어 있습니다. 금괴와 Au 기판 사이의 면외 결합의 핵심 특징입니다. 분명히, 두 개의 흡수 피크에서 여기된 두 개의 공명에 대해 서로 다른 필드 분포가 관찰됩니다. ω의 경우 _왼쪽 모드에서 자기장은 금 나노바 A와 금 기판 사이의 간격에 국한되어 ω _왼쪽 모드는 ω의 자기장과 유사하지만 동일하지는 않은 금 나노바 A와 금 기판 사이의 평면 외 결합과 밀접한 관련이 있습니다. _A ω 사이의 결합으로 인해 그림 4c의 모드 _A 모드 및 ω _나 방법. ω _오른쪽 모드에서 자기장은 금 나노바 B와 기판 사이의 나노갭에 국한됩니다. 따라서 ω _오른쪽 모드는 주로 금 나노바 B와 금 기판 사이의 면외 결합에 기여합니다. 반면에 전기장은 금괴 가장자리의 초소형 영역에 강하게 강화되고 국부화됩니다. 그런 다음, EIT의 물리적 현상을 제외하고 이 메타표면은 플라즈몬 나노안테나(PN)로 취급될 수 있으며, 이는 자유 공간 입사광을 국부 전계 향상과 함께 하위 파장 영역으로 제한하는 데 매우 중요하고 기초적인 연구입니다. 나노포토닉 시스템. 여기에서 인수 |E _위치 |/|이 ₀ | PN의 국부 전기장 향상 성능을 평가하기 위해 정의됩니다. 그림 5d, e에서 볼 수 있듯이 메타표면의 국부적 전기장 향상은 75까지 도달할 수 있습니다. 그러나 국부 전기장 향상은 필름 결합 나노바 시스템을 사용하여 달성되지만 그림 4c에 따르면 여전히 거의 완벽한 흡수를 실현하기 위해 수행해야 하는 상당한 양의 작업으로 인해 변조 깊이가 작습니다. 이전 연구 [8]에서 우리는 큰 국부 전기장 향상과 거의 완벽한 흡수를 모두 달성하면 플라즈몬 센서, 광촉매 물 분해, SERS 및 SEIRA를 포함한 광범위한 응용 분야에 이점이 있음을 알고 있습니다. 게다가, 이 메타표면 구조는 상대적으로 더 넓은 선폭을 보여줍니다. 플라즈몬 공명의 Q 인자는 Q =λ/반치폭(FWHM)으로 정의되기 때문에, 더 넓은 공명은 더 낮은 Q 플라즈몬 공명으로 이어질 것입니다. 따라서 이러한 공진의 넓은 FWHM과 작은 변조 깊이는 굴절률 감지, 편광 전환 및 빛의 속도를 늦추는 것과 같이 날카로운 스펙트럼 응답이 필요한 응용 분야를 방해할 수 있습니다.

큰 국부 전계 향상, 거의 완벽한 흡수 및 높은 Q 인자 공명을 동시에 실현하기 위해 여기에서 이 작업에서 평면 외 플라즈몬 결합과 평면 내 플라즈몬 결합의 혼성화 개념을 소개합니다. 분명히, 평면외 결합을 기반으로 한 필름 결합 나노바 메타표면과 비교하여, 그림 1에서 제안된 이 메타표면은 그림 2에서와 같이 우수한 흡수 특성을 가지고 있습니다. 특히, 1550 nm에서 플라즈몬 공명의 FWHM은 7 nm입니다. , 결과적으로 Q 계수(Q =λ /FWHM =1550 nm/7 nm) of 221.43, 이는 이전에 보고된 작품[36,37,38,39,40,41,42]보다 훨씬 높습니다. 그런 다음 그림 1의 원래 메타표면에서 발생하는 high-Q Fano 공명과 완벽한 흡수에 대한 추가 물리적 통찰력을 얻기 위해 1550nm(ω)의 공명 파장에서 시뮬레이션된 자기장 및 전기장 분포를 플로팅합니다. ₁ ) 및 1588nm(ω ₂ 분명히 자기장은 금괴와 금 기질 사이의 틈에 주로 위치하며 자기장의 일부는 두 금 나노바 사이의 나노실트로 전파된다. 그림 5d, e와 같이 면외 결합에서만 발생하는 전기장과 달리, 이 제안된 메타표면의 전기장은 그림 6c에 따라 두 개의 금괴 사이의 초소형 영역에도 강하게 국한되어 있습니다. d, 이는 두 개의 금 나노바 사이의 강력한 국소 표면 플라즈몬(LSP) 결합을 나타냅니다. 그림 6c는 공진 파장에서 최대 전기장 향상이 108까지 도달할 수 있음을 보여줍니다. 이는 이전에 보고된 나노 안테나보다 훨씬 높은 그림 5d에 표시된 유일한 필름 결합 메타표면과 비교하여 약 1.4배입니다[21 , 60,61,62,63,64,65]. 특히, 강력한 전기적 강화가 특징인 초소형 "핫스팟"이 직경이 3nm에 불과한 원형 영역에 국한되어 있음을 명확하게 관찰할 수 있습니다. 따라서 이러한 하이브리드 메타표면 시스템은 우수한 흡수, 큰 국부적 전기 향상 및 작은 측면 분해능을 동시에 갖는 것으로 나타났습니다. LSP와 면외 커플링 모두.

아 , b 각각 1550 및 1588nm의 공진 파장에서 메타표면의 계산된 자기장 분포 H. ㄷ , d 계산된 전기장 분포(|E_loc |/|이 ₀ |) 각각 1550 및 1588 nm의 공명 파장에서 메타표면의

그림 2b의 분석 결과에서 우리는 메타표면이 TM 편파에 대해 효율적으로 결합하고 TE 편파에 대해 어둡게 유지된다는 것을 알고 있습니다. 이는 편파 스위치에 잠재적으로 적용할 수 있는 비대칭 설계 때문입니다. 그러면 PVA(poly(vinyl alcohol))의 굴절률이 펌프 파워의 변화에 ​​따라 변할 수 있다는 점을 고려하면[36, 56, 57], 일반적으로 유전층의 굴절률을 변화시켜 플라즈몬 공명의 작동 파장을 변화시킬 수 있다. 그런 다음, 그림 7a,b는 제안된 메타표면이 PVA의 굴절률을 변경하여 TM 편광에 대한 조정 가능한 공진을 포함하는 반사 편광기를 기반으로 하는 편광 스위치로 실제로 작동할 수 있음을 보여줍니다. 7b에서 외부 자극 없이 TM 편광은 1550nm의 파장에서 완전히 흡수되고("off" 상태), 이 메타표면은 1565nm의 파장에서 TM 편광을 완전히 반사할 수 있습니다("on" 상태). 외부 자극으로 TM 편광파에 대한 Fano 공명은 1565nm('오프' 상태)로 이동하고 이 메타표면은 1550nm('온' 상태)에서 TM 편광에 대해 완전히 반사됩니다. 그림 7b에서 이 메타표면은 실제 반사 값 변화는 1550nm에서 0.009에서 98%로 변경되며 이러한 큰 변조 깊이는 이전에 보고된 플라즈모닉 스위치 시스템보다 훨씬 높습니다. 반면에, 그림 7b에 따르면 입사광의 반사는 TE 편광("on" 상태)에 대한 외부 자극이 있는 경우와 없는 경우에 거의 비슷합니다. 따라서 이 메타표면은 11,000의 소광비(R _테 /R _TM =0.99/0.00009 =11,000) 1550nm에서. 또한 편광각 φ의 효과에 대한 계산도 제공합니다. 그림 7c와 같이 반사 스펙트럼에서. 분명히, 흡수 성능은 φ가 증가함에 따라 공진 파장에서 점차 저하될 것입니다. , 이는 입사된 전기장 E가 TE-편광 및 TM-편광으로 분해될 수 있고 TE-편광이 반사됨으로 설명될 수 있다. 그림 7c의 계산된 결과를 기반으로 1550 및 1588nm에서 펌프가 있거나 없는 메타표면의 예상 출력 편광이 그림 7d에 표시됩니다.

아 펌프 라이트가 있는 제안된 메타표면의 도식적 구조. ㄴ 펌프 광이 있거나 없는 TM 및 TE 편광 입사광이 있는 제안된 메타표면의 반사 스펙트럼. ㄷ 다양한 편광 각도로 제안된 메타표면의 반사 스펙트럼. d 1550 및 1588nm에서 펌프가 있거나 없는 메타표면의 예상 출력 편광

도핑된 CdO는 광학적으로 조정 가능한 플라즈몬 물질의 한 종류이며, 광여기된 CdO 필름을 기반으로 2.8μm에서 작동하는 펨토초 편광 스위치는 최근 문헌에서 실험적으로 입증되었습니다[1]. EIT 구조의 조정 가능한 용량을 추가로 개선하기 위해 제안된 메타표면의 광학적 특성을 CdO를 사용하여 조사했습니다[1]. 기하학적 매개변수가 있는 CdO 기반 메타표면의 개략적인 구조는 그림 8a에 나와 있습니다. MgO 및 CdO의 굴절률은 각각 참고 문헌 [1, 66]에서 얻습니다. 그림 8b에 따르면 약 1568nm에서 펌프가 있거나 없는 반사 스펙트럼을 보여줍니다. 정적 "켜짐" 상태에서 제안된 메타표면은 파장 1568nm에서 TE 편파를 반사하고 TM 편파를 완전히 흡수하는 편광판입니다. 정적 "오프" 상태에서 제안된 메타표면은 1568nm에서 TM 및 TE 편광 모두에 대해 반사가 되며, 외부 자극. 특히, 이 반사 편광판은 극도로 낮은 R로 인해 TM 편광에 대해 1568nm에서 큰 소광비를 달성할 수 있습니다. _분 그림 8b에 나와 있습니다. CdO 기반 메타표면의 거대한 소광비는 능동 편광 제어를 위한 좋은 플랫폼이 됩니다. CdO의 굴절률은 펌프 전력을 변경하여 조정할 수 있으며 EIT와 같은 효과의 작동 파장을 능동적으로 제어할 수도 있습니다. 게다가 우리는 펌프 빛이 다른 물질(금, MgO 포함)에 영향을 미치지 않는다는 것을 발견할 수 있는데, 이는 이러한 참고 문헌[1, 36, 56, 57]에서 실험으로 입증되었습니다.

아 Schematic structure of the CdO-based metasurface with pump light. ㄴ The reflection spectra of the CdO-based metasurface with TM- and TE-polarized incident light, with and without pump light

Besides, for the sensitivity of refractive index from the above analysis, the proposed metasurface also can be applied to detect the change of refractive index of surrounding environment. In many previously reported works about refractive index sensing, the light intensity of reflection/transmission wave is usually measured when the surrounding refractive index is variable with a specific operating wavelength. Then, to demonstrate the sensing property of this metasurface, Fig. 9 presents that the double plasmonic resonances are red-shifted with the increasing of surrounding refractive index changes. With the variation of the surrounding refractive index, the sensitivity(S) can reach S = 1500 nm/RIU. Then, the FWHM of the reflection dip at ω₁ and ω₂ is 7 and 7.5 nm respectively, which indicate that this metasurface can operate as an ultra-high FOM(S/FWHM₁  = 214.29) refractive index sensor in the near infrared region. The FOM = 214.29 is much higher than those of most previously reported plasmonic refractive index sensor [58, 67,68,69,70].

아 Reflection spectra of the proposed metasurface with varying refractive index of surrounding environment. ㄴ Resonant wavelengths of the proposed metasurface as a function of the surrounding refractive index