이 연구에서는 가시 영역의 하이브리드 메타표면을 기반으로 하는 삼중 대역 완전 광 흡수체(PLA)의 단순한 설계가 제시되었으며, 이는 굴절률(RI) 감지에 적용할 수 있음이 밝혀졌습니다. 이전 디자인과 달리 가시 PLA에 대해 제안된 하이브리드 메타표면은 주기적인 실리콘 교차 나노구조 어레이와 금 기판으로만 구성됩니다. 금 기판에 증착된 주기적인 실리콘 크로스 어레이는 수직 입사광 조명 하에서 가이드 모드를 여기시키는 데 기여합니다. 시뮬레이션 결과, PLA에서는 각각 402.5THz, 429.5THz, 471.5THz에 위치한 98.1%, 98.7%, 99.6%의 3개의 완벽한 흡수 피크가 명확하게 관찰되었음을 알 수 있습니다. 이 삼중 대역 완전 흡수 효과는 서로 다른 차수의 정상파에 의해 유발된 유도 모드 여기에서 비롯된 실리콘 재료의 고유 손실에 기인할 수 있습니다. PLA의 완벽한 흡수 특성은 단위 셀 나노 구조의 기하학적 매개 변수를 변경하여 쉽게 조절할 수 있음을 확인했습니다. 또한 RI 센서 역할을 하는 설계된 PLA는 약 25.3, 41.3, 31.9THz/굴절률 단위(RIU)의 감도를 달성할 수 있습니다. RI 감지를 위한 PLA의 제안된 디자인은 감지, 감지, 향상된 가시 분광법 등에 큰 잠재적 응용을 제공할 것이라고 믿을 수 있습니다.
메타표면은 광학 메타물질의 중요한 가지로서 패턴화된 유전체와 금속 물질로 구성된 서브파장 주기 플라즈몬 나노구조에 의해 형성되는 2차원(2D) 어레이 아키텍처입니다[1, 2]. 최근 몇 년 동안 메타표면은 렌즈, 파장판, 스펙트럼 필터 및 흡수체와 같은 소형 자유 공간 광학 부품에 잠재적으로 적용될 수 있기 때문에 광범위하게 조사되었습니다[1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10]. 메타표면의 뛰어난 측면 중 하나는 광통신 [11], 열 방출 [12, 13], 광 수확 [14] 및 감지 [15, 16,17]. 일반적으로 메타표면 기반 PLA는 삼층 금속-유전체-금속(MDM) 나노구조 또는 이중층 유전-금속(DM) 나노구조의 구성에 의해 실현될 수 있으며, 여기서 다양한 표면 플라즈몬 공명(SPR)이 가능하다. 여기되어 패턴화된 금속 또는 금속-유전체 인터페이스에서 빛 에너지 제한을 유발합니다[11, 15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]. 또한 PLA에서 금속 및 유전체 재료의 고유 광학 손실은 입사광의 전자기(EM) 에너지 흡수를 향상시키는 데 중요하고 유리한 요소이기도 합니다[11, 19,20,21,22,23,24,25,26 ,27,28,29,30]. PLA의 흡수 능력은 일반적으로 주변 물질의 굴절률(RI)에도 민감한 플라즈몬 메타표면의 모양, 크기, 두께 및 조성에 따라 달라지는 것으로 확인되었습니다[29,30,31,32 ,33,34,35,36]. 감지 응용 분야로 잘 알려져 있기 때문에 협대역 PLA는 변조 깊이가 크기 때문에 집중적으로 조사되었습니다[15,16,17,18, 31,32,33,34,35,36,37]. PLA가 기체 또는 액체 환경에 놓일 때, 흡수 피크의 주파수는 주변 물질의 RI 값의 변화에 따라 크게 이동합니다. 따라서 협대역 PLA를 기반으로 하는 수많은 메타표면이 제안되고 집중적으로 조사되었습니다[31,32,33,34,35,36,37,38]. 예를 들어, Cheng et al. 는 약 590 nm ∕RIU에 대한 감도를 달성할 수 있는 MDM 구성을 기반으로 하는 협대역 PLA를 제안했습니다[31]. Bhattarai et al. Fabry-Perot 공동 메커니즘을 기반으로 하는 버섯 모양의 협대역 PLA를 시연했으며 감도는 최대 2508 nm∕ RIU입니다[32]. 이후 MDM 구성을 기반으로 하는 다른 PLA가 지속적으로 제안되고 이론적으로 조사되었다[33,34,35,36,37]. 이러한 협대역 PLA는 높은 감도를 달성할 수 있지만, 대규모 생산은 메타표면 설계의 복잡성으로 인해 시간과 비용이 많이 듭니다. 따라서 협대역 PLA가 비교적 단순한 구조로 지지될 수 있다면 매우 도움이 될 것입니다. Yonget al. 모든 금속 메타표면을 기반으로 하는 감지 애플리케이션을 위한 PLA의 간단한 설계 방식을 제안했습니다[38,39,40]. 이러한 PLA의 경우 일반적으로 귀금속 금 또는 은이 사용되므로 제조 비용도 증가합니다.
최근 실리콘 나노구조를 기반으로 하는 메타표면은 검출기[41], 광도파로[42], 색상 발생기 및 필터[43, 44], PLA[45,46,47,48,49]에 응용되어 큰 주목을 받고 있습니다. ,50]. 금속 나노구조와 유사하게 실리콘은 광학 주파수 범위에서 구조적 설계를 통해 다양한 SPR을 지원할 수 있는 실현 가능한 고 RI 재료 중 하나입니다. 또한 실리콘은 비용 효율적이고 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정과 상당히 호환될 수 있습니다[44, 49]. 따라서 실리콘 메타표면 기반 PLA의 협대역 완전 흡수는 감지 응용 분야에서 매우 중요할 것이라고 믿을 수 있습니다[50]. 예를 들어, Ahmmed et al. 근적외선 영역에서 RI 센서로 작동할 수 있는 금 층에 증착된 비정질 실리콘 나노 디스크 어레이로 구성된 하이브리드 메타표면 기반 PLA를 제안했습니다[50]. 그러나 다중 감지 감지의 잠재적 응용 프로그램을 제한하는 단일 협대역에서만 작동합니다. 우리가 아는 한, 가시 영역에서 작동이 유효한 메타표면을 활용한 고효율 다중 대역 PLA에 대한 보고서는 거의 찾아볼 수 없습니다.
이 연구에서는 가시 영역의 하이브리드 메타표면을 기반으로 하는 삼중 밴드 PLA가 제안되고 이론적으로 시연되며, 이는 RI 감지에 적용할 수 있습니다. 금 기판에 단일 크기의 실리콘 교차 나노구조 어레이로 구성된 하이브리드 메타표면은 3개의 고유한 공명 주파수에서 98% 이상의 흡광도를 갖는 삼중 밴드 완전 흡수를 나타냅니다. 관찰된 완벽한 흡수의 기본 물리적 메커니즘은 공진 시 전기장의 공간 분포, 전력 흐름 및 전력 손실 밀도를 분석하여 설명되었습니다. PLA의 흡수 특성에 대한 단위 셀 나노구조의 기하학적 매개변수의 영향도 조사되었습니다. 또한 PLA의 흡수 피크는 주변 매질의 RI 값에 민감한 것으로 확인되어 감지 응용 분야의 잠재적 후보가 될 수 있습니다. 게다가, 하이브리드 메타표면 기반 PLA는 쉽고 간단하게 제조될 수 있을 뿐만 아니라 동일한 칩에서 플라즈몬, 전자 및 광자 장치에 쉽게 통합될 수 있습니다. 이러한 삼중 대역 PLA의 설계는 하이브리드 메타표면을 기반으로 한 나노 광자 장치의 실현에 효과적인 방법을 제시하며, 이는 다중 감지, 감지 및 향상된 가시 분광학의 잠재적 응용 프로그램 후보가 될 수 있습니다.
그림 1은 두 개의 기능 층으로만 구성된 하이브리드 메타표면을 기반으로 한 가시 PLA의 설계 개략도를 보여줍니다. 주기적인 실리콘 크로스 나노구조 어레이는 유전체 공진기 역할을 하는 상단 층을 구성하고 하단 층은 금 기판으로 구성됩니다. 서로 다른 패턴의 플라즈몬 실리콘 구조가 입사광 조명 하에서 서로 다른 SPR 모드를 지원할 수 있다는 것이 입증되었으며, 이는 유리한 광학적 특성으로 인해 테라헤르츠에서 가시 주파수 범위까지 PLA를 구성하는 데 적용될 수 있습니다[42,43,44,45,46 ,47,48].
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가시적인 삼중 협대역 PLA의 개략도. 아 2D 주기적 배열 구조. ㄴ 앞. ㄷ 단위 셀 나노구조의 투시도
가시광선 영역에서 반도체 실리콘은 RI가 높은 경제적인 재료로 특수한 구조 설계에 의해 유전 공진기로 간주될 수 있다[43,44,45,46,47,48,49]. 또한, 반도체 실리콘이 CMOS 공정과의 상당한 호환성에 의존하여 저온에서 이종 기판(예:금 기판) 위에 효율적으로 성장할 수 있다는 두드러진 이점이 있습니다[44, 49]. 대규모 생산의 요구 사항. 관심 있는 가시 범위(350–500 THz)에서 실리콘의 RI 값은 약 n인 거의 일정합니다. 시 =3.7 × (1 + 0.0025i ) [50,51,52]. 금(Au) 기질 층은 실험 데이터[53]에서 주파수 종속 Drude 모델로 설명할 수 있습니다. 금 기판의 두께는 가시 영역에서 입사광의 침투 깊이보다 높습니다. 일반적인 MDM 구성과 달리 하이브리드 메타표면을 기반으로 하는 제안된 PLA는 서브파장 주기적인 이중층 DM 나노구조로 형성되며, 제안된 PLA는 교차 나노구조 및 정사각형 격자. 디자인의 최적화된 기하학적 매개변수는 다음과 같이 주어집니다. p x =피 와 =400 nm, l =350 nm, w =100 nm, h =85 nm 및 t s =100 nm. 그림 1c와 같이 제안하는 PLA의 단위 셀은 x-를 따라 400 nm의 일정한 주기성을 갖도록 설정하였다. 그리고 y -최대 750THz의 주파수에 대한 회절을 피하기 위한 축 방향.
제안된 하이브리드 메타표면 기반 PLA는 CST Microwave Studio의 유한요소법(FEM) 기반 시뮬레이션 도구를 사용하여 설계 및 조사되었습니다. 그림 1c에서 볼 수 있듯이 350~500THz의 넓은 주파수 범위를 갖는 평면파 여기는 하이브리드 메타표면의 표면에 수직인 파동 벡터를 갖는 조명 소스로 간주됩니다. 시뮬레이션에서 메쉬 크기는 작동 파장 및 단위 셀 크기보다 훨씬 작은 0.3 nm로 설정됩니다. 무시할 수 있는 수치 오류를 보장하기 위해 단위 셀 시뮬레이션 전에 표준 수렴 테스트도 수행했습니다. x-에 따른 주기적인 경계 조건 그리고 y -축 방향은 하이브리드 메타표면의 주기적 배열을 고려하는 데 사용됩니다. 입사되는 선형편광광은 전기적(E x ) 및 자기(H 와 ) 필드는 x를 따라 있습니다. - 그리고 y -축 방향, 각각. 우리의 설계에서는 투과가 금 기질에 의해 차단되기 때문에 흡광도는 A로만 계산할 수 있습니다. (ω) =1 - R (ω) =|S 11 | 2 , 여기서 S 11 반사 계수입니다.
그림 2는 가시광선 영역의 수직 입사광 조명에서 하이브리드 메타표면을 기반으로 하는 PLA의 시뮬레이션된 반사율 및 흡광도 스펙트럼을 나타냅니다. f에서 3개의 뚜렷한 공명점이 분명히 관찰됩니다. 1 =402.5THz, f 2 =429.5THz 및 f 3 =각각 471.5THz. 이러한 공명에서 반사율은 1.9%, 1.3% 및 0.4%로 감소하고 해당 흡광도는 각각 98.1%, 98.7% 및 99.6%의 최대값으로 증가합니다. 이전 연구[45,46,47,48]에 따르면, 3개의 공진에서의 완벽한 흡수는 논의될 수직 입사광 조명 하에서 실리콘 크로스 나노구조의 고차 SPR 모드의 여기에 기인할 수 있다고 추측할 수 있습니다. 나중에. 기존 연구에서 널리 사용되는 고 RI 반도체 실리콘과 고반사율 금 기판을 모두 설계에 적용했지만[17, 38,39,40, 46, 48,49,50], 여전히 지적할 가치가 있습니다. 이 연구에서 제안된 PLA의 새로운 디자인은 단일 크기의 실리콘 크로스 나노 구조를 활용하여 가시 영역에서 삼중 밴드 완벽한 흡수라는 측면에서 상대적으로 향상된 특성을 나타냅니다. 또한 제안된 PLA는 이전 디자인과 유사한 단위 셀의 높은 기하학적 회전 대칭으로 인해 수직 입사광에 대해 편광에 둔감해야 할 것으로 예상할 수 있습니다[54,55,56].
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시뮬레이션된 반사율(R (ω)) 및 흡광도(A (ω)) 수직 입사광 조명 하에서 설계된 가시성 하이브리드 메타표면 기반 PLA의 스펙트럼
또한 제안된 PLA의 FWHM(full width at half maximum)과 Q-factor도 이전 참고문헌[40]에 따라 계산되었다. 위에서 언급한 3개의 공진 위치에서 FWHM의 값은 약 64.875THz, 27.75THz 및 34.125THz이고 해당 Q-인자(=f 나 /FWHMi , 나 =1, 2, 3)은 각각 약 6.48, 14.57, 13.82입니다. 공기 매체가 있는 이상적인 경우에 삼중 밴드의 완벽한 흡수가 관찰될 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 그러나 설계된 PLA의 외부/환경 RI 값을 조정하여 공명 흡수 특성을 조정할 수 있습니다. PLA를 둘러싸고 있는 환경의 RI 값을 변경하여 동작 주파수를 크게 조절할 수 있음을 의미합니다. 따라서 가파른 공진을 가진 설계된 PLA는 다중 센서 및 감지기에 몇 가지 잠재적인 응용 프로그램을 제공할 수 있습니다.
설계된 PLA의 관찰된 삼중 밴드 완전 흡수 현상 뒤에 있는 물리적 메커니즘을 확인하기 위해 전기(E x , x-z 평면) 및 자기(H 와 , y-z 평면) 필드는 그림 3과 같이 세 개의 흡수 피크에서 체계적으로 조사되었습니다. 분명히 강한 전기장과 자기장의 공간 분포 패턴(E x 그리고 H 와 )는 다양한 공진 주파수에서 크게 다르며 다양한 SPR 모드의 여기를 나타냅니다. 그러나 공진이 발생하면 전기장과 자기장이 항상 실리콘 크로스와 금 기판의 계면에 강하게 집중되는 것이 분명합니다. 이러한 공간 필드 특성은 실리콘 크로스 나노 구조와 금 기판의 계면에서 다른 고차를 갖는 가이드 모드가 여기되었음을 나타냅니다. 입사광이 굴절률이 다른 도파관 사이에 결합될 때 유전체/금속 계면에서 강한 유도 모드 공진이 여기된다고 믿어질 수 있습니다[57,58,59,60]. 한편, 입사광과 유전체/금속 나노구조체의 유도 모드 사이의 공진 결합이 가능하며, 이는 금속 격자 유도 모드 공진 효과와 유사하다[21, 59, 60].
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a의 분포 –ㄷ 전기장(E x x-z y 평면 =0 nm) 및 d –f 자기장(H 와 y-z x 평면 =0 nm) 서로 다른 공명 주파수에서 PLA의 단위 셀 나노구조:(a , d ) f 1 =402.5THz, (b , e ) f 2 =429.5THz 및 (c , f ) f 3 =471.5THz
설계된 PLA 나노구조의 유도 모드 공진을 설명하기 위해 설계된 실리콘 크로스 나노구조를 가시 영역의 유전체 도파관으로 가정할 수 있습니다. 입사광이 인접한 두 단위 셀 사이의 간격에 충돌할 때, 이는 실리콘 층으로 회절된 다음 금 기판에 의해 반사되고 후속적으로 실리콘/금 기판의 계면으로 안내됩니다. 단위 셀의 대칭 설계로 인해 인접한 갭의 결합 유도광은 반대 방향으로 전파되고 결과적으로 결합하여 도파관 층에 정상파를 형성합니다[58,59,60]. 그림 3a-f에 표시된 이러한 결과에 따르면 나노 구조의 홀수 고조파 유도 모드만이 수직 입사광 조명에서 여기 될 수 있음을 알 수 있습니다. 그림 3a-f는 각각 나노 구조의 1차 모드, 3차 모드 및 5차 모드를 보여줍니다. 결과는 2차 모드가 일반 입사광에 대해 여기될 수 없는 MDM 구성[58, 61]에 기반한 이전 PLA와 잘 일치합니다. 고조파 유도 모드의 가진은 주로 설계된 나노 구조의 기하학적 매개 변수에 의해 결정되기 때문입니다. 이것은 이 연구에서 특별한 적절한 나노구조 설계 하에서 홀수 또는 고조파 유도 모드만이 여기될 수 있음을 의미합니다. 이 나노구조에서 더 높은 차수의 유도 모드 여기(guided-mode excitation)는 에어 갭으로 결합되는 입사광을 향상시키고 실리콘/금 계면에 국지화하여 최종적으로 다양한 공진 주파수에서 완벽한 광 흡수를 생성하는 데 기여할 것입니다. 잘 알려진 바와 같이, 나노구조에서 유도 모드 여기에 의해 유도된 입사광의 에너지 손실은 항상 공명에서 높은 수준의 흡수를 도입할 만큼 충분히 큽니다[20, 21, 26, 58, 59, 60, 61]. 게다가, 이러한 유도 모드 공명은 주로 설계된 나노구조의 기하학적 크기와 주변 매질에 의해 결정된다[58]. 더 깊은 하위 파장 구조를 가진 기본 모드를 사용하는 것과 비교하여 중간 정도의 기하학적 매개변수를 사용하여 가시 영역에서 고성능 PLA를 얻기 위해 고차 유도 모드를 적용할 수도 있다고 결론지을 수 있습니다[61].
위의 완벽한 흡수에 대해 더 깊이 있고 정성적으로 이해하려면 수직 입사 y에 대한 전력 흐름 스트림 및 전력 손실 밀도의 3D 분포를 참조하십시오. - 다양한 공진 주파수에서 편광된 빛(f 1 =402.5THz, f 2 =429.5THz 및 f 3 =471.5 THz)도 그림 4a–c에 설명된 것처럼 연구되었습니다. 첫째, 입력 광 전력 흐름은 원래 공진에서 나노 구조에서 멀리 떨어진 공간에서 평행한 흐름입니다. 입사광 흐름이 PLA에 가까워지면 대부분이 단위 셀을 가로질러 흐르고, 후속적으로 실리콘 층에서 말리며 최종적으로 실리콘과 금 기판의 계면에 집중됩니다. 이 경우 나노구조의 파워 플라워 스트림의 공간적 형태는 서로 다른 흡수 주파수에서 다양한 특성을 나타낸다. 유도 모드 여기로 인한 전력 흐름 흐름 프로파일은 나노구조에서 발생하고 고유 손실은 일반적으로 벌크 재료에서 발생합니다. 가시 영역에서 실리콘과 금의 유전 손실 특성으로 인해, 다른 고차의 유도 모드 여기에 의해 유도되는 광 에너지 손실은 주로 실리콘 크로스 나노 구조와 금 기판에서 비롯되어야 한다고 생각할 수 있습니다. 피> <그림>
a의 3차원(3D) 분포 –ㄷ 전력 흐름 및 d –f 다른 공진 주파수에서 PLA의 전력 손실 밀도:(a , d ) f 1 =402.5THz, (b , e ) f 2 =429.5THz 및 (c , f ) f 3 =471.5THz
그림 4d–f는 f의 주파수에서 단위 셀 나노구조의 전력 손실 밀도의 3D 분포를 보여줍니다. 1 =402.5THz, f 2 =429.5THz 및 f 3 =각각 471.5THz. 전력 손실 밀도는 주로 실리콘 크로스 나노 구조와 금 기판 사이의 계면에서 분포하는 것을 관찰할 수 있습니다. 분명히 입사광의 힘은 설계된 PLA 나노 구조에 완전히 제한되어 있습니다. 나노구조의 실리콘과 금은 가시광선 영역에서 유전 손실 물질이기 때문에 설계된 PLA에서 빛 에너지 소산이 일어난다[48, 49]. 우리의 설계에서 실리콘 십자형은 제안된 십자형 나노구조의 갭이 유도 모드 여기로 인해 더 많은 입사광을 쉽게 포착할 수 있기 때문에 이전의 정사각형 및 디스크보다 흡수 성능을 개선하는 데 훨씬 유리합니다[47,48,49 ]. 사실, 적절한 기하학적 디자인을 가진 구조화된 실리콘 자체는 가시 영역에서 실리콘 재료의 손실 특성에 의존하여 우수한 PLA 역할을 할 수 있습니다[49]. 또한 실리콘 십자가는 반사 방지 층으로 가정할 수 있으며, 이는 공진에서 금 기판을 거의 완벽한 흡수 재료로 만듭니다. 금은 유전율의 실제 부분이 음수이기 때문에 가시 영역에서 여전히 플라즈몬입니다[53]. 입사광은 금 기판에 의해 강력하게 반발되며 SPR 응답 없이는 완벽한 흡수가 불가능하다는 점에 유의해야 합니다.
위의 분석에 기초하여 제안된 PLA의 삼중 대역 완전 흡수는 가시 영역에서 실리콘 및 금 기판의 고차 및 유전 손실 특성을 갖는 유도 모드에서 비롯된 것으로 결론지을 수 있습니다. 한 마디로, 유도 모드 공진과 나노구조의 손실은 설계된 PLA의 완벽한 흡수를 위한 두 가지 핵심 요소입니다.
다음으로, 각 단위 셀에 대한 기하학적 매개변수가 설계 PLA의 흡수 특성에 미치는 영향을 매개변수 연구를 통해 체계적으로 조사했습니다. 이 작업에서 제안된 PLA에 관해서는 4가지 기하학적 매개변수만 고려하면 됩니다. 와이어 너비(w ), 와이어 길이(l ), 높이(h ) 실리콘 크로스 나노구조의 주기성(p ) 단위 셀. 다양한 기하학적 매개변수를 사용하여 설계된 PLA의 일련의 흡광도 스펙트럼(w , h , 나 , 및 p ) 그림 5a-d에 설명되어 있습니다. 한 번에 하나의 기하학적 매개변수만 조절될 수 있고 나머지는 일정하게 유지된다는 점에 주목할 가치가 있습니다.
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제안된 PLA의 다른 기하학적 매개변수에 대한 완벽한 흡수의 의존성. 아 –ㄷ 와이어 너비(w ), 높이(h ), 와이어 길이(l ) 실리콘 크로스 나노구조의 d 주기성(p ) 단위 셀
그림 5a, b를 기반으로 한 기하학적 매개변수를 변경하고 나머지는 일정하게 유지하면 공명 피크의 흡광도가 95% 이상 유지될 수 있음을 관찰할 수 있습니다. 그러나 작동 주파수는 PLA의 기하학적 매개변수에 민감한 것으로 밝혀졌습니다. 주기성(p ) PLA의 고정된 경우 흡수 피크 주파수는 기하학적 크기(w)에 반비례합니다. , h , 및 나 ) 단위 셀의 ), 이는 이전 연구[58, 62]와 잘 일치합니다. 이는 유도 모드 공명의 유효 굴절률이 w의 증가에 따라 증가하기 때문입니다. , h , 및 나 . w 크기가 다른 PLA의 흡광도 특성 도 5a에 도시되어 있다. w 변경 85 에서 105 nm까지 5 nm 단위로 흡수 스펙트럼의 구별되는 적색 편이를 명확하게 관찰할 수 있습니다. 와이어 폭이 더 넓은 PLA의 경우(w> 100 nm) 실리콘 크로스, 첫 번째 및 두 번째 흡수 피크의 흡광도는 약간 감소하지만 세 번째 흡수 피크는 거의 유지될 수 있습니다. 이러한 종류의 반응은 주로 나노구조에 의해 유도된 약화된 결합 및 구속 효과에 기인합니다. 또한 두 번째 및 세 번째 공진 피크와 비교하여 첫 번째 피크가 와이어 폭 w의 변화에 훨씬 더 민감한 것을 알 수 있습니다. , 현저한 적색 편이 현상을 초래합니다. h 크기가 다른 PLA의 흡광도 특성 도 5b에 제시되어 있다. 높이가 h일 때 5 nm 간격으로 80 에서 100 nm로 증가하면 흡수 스펙트럼 변화는 와이어 폭 w을 변경하는 경우와 유사합니다. , 그리고 흡수 피크 주파수도 약간의 적색 편이를 나타냅니다. h의 증가와 함께 , 첫 번째 공명 피크의 흡광도는 점차 증가하는 반면 두 번째는 약간 감소하고 세 번째 공진 피크의 흡광도는 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있습니다. 그림 5c와 같이 와이어 길이 l일 때 흡수 피크가 더 낮은 주파수로 이동함을 알 수 있습니다. 340 nm에서 360 nm로 5 nm씩 증가합니다. 와이어 길이 l의 증가에 따라 , 첫 번째 흡수 피크의 흡광도는 약간 감소하지만 다른 공명 피크는 일정하게 유지됩니다. 그림 5d에서 볼 수 있듯이 흡수 피크의 "블루 시프트"로 설명할 수 있는 완전히 반대되는 변동 경향은 주기성 p일 때 발견되었습니다. 10 nm 간격으로 390 에서 430 nm로 증가합니다. 주기성 증가와 함께 p , 첫 번째 공명 피크의 흡광도는 약간 증가하지만 다른 흡수 피크는 거의 변하지 않습니다. 요약하면, 그림 5에 나타난 결과는 이러한 흡수 피크가 그림 3에서 입증된 정상파의 특성과 관련이 있음을 확인시켜주며, 이는 제안된 PLA의 작동 주파수와 효율이 상대적인 기하학적 구조에 의해 직접적으로 조절될 수 있음을 나타낸다. 와이어 너비를 포함한 매개변수(w ), 높이(h ), 와이어 길이(l ) 및 주기성(p ).
위에서 설계한 삼중 밴드 PLA의 결과와 논의에 따르면 RI 센싱 응용의 유망한 후보로 기대될 수 있다. 감지 응용 분야를 위해 설계된 삼중 밴드 PLA의 실용성을 명확히 하기 위해 주변 분석물의 RI 값에 따른 흡광도 스펙트럼의 거동이 추가로 검증되었습니다. 그림 6a와 같이 제안된 PLA의 실리콘 크로스 나노구조의 틈에 주변 분석물질이 채워져 있다. 우리 PLA는 3중의 좁은 대역폭과 공진 주파수 주변의 완벽한 흡수를 가지고 있기 때문에 좋은 감지 성능을 보일 것으로 예상할 수 있습니다. 주변 분석물의 RI 값의 변화에 대한 흡광도 스펙트럼의 의존성은 그림 6b에 나와 있습니다. 주변 분석물의 RI 값이 n에서 변할 때 흡광도가 95% 이상 유지될 수 있음에 유의해야 합니다. =1.0 ~ n =1.4에서 0.1의 간격으로, 3개의 공명 피크의 주파수 이동은 상당히 뚜렷하며, 이는 주변 분석물의 RI 값이 증가함에 따라 명백한 적색 편이로 설명될 수 있습니다. 주파수 포인트 1의 변화(f 1 ), 2(f 2 ) 및 3(f 3 ) 평균적으로 각각 약 2.53THz, 4.13THz 및 3.19THz로 판명되었습니다. 실제로 PLA의 감지 기능은 벌크 RI 감도(S)의 정의로 설명되는 것으로 널리 받아 들여졌습니다. S =Δf /Δn , 여기서 Δf 및 Δn 는 각각 공진 주파수와 RI 값의 변화이다[63]. 위의 정의에 따르면 그림 6c와 같이 평균 S 3개의 주파수 포인트 값(f 1 , f 2 , 및 f 3 )는 각각 약 25.3, 41.3 및 31.9 THz/RIU로 평가됩니다. 우수한 감지 특성으로 인해 삼중 대역 PLA의 설계는 센서 관련 분야에서 유망한 것으로 여겨질 수 있습니다.
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아 RI 감지 애플리케이션을 위한 PLA의 개략도. ㄴ n에서 주변 분석물의 RI 값을 변경하여 PLA의 시뮬레이션된 흡광도 스펙트럼 =1.0 ~ n =0.1 단계로 1.4. ㄷ 주변 분석물의 RI 값에 따른 선형 맞춤(실선) 및 시뮬레이션된 공명 주파수(빈 기호)
결론적으로, 하이브리드 메타표면을 기반으로 하는 삼중 밴드 PLA의 간단한 설계가 이 연구에서 제안되고 수치적으로 조사되었으며, 이는 RI 감지에 적용 가능하다고 믿을 수 있습니다. 하이브리드 메타표면을 기반으로 하는 제안된 PLA는 금 기판에 증착된 실리콘 크로스 나노구조의 주기적 어레이로만 구성되도록 설계되었습니다. 수치 결과는 설계된 PLA가 402.5THz, 429.5THz 및 471.5THz에서 각각 98.1%, 98.7% 및 99.6%의 상대적으로 높은 흡광도를 나타낼 수 있음을 나타냅니다. 설계된 PLA의 물리적 사진은 세 가지 다른 공진 주파수에서 전기장과 자기장의 공간 분포를 분석하여 탐구되었습니다. EM 에너지는 실리콘 크로스 나노구조와 금 기판 사이의 손실 계면에서 다른 고차 유도 모드에서 비롯된 정상파를 통해 소산되어 삼중 밴드 완전 흡수로 이어질 수 있음이 밝혀졌습니다. 게다가, 전력 흐름 흐름의 공간적 분포와 손실 밀도는 가시 영역에서 실리콘과 금의 유전 손실 특성이 PLA의 완벽한 흡수에 중요하다는 것을 보여줍니다. 또한, 우리가 설계한 PLA 나노구조의 공명 흡수 특성도 단위 셀의 기하학적 매개변수를 조절하여 가시광선 영역에서 잘 조정되는 것으로 확인되었습니다. 또한, 공명 피크의 주파수는 제안된 PLA에 채워진 주변 분석물의 RI 변화에 매우 민감한 것으로 입증되었습니다. 평균 대량 RI 감도 S PLA의 값은 각각 약 25.3, 41.3 및 31.9 THz/RIU입니다. 제안된 PPA는 CMOS 공정과 비용 효율적으로 호환되는 DRIE(심층 반응성 이온 에칭) 또는 EBL(고급 전자빔 리소그래피) 기술로 쉽게 제작할 수 있습니다[44, 49]. 따라서 PLA의 이 디자인은 특히 생체 분자, 가스 감지, 의료 진단 및 공간 생물 감지를 위한 가시 영역에서 다중 스펙트럼 RI 감지 응용 프로그램을 위한 새로운 길을 열 수 있습니다. It also has potential in applications of substrates for multiplex sensing activities of differentiation and proliferation of neural stem cells.
The datasets generated and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.
Perfect Light Absorber
굴절률
굴절률 단위
2차원
금속-유전체-금속
Surface plasmon resonances
전자기
상보성 금속 산화물 반도체
유한요소법
최대 절반에서 전체 너비
Deep reactive ion etching
전자빔 리소그래피
나노물질
초록 이 논문에서 우리는 광학 주파수에서 오른쪽 및 왼쪽 원형 편광(RCP, + 및 LCP, -) 빛에 대해 높은 선택 흡수를 달성할 수 있는 플라즈몬 키랄 메타표면 흡수체(CMSA)를 제시합니다. CMSA는 이중층 4중 꼬인 반원 금속 나노구조로 샌드위치된 유전체 기판으로 구성됩니다. 제안된 CMSA는 LCP 및 RCP 광에 대한 흡수 피크가 서로 다른 공진 주파수에서 발생하는 강력한 선택적 흡수 대역을 가지며 이는 상당한 원형 이색성(CD) 효과의 존재를 반영합니다. CMSA의 흡광도는 LCP 광의 경우 93.2%, RCP 광
초록 삼중 흡수 피크를 가진 초박형 및 유연한 메타물질 흡수체(MA)가 이 백서에 나와 있습니다. 제안된 흡수체는 각각 99.9%, 99.5%, 99.9%의 흡수율로 8.5, 13.5, 17GHz(X 및 Ku 대역)에 3개의 흡수 피크가 위치하도록 설계되었습니다. 제안된 구조는 두께가 0.4mm에 불과하며 다양한 대역에서 흡수 주파수의 각 자유 공간 파장에 대해 약 1/88, 1/55 및 1/44입니다. MA는 대칭 기하학으로 인해 둔감합니다. 또한, 제안된 구조는 60° 입사각 내에서 최소 86% 흡수(TE 입사)를 나타냅니다.
