전체 가시 스펙트럼을 덮는 그래핀의 각도에 둔감한 광대역 흡수체는 좁은 금속 홈에서 전기 및 자기 쌍극자 공명의 다중 결합으로 인해 수치적으로 입증되었습니다. 이것은 그래핀 시트를 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 스페이서로 분리된 다중 홈 메타표면과 통합함으로써 달성되며, 450~800 nm의 스펙트럼 범위에서 71.1%의 평균 흡수 효율을 실현할 수 있습니다. 그래핀의 흡수 피크 위치는 홈 깊이로 조정할 수 있으며, 홈의 수와 깊이를 모두 맞춤으로써 흡수 대역폭을 유연하게 조절할 수 있다. 또한 그래핀의 광대역 광흡수 향상은 구조 변수의 변화에 강하고 입사각을 60°까지 높여도 좋은 흡수 특성을 유지할 수 있다.
<섹션 데이터-제목="배경">그래핀은 뛰어난 전자적, 기계적 및 조정 가능한 광학적 특성으로 인해 광전자 장치의 좋은 후보로 입증되었습니다[1,2,3]. 광 검출 및 태양 전지와 같은 많은 응용 분야에서 많은 양의 전자-정공 쌍을 생성하고 큰 광전류를 생성하기 위해 그래핀의 강한 흡수가 요구됩니다[4, 5]. 테라헤르츠에서 중적외선 범위에 이르기까지 그래핀은 금속처럼 행동하며 강력한 플라즈몬 반응으로 인해 우수한 흡수체로 기능할 수 있습니다[6,7,8]. 반대로, 가시광선 및 근적외선 영역에서 그래핀은 수직 입사에서 약 2.3%의 파장과 무관한 흡수를 나타내[9], 이는 광전 검출에서의 추가 적용을 심각하게 제한합니다.
최근에는 가시광선 및 근적외선 영역에서 그래핀의 광흡수를 향상시키기 위한 다양한 접근이 제안되고 있으며, 그래핀의 흡수 향상 배후의 물리적 메커니즘은 엡실론에 가까운 효과[10], 공동 공명[11, 12,13], 감쇠된 전체 반사율 [14], 유도 모드 공명 [15,16,17,18], 임계 결합 [19,20,21], Fano 공명 [22, 23], 플라즈몬 공명 [24,25] ,26] 및 자기 공명 [27,28,29]. 불행히도 이러한 흡수체의 대역폭은 공진 특성으로 인해 일반적으로 좁습니다. 아주 최근에, 그래핀의 흡수 대역폭은 광 흡수 채널을 증가시킴으로써 확장될 수 있음을 보여주었다[30,31,32,33,34,35]. 한편, 패치 공진기[30] 또는 Ag 나노디스크 어레이[31]를 사용하여 그래핀의 이중 대역 광 흡수 향상을 달성할 수 있습니다. 그래핀의 더 많은 광흡수 채널은 도파관의 두께를 증가시킴으로써 실현될 수 있고[32], 그래핀의 광대역 흡수 향상은 다중 Ag 나노디스크 어레이를 사용함으로써 가능하다[33]. 다른 한편으로, 그래핀의 각 흡수 채널은 감쇠된 전반사 구성을 사용하여 증가될 수 있고[34], 그래핀의 각진 조밀한 빗형 강화된 흡수는 하나의 유도 모드 공진의 여기를 통해 얻을 수 있습니다. 차원 광결정[35]. 실제 응용 분야에서 넓은 스펙트럼 범위에서 광-그래핀 결합의 향상은 광검출기 및 광전지와 같은 장치에 매우 중요합니다. 그러나 가시광선 및 근적외선 영역에서 그래핀의 광대역 흡수 향상에 대한 연구는 거의 없으며 가시광선 영역 전체를 덮는 그래핀의 각도에 둔감한 광대역 흡수체가 매우 요구되고 있습니다.
이 연구에서는 그래핀 시트를 다중 홈 메타표면과 통합하여 전체 가시 영역을 덮는 그래핀의 새로운 각도에 둔감한 광대역 흡수체가 제안되었습니다. 그래핀의 향상된 흡수 밴드는 홈 공동에 제한된 전기 및 자기 쌍극자 공명의 다중 결합으로 인해 발생했습니다. 그래핀의 흡수 밴드는 홈의 수와 깊이를 모두 조정하여 유연하게 제어할 수 있습니다. 구조 변수 및 입사각이 크게 변경되어도 높은 흡수 효율을 유지할 수 있습니다.
그림 1은 TM 평면파에 의해 조명된 다중 홈 메타표면의 개략도를 보여줍니다(자기장 벡터는 y -축) 그래핀의 각도에 둔감한 광대역 흡수 향상을 위한 것입니다. 구조의 단위 셀은 평면 그래핀 시트와 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA) 스페이서로 분리된 5개의 홈이 있는 패턴화된 은 필름으로 구성됩니다. PMMA 층은 그래핀과 패터닝된 은 필름 사이의 결합을 제어하는 버퍼 층의 기능을 하며, 응용 분야에서 스핀 코팅을 통해 다중 홈 표면에 쉽게 전사될 수도 있습니다. 단위 셀의 주기는 Λ입니다. , PMMA 스페이서의 두께는 t입니다. , 하단 은막의 두께는 D , 그리고 기질은 실리카이다. 홈의 형상은 너비 w로 설명됩니다. 그리고 그 깊이. 5개의 홈의 너비는 동일하고 깊이는 d입니다. 1 , d 2 , d 3 , d 4 , 및 d 5 , 각각. PMMA의 굴절률은 1.49[36]이고 은막의 복소 굴절률은 Palik[37]에서 가져왔습니다. 평면 그래핀 시트는 N개의 단층 그래핀 층으로 구성되며, 그래핀 시트의 두께는 N으로 3.4 nm입니다. =10 [11, 27]. 단층 그래핀은 표면 전도도가 σ인 극도로 얇은 표면으로 모델링됩니다. g Kubo 공식 [38, 39]에서 계산됩니다. 유한 온도에서 대역 내 및 대역 간 기여로 나눌 수 있습니다.
$$ {\sigma}_g\left(\omega \right)={\sigma}_{\mathrm{intra}}\left(\omega \right)+{\sigma}_{\mathrm{inter}}\ 왼쪽(\오메가 \오른쪽) $$ (1) <그림><소스 유형="이미지/webp" srcset="//media.springerature.com/lw685/springer-static/image/art%3A10.1186%2Fs11671 -019-2937-7/MediaObjects/11671_2019_2937_Fig1_HTML.png?as=webp">
아 그래핀의 각도에 둔감한 광대역 흡수를 위한 다중 홈 메타표면의 개략도. ㄴ 구조의 단위 셀의 단면도
$$ {\sigma}_{\mathrm{intra}}\left(\omega \right)=-j\frac{e^2{k}_BT}{\pi {\mathrm{\hslash}}^2\ left(\omega -2j\Gamma \right)}\left[\frac{\mu_c}{k_BT}+2\mathrm{l}n\left({e}^{-\frac{\mu_c}{k_BT} }+1\right)\right] $$ (2) $$ {\sigma}_{\mathrm{inter}}\left(\omega \right)=-j\frac{e^2}{4\pi \mathrm{\hslash}}\mathrm{l}n\left[\frac{2\left|{\mu}_c\right|-\left(\omega -j2\Gamma \right)\mathrm{\hslash} }{2\left|{\mu}_c\right|+\left(\omega -j2\Gamma \right)\mathrm{\hslash}}\right] $$ (3)여기서 e 그리고 ħ 는 각각 기본 전하와 감소된 플랑크 상수입니다. ㅋ 나 볼츠만 상수, μ ㄷ 는 화학적 잠재력, Γ =1/2τ 는 현상학적 산란율이며, τ 운동량 완화 시간입니다. 그래핀의 물리적 매개변수는 μ로 설정됩니다. ㄷ =0.15 eV, T =300 K 및 τ =0.50 ps.
시뮬레이션에서 FDTD(Finite-Difference Time-Domain) 방법(Lumerical FDTD 솔루션)이 채택되어 그래핀 기반 다중 홈 메타표면의 흡수 특성을 계산합니다. 주기적 경계 조건(PBC)은 x에서 사용됩니다. 방향, 반면 z의 경계 방향은 완벽하게 일치하는 레이어(PML)로 채택됩니다. 반사율(R ) 및 투과율(T )는 구조의 상단과 하단에 있는 두 개의 모니터에 의해 획득됩니다. 하단 은 필름은 광학적으로 충분히 두껍도록 선택됩니다(D =100 nm) 빛 투과를 방지하기 위해; 따라서 전체 흡수(A ) 구조의 A =1–R . 그래핀의 흡수(A g )는 [24]로 계산할 수 있습니다.
$$ {A}_g=\left[{P}_{\mathrm{up}}\left(\lambda \right)-{P}_{\mathrm{down}}\left(\lambda \right)\ 오른쪽]/{P}_{\mathrm{in}}\left(\lambda \right) $$ (4)여기서 P 위로 (λ ) 및 피 아래로 (λ )은 파장 λ에서 그래핀 시트의 상하 평면을 통과하는 전력입니다. , 각각. 피 안에 (λ ) 파장 λ에서의 입사 전력을 나타냅니다. . 시뮬레이션에서 P 안에 (λ )은 광원의 파워이고, P를 얻기 위해 그래핀의 상면과 하면에 2개의 파워 모니터를 삽입한다. 위로 (λ ) 및 피 아래로 (λ ). 이러한 거듭제곱은 FDTD 시뮬레이션의 전체 필드에서 추출됩니다.
그림 2는 그래핀이 있거나 없는 다중 홈 메타표면의 스펙트럼 응답을 보여줍니다. 홈의 수, 홈의 깊이와 너비, PMMA 스페이서의 두께와 같은 구조 매개변수는 가시 영역에서 광대역 흡수 향상을 얻을 수 있도록 최적화되었습니다. 그림 2a에서 볼 수 있듯이, 그래핀이 없는 다중 홈 메타표면은 플라즈몬 흡수체로 기능할 수 있으며, 나노구조 은막의 표면 플라즈몬 효과로 인해 가시광선 영역의 광 흡수가 향상될 수 있다. 그래핀이 있는 다중 홈 메타표면은 그림 2b를 참조하세요. 전체 가시 영역에서 광 흡수가 크게 향상될 수 있습니다. 전체 구조의 평균 흡수는 400–800 nm의 파장 범위에서 92.7%에 이르며, 이는 흡수 효율과 흡수 대역폭 모두에서 많은 플라즈몬 흡수기와 비슷합니다[40,41,42,43]. 흥미롭게도 빛 에너지는 주로 은보다는 그래핀에서 소산됩니다. 그래핀의 흡수 효율은 확장된 파장 영역에서 크게 향상되었으며 평균 흡수 효율은 450~800 nm의 스펙트럼 범위에서 71.1%에 이릅니다. 그러나 표면 플라즈몬 모드는 TM 편광에 의해서만 여기될 수 있기 때문에 TE 파 조명 아래에서 다중 홈 메타표면에 대한 명백한 흡수 향상이 없습니다(추가 파일 1:그림 S1 참조).
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아 그래핀이 없는 다중 홈 메타표면의 스펙트럼. ㄴ 그래핀이 있는 다중 홈 메타표면에 대한 전체 구조, 그래핀 및 은의 흡수 스펙트럼. 매개변수는 Λ입니다. =300 nm, t =5 nm, w =30 nm, D =100 nm, d 1 =20 nm, d 2 =35 nm, d 3 =50 nm, d 4 =80 nm, d 5 =90 nm, N =10, θ ㄷ =0°
TM파 조명에서 그래핀의 광대역 흡수 향상 효과에 대한 통찰력을 얻기 위해 다양한 파장에 대한 구조의 전기장 및 자기장 분포를 조사했습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 금속 홈의 모서리 주변에 전기장이 집중적으로 강화되고 방향이 x와 거의 평행합니다. -축, 전기 쌍극자 공명 모드에 해당 [44, 45]. 반대로, 자기장은 금속 홈의 공동에서 강하게 강화되고 방향은 xoz - 자기 쌍극자 공명 모드에 해당하는 평면 [26, 46]. 금속 홈에서 전기 및 자기 쌍극자 공명의 전자기 결합은 광-그래핀 상호작용을 현저하게 증가시켜 그래핀의 광 흡수를 향상시킨다. 필드 향상의 위치는 주로 단파장의 얕은 홈에 집중되며 파장이 증가함에 따라 더 깊은 홈으로 이동합니다. 따라서 전기 및 자기 쌍극자 공진의 다중 결합은 홈 깊이가 다른 다중 홈 구조에 대해 지원될 수 있으며, 결과적으로 전체 가시 영역을 덮는 그래핀의 광대역 광 흡수가 발생합니다.
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(a에 대한 450 nm의 파장에서 구조의 단위 셀의 전기장과 자기장의 정규화된 분포 ) 및 (b ); (c의 경우 600 nm ) 및 (d ); (e용 750 nm ) 및 (f ). 삽입된 흰색 대시 영역은 홈의 확대도이며 빨간색 화살표는 전기장의 방향을 나타냅니다. 구조 매개변수는 그림 2와 동일합니다.
다중 홈 메타표면의 그래핀 흡수 피크의 위치를 추가로 식별하기 위해 단일 홈 구조의 공진 특성을 연구합니다. 그림 4b의 삽입에 표시된 단일 홈 구조의 경우 TM 편광에서 홈 공동의 공진 파장은 [47]과 같이 주어집니다.
$$ 2{n}_{\mathrm{eff}}{d}_g+\frac{1}{2}\lambda =M\lambda, $$ (5)여기서 M 는 모드 번호이고 M =계산에서 1; n 에프 는 홈 공동의 유효 굴절률로, MIM(금속 절연체-금속) 도파관의 모드 굴절률과 동일할 수 있습니다. TM0의 기본 모드만 홈 너비가 파장보다 훨씬 작기 때문에 지원될 수 있으며 해당 n 에프 MIM 도파관의 짝수 모드 분산을 사용하여 결정할 수 있습니다[48]:
$$ \tanh \left(\frac{w\sqrt{\beta^2-{k}_0^2{\varepsilon}_d}}{2}\right)=-\frac{\varepsilon_d\sqrt{\beta ^2-{k}_0^2{\varepsilon}_m}}{\varepsilon_m\sqrt{\beta^2-{k}_0^2{\varepsilon}_d}}, $$ (6)여기서 ε d 그리고 ε m 는 각각 PMMA와 은의 유전상수입니다. ㅋ 0 입사광의 파동 벡터, β 는 MIM 도파관 모드의 전파 상수이고 n 에프 =β /카 0 .
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그림 삽입과 같이 단일 홈 구조에 대한 그래핀의 흡수 응답. 아 홈 깊이에 따른 그래핀의 흡수 반응. ㄴ 홈 깊이에 따른 그래핀의 흡수 피크 위치에 대한 FDTD 결과와 홈 깊이에 따른 공명 파장의 이론적인 결과. 매개변수는 Λ입니다. =300 nm, t =5 nm, N =10 및 w =30 nm
그림 4a에서 볼 수 있듯이 단일 홈 구조의 경우 홈 깊이가 증가할수록 그래핀의 흡수 효율이 증가하고 그래핀의 흡수 피크도 장파장으로 이동한다. 그림 4b에서 볼 수 있듯이 그래핀의 흡수 피크 위치는 홈 공동의 공명 파장의 이론적인 결과와 잘 일치한다. FDTD 결과의 기울기는 8.48로 이론적 결과인 10.46의 기울기에 가깝습니다. 식에 따르면 (5), 그래핀의 흡수 피크 위치는 홈 깊이가 증가함에 따라 적색 편이되며 홈 깊이가 20-90 nm 범위 내에서 변화함에 따라 전체 가시 영역을 덮는다. 따라서 그래핀의 흡수 피크 위치는 홈 깊이에 따라 조정될 수 있으며, 홈 깊이가 다른 여러 홈이 구조의 단위 셀에 통합되면 그래핀의 광대역 흡수를 실현할 수 있어 그라핀의 물리적 메커니즘을 추가로 검증할 수 있습니다. 다중 홈이 있는 메타표면에 대한 그래핀의 광대역 광 흡수. 그러나 고정된 기간과 고정된 홈 너비의 경우 홈의 수가 많을수록 그래핀의 흡수 성능이 더 좋아진다는 의미는 아닙니다(추가 파일 1:그림 S2 참조). 따라서 다중 홈 구성에 대한 홈의 수와 깊이를 모두 조정하여 그래핀의 흡수 성능을 유연하게 제어할 수 있습니다.
다중 홈이 있는 메타표면과 통합된 그래핀의 흡수 성능을 추가로 평가하기 위해 먼저 스페이서 층의 두께가 그래핀의 광 흡수에 미치는 영향을 조사했습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 그래핀의 흡수 응답은 스페이서 층의 두께 변화에 강하며, 스페이서 층의 두께가 5 nm에서 20 nm로 증가함에 따라 넓은 흡수 대역을 유지할 수 있다. . 스페이서 층의 두께가 증가함에 따라 구조의 광학적 두께의 증가로 인해 그래핀의 흡수 대역이 더 긴 파장으로 이동한다. 또한, 스페이서 층은 금속 홈과 그래핀 사이의 전자기적 결합을 제어하는 완충층의 기능을 가지고 있기 때문에 스페이서 층의 두께가 증가함에 따라 그래핀의 평균 흡수 효율이 감소한다.
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다중 홈 구조의 스페이서 층 두께에 따른 그래핀의 흡수 응답 및 기타 매개변수는 그림 2와 동일합니다.
그림 6은 단층 그래핀의 수와 홈 너비가 그래핀의 광흡수에 미치는 영향을 나타내며, 그래핀의 흡수 성능은 N 그리고 w . 도 6a에서, 그래핀의 광흡수는 단층 그래핀의 수가 10으로 증가함에 따라 현저하게 향상될 수 있다; 그러나 N의 경우 전반적인 흡수 향상이 느려집니다.> 10이고 N으로 포화됩니다. 단층 그래핀의 수가 증가함에 따라 그래핀의 광흡수가 항상 증가하는 것은 아니며, 그래핀 기반 도파관-공명 격자에서도 유사한 현상을 관찰할 수 있다[49]. 그림 6b에서 그루브 폭이 증가함에 따라 흡수대역이 청색편이되는 것을 볼 수 있으며, 평균 흡수는 w의 설계값에서 최대에 도달함을 알 수 있다. =30 nm는 가시 영역에서 전체 구조와 그래핀 모두에 대해 적용됩니다. 전기 및 자기 쌍극자 공진의 전자기 결합은 주로 홈에 국한되기 때문에 ± 10 nm의 홈 너비의 설계 값과의 편차는 다중 홈 메타표면의 흡수 성능에 뚜렷하게 영향을 미칩니다.
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아 단층 그래핀의 수에 따른 그래핀의 흡수 반응. ㄴ N의 홈 너비에 따른 전체 구조 및 그래핀의 흡수 스펙트럼 =10. 기타 매개변수는 그림 2와 동일
우리는 또한 다중 홈이 있는 메타표면과 통합된 제안된 그래핀 흡수체의 각도 견고성을 조사합니다. 그림 7에서 그래핀의 흡수 응답이 입사각의 변화에 강인함을 알 수 있습니다. θ에서도 평균 61.5%의 흡수 효율을 달성할 수 있음을 계산할 수 있습니다. ㄷ =450–800 nm의 스펙트럼 범위 내에서 60°이고 입사각이 크게 변경되더라도 흡수 대역은 거의 동일하게 유지됩니다. 이는 다중 그루브 메타 표면과 통합 된 그래 핀의 광대역 흡수 향상이 입사각의 변화에 거의 영향을 받지 않는 그루브 캐비티에서 전기 및 자기 쌍극자 공진의 결합에서 비롯되기 때문입니다. 대부분의 그래핀 기반 흡수체의 흡수 성능은 일반적으로 입사각에 따라 달라지므로 각도에 둔감한 흡수 성능이 매우 중요합니다 [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25, 28,29,30,31,32,33,34,35]. 제안된 구조는 기존의 그래핀 기반 흡수체와 달리 넓은 흡수 대역과 각도에 둔감한 성능을 동시에 가지고 있어 전방향 흡수체와 같은 다양한 영역에서 매우 요구됩니다.
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다중 홈 구조의 입사각에 따른 그래핀의 흡수 응답 및 기타 매개변수는 그림 2와 같습니다.
결론적으로, 다중 홈이 있는 메타표면과 집적된 그래핀의 각도에 둔감한 광대역 흡수체를 제안하고 그 광 흡수 특성을 수치적으로 조사하였다. 그래핀의 흡수대는 가시광선 전체를 덮고 있으며 450~800 nm의 스펙트럼 범위에서 평균 71.1%의 흡수 효율을 실현할 수 있다. 그래핀의 확장된 흡수 대역은 홈 공동에 제한된 전기 및 자기 쌍극자 공명의 다중 결합으로 인해 발생했으며 그 메커니즘은 단일 홈 구조를 사용하여 확인할 수 있습니다. 그래핀의 흡수 피크 위치는 홈 깊이에 따라 조정될 수 있으며, 그래핀의 흡수 대역폭은 홈의 수와 깊이를 모두 조정하여 유연하게 제어할 수 있습니다. 그래핀의 광대역 흡수 특성은 스페이서 층의 두께, 단층 그래핀의 수 및 홈 너비의 변화에 거의 영향을 받지 않습니다. 특히 그래핀의 광흡수 스펙트럼은 큰 각도에서도 거의 동일하게 유지된다. 다중 홈 메타표면을 사용하여 빛과 그래핀 사이의 상호작용 대역을 넓히는 아이디어는 근적외선 영역 및 기타 그래핀 기반 광전자 장치에도 채택될 수 있습니다.
유한 차분 시간 영역
금속 절연체 금속
주기적인 경계 조건
완벽하게 일치하는 레이어
폴리메틸메타크릴레이트
나노물질
초록 알루미늄 및 리튬 니오베이트(LN) 구성을 사용하는 메타표면 컬러 필터(MCF)의 두 가지 설계가 제안되고 수치적으로 연구됩니다. 이들은 각각 조정 가능한 알루미늄 메타표면(TAM) 및 조정 가능한 LN 메타표면(TLNM)으로 표시됩니다. MCF의 구성은 F-P(Fabry-Perot) 공진기를 형성하기 위해 알루미늄 미러 레이어 위에 매달린 메타표면으로 구성됩니다. TAM 및 TLNM의 공명은 하단 미러 레이어와 상단 메타표면 사이의 간격을 변경하여 각각 100nm 및 111nm의 조정 범위로 적색 편이됩니다. 또한 제안된
초록 본 논문에서는 THz 마이크로볼로미터 어레이의 마이크로 브리지 구조에 금속 스플릿 링 공진기를 기반으로 하는 주기적 구조를 통합하여 넓은 주파수 범위에서 높은 THz 파장 흡수를 달성합니다. 35μm × 35μm의 작은 단위 크기로 다층 구조 어레이의 THz 파장 흡수 특성에 대한 분할 링 구조의 영향을 연구하여 공명 흡수 주파수를 조작합니다. 스플릿 링과 금속 디스크의 결합 구조를 통합하여 흡수 대역폭을 효과적으로 증가시킵니다. 광대역 THz 흡수는 다른 구조의 흡수 피크를 결합하여 형성됩니다. 금속 디스크와 결합된 이중
