알루미늄 및 리튬 니오베이트 구성을 사용하는 메타표면 컬러 필터

결과 및 토론

제안된 소자의 유연성과 적용성을 높이기 위해 메타표면은 FP 공진기를 형성하기 위해 그 자체와 하부 미러층 사이에 틈을 남기도록 매달아 설계되었으며, 그 결과 입사광이 이 공간에 갇히게 된다. 그 다음 장치에 의해 흡수됩니다. D에 관하여 _와 그리고 g 값은 공진 파장의 이동에 기여하는 주요 요인이며, TAM의 거의 완벽한 흡수는 D 쌍을 통해 전체 가시 스펙트럼 범위에서 조정할 수 있습니다. _와 및 도 2a에 도시된 바와 같은 g 값. 네 쌍의 D _와 그리고 g 값은 TAM의 조정 가능성을 조사하기 위해 선택됩니다. 그들은 (D _와 , 지 ) =(160 nm, 355 nm), (200 nm, 450 nm), (240 nm, 540 nm), (280 nm, 645 nm) 각각. D의 구성으로 _와 그리고 g 433.9 nm, 533.5 nm, 629.8 nm, 740.9 nm의 서로 다른 파장에서 완벽한 흡수를 실현할 수 있습니다. 그림 2a의 삽입된 색상 이미지는 CIE RGB 매칭 기능을 사용하여 장치 표면의 실제 색상을 모방하여 계산된 인간의 눈에 해당하는 반사 스펙트럼의 가시 색상입니다. 공명과 D의 관계 _와 값은 그림 2b에 요약되어 표시됩니다. 공명은 D를 증가시켜 전체 가시 스펙트럼 범위에 걸쳐 선형으로 적색 편이됩니다. _와 150 nm ~ 290 nm의 값. 해당 보정 계수는 0.99401입니다. 이는 제안된 TAM 장치에 대한 뛰어난 조정 가능성을 보여줍니다. F-P 공진기의 공진 주파수는 [46]

아 D가 다른 TAM의 반사 스펙트럼 _와 그리고 g 가치. ㄴ 공명과 D의 관계 _와 가치

여기서 q 모드 인덱스, g 는 F-P 캐비티의 길이이며 c =c ₀ /n , 여기서 c ₀ 는 진공에서 빛의 속도이며 n 는 매질의 굴절률입니다. 이것은 제안된 설계에서 매달린 메타표면을 수직으로 이동하여 공진 주파수를 조정할 수 있음을 나타냅니다. 즉, g 가치.

그림 3은 g가 다른 TAM의 반사 스펙트럼을 보여줍니다. D 조건에서의 값 _와 =200 nm(그림 3a) 및 D _와 =250 nm(그림 3b), 각각. 그림 3a에서 g 410 nm에서 510 nm까지의 값. 튜닝 범위는 100nm입니다. 공명의 반치폭(FWHM)에서 가장 좁은 전체 폭은 g의 경우 29.9nm입니다. =470nm. 그림 3b에서 g 490 nm ~ 610 nm의 값. 튜닝 범위는 111nm입니다. 공명의 가장 좁은 FWHM은 g의 경우 31.8 nm입니다. =530nm. 조정 범위는 참고문헌[39]에 보고된 것과 비교하여 2배이고 이전 참고문헌[37, 38, 40]에서 보고된 것보다 우수합니다. 그림 3c, d는 공진과 g의 해당 관계를 보여줍니다. 각각 도 3a, b의 값. 공명은 g의 10nm 증분당 9.2nm만큼 선형으로 적색 편이됩니다. g의 10 nm 증분당 9.0 nm만큼 그림 3d와 같은 값. 조정 범위는 각각 90.5 nm 및 110.7 nm입니다. 모든 반사 스펙트럼은 거의 완벽한 흡수입니다. 해당 보정 계수는 각각 0.99950 및 0.99969입니다. 제안된 TAM의 이러한 디자인은 초고감도 컬러 필터 역할을 하거나 다양한 감지 응용 분야에 사용될 수 있습니다.

g가 다른 TAM의 반사 스펙트럼 a 조건의 값 디 _와 =200nm, b 디 _와 =250nm. c, d 공명과 g의 관계 a 값 그리고 b , 각각

거의 완벽한 흡수를 유지하면서 FWHM 및 튜닝 파장 범위 측면에서 TAM의 성능을 향상시키기 위해 TLNM이 제안되고 그림 1a와 같이 표시됩니다. 나노구조의 패터닝은 항상 모서리 효과와 가공 편차를 겪기 때문에 기하학적 패턴이 타원형 구멍으로 디자인된다. D의 매개변수 _x 그리고 디 _와 x-를 따라 매크로 축과 보조 축의 길이를 나타냅니다. 그리고 y -방향, 각각 K _x 및 K _와 매개변수는 1.2 및 D로 일정하게 유지됩니다. _x 값은 110nm입니다. 그림 4a는 D의 4가지 조합이 있는 TLNM의 반사 스펙트럼을 보여줍니다. _와 그리고 g 가치. 그 값은 200nm로 일정하게 유지됩니다. TLNM은 전체 가시 스펙트럼 범위에 걸쳐 매우 좁은 대역폭으로 완벽한 흡수 특성을 나타냅니다. 반사 스펙트럼의 FWHM 값은 3 nm입니다. 이러한 매우 좁은 FWHM은 F-P 공명에 의해 기여되며, 이는

아 D가 다른 TLNM의 반사 스펙트럼 _와 그리고 g 가치. ㄴ 공명과 D의 관계 _와 가치

여기서 λ _q 공진 파장, 아래 첨자 q 모드 인덱스, g 는 F-P 캐비티의 길이이며 R 는 하단 Al 메타표면과 상단 Al/LN 메타표면 사이의 F-P 공진기 표면의 반사율입니다. FWHM 값은 TLNM의 더 높은 반사 강도로 인해 감소할 수 있으며, 이는 LN 재료를 사용하여 광학 성능을 크게 향상시킬 수 있음을 의미합니다. 공명과 D의 관계 _와 도 4a의 값은 도 4b에 도시된 바와 같이 요약된다. 공명은 D를 증가시켜 427nm에서 673nm까지 선형으로 적색 편이됩니다. _와 250 nm에서 500 nm 사이의 값이고 해당 보정 계수는 0.97815입니다. 따라서 제안된 장치의 선형 조정 가능성을 보여줍니다.

매달린 타원형 LN 메타 표면은 움직일 수 있으며 MEMS 기술을 사용하여 광학 조정성을 달성하도록 직접 수정할 수 있습니다. 그림 5a, b는 g가 다른 TLNM의 반사 스펙트럼을 보여줍니다. D의 두 가지 조건에서 값 _와 =350nm, t =210 nm 및 D _와 =450nm, t =각각 280 nm. 그림 5a에서 g를 증가시키면 390 nm에서 570 nm까지의 값에서 공명은 465.9 nm에서 553.5 nm로 적색 편이됩니다. 그림 5b에서 g를 증가시키면 540 nm에서 780 nm까지의 값에서 공명은 613.6 nm에서 731.2 nm로 적색 편이됩니다. 그림 5c, d는 공진의 해당 관계를 보여줍니다. g 값과 그림 5a, b의 해당 FWHM 값. 공명은 매우 선형적으로 적색 편이됩니다. 해당 보정 계수는 두 경우에 대해 각각 0.99864 및 0.99950입니다. D의 경우 _와 =350nm, t =210 nm, 튜닝 범위는 87.6 nm이고 평균 FWHM 값은 그림 5c와 같이 3 nm입니다. D의 경우 _와 =450nm, t =280 nm, 튜닝 범위는 117.6 nm이고 평균 FWHM 값은 그림 5d와 같이 4 nm입니다. 가장 좁은 FWHM 값은 Fig. 5a와 같이 466 nm의 파장에서 1.5 nm이고, Fig. 5b와 같이 615 nm의 파장에서 3.2 nm임을 알 수 있다. 그것들을 제안된 TAM 설계의 결과와 비교하면 TLNM의 FWHM 값이 완벽한 흡수를 유지하면서 적어도 10배 향상됩니다. LN 메타표면을 사용하여 광학적 성능을 크게 향상시켰습니다. 이러한 결과는 TLNM이 초협대역, 완벽한 흡수 및 넓은 튜닝 범위의 이러한 특별한 특성에 따라 초고감도 컬러 필터, 흡수체, 검출기 및 센서와 같은 많은 응용 분야에서 잠재적으로 사용될 수 있음을 나타냅니다.

TLNM의 반사 스펙트럼. 매개변수는 a 조건에서 최대 조정 가능 범위에 최적화되어 있습니다. 디 _와 =350nm, t =210nm, b 디 _와 =450nm, t =280nm. ㄷ , d 공명의 관계, g 값 및 a의 해당 FWHM 값 그리고 b , 각각

TAM 및 TLNM 장치가 환경 센서와 같은 실제 응용 분야에 이식될 수 있는지 여부를 추가로 조사하기 위해 주변 굴절률이 서로 다른 주변 환경에 노출됩니다(n ). 그림 6은 1.0에서 1.3까지 다양한 굴절률로 주변 환경에 노출된 TAM의 반사 스펙트럼을 보여줍니다. TAM의 기하학적 치수는 D로 일정하게 유지됩니다. _x =110nm, D _와 =200 nm 및 g =450nm. 84.6 nm의 조정 범위(ω ₁ ) 및 172.1nm(ω ₂ ). 공명과 n의 관계 값은 그림 6b에 요약되어 있습니다. 감도는 246.7 nm/RIU 및 481.5 nm/RIU로 계산되며, 첫 번째 공진(ω ₁ ) 및 2차 공명(ω ₂ ), 각각. 이러한 더 높은 감도는 21.6 nm(ω ₁ ) 및 34nm(ω ₂ ). 이러한 특성은 실용적인 감지 애플리케이션에 매우 적합합니다.

아 굴절률이 다른 주변 환경에 노출된 TAM의 반사 스펙트럼(n ). ㄴ 공명과 n의 관계 가치

그러나 단점은 ω의 반사 강도가 ₁ 상대적으로 높고 ω ₂ n으로 20% 이상으로 증가 1.3으로 증가합니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 TLNM은 LN 메타표면의 특성으로 인해 안정적인 광학적 특성을 갖도록 설계되었습니다. 그림 7은 다양한 n으로 주변 환경에 노출된 TLNM의 반사 스펙트럼을 보여줍니다. D 조건에서의 값 _와 =350nm, t =210nm, g =490 nm 및 D _와 =450nm, t =280nm, g =각각 도 7a, b에 도시된 바와 같이 580 nm. 그림 7a에서 D와 TLNM의 공진 _와 =350nm, t =210nm, g =490 nm는 n을 증가시켜 58.4 nm의 조정 범위로 적색 편이됩니다. 1.0에서 1.2 사이의 값. D 조건에서 TLNM의 공진 _와 =450nm, t =280nm, g =580 nm는 n을 증가시켜 78.2 nm의 조정 범위로 적색 편이됩니다. 1.0에서 1.2 사이의 값. 이 두 가지 경우에서 TLNM은 반사 강도의 변동이 5% 미만인 거의 완벽한 흡수를 나타냅니다. 반사 스펙트럼은 TAM보다 안정적입니다. 공명과 n의 관계 값은 두 경우에 대해 각각 그림 7c, d에 표시됩니다. D가 있는 TLNM의 경우 _와 =350nm, t =210nm, g =490 nm, 감도 및 평균 FWHM 값은 각각 291.4 nm/RIU 및 3 nm입니다. 해당 FOM은 그림 7c와 같이 97로 계산됩니다. D가 있는 TLNM의 경우 _와 =450nm, t =280nm, g =580 nm, 감도 및 평균 FWHM 값은 각각 390.3 nm/RIU 및 4 nm입니다. 해당 FOM은 그림 7d와 같이 97.5로 계산되며, 이는 그림 6에 표시된 TAM에 비해 7배 향상되었습니다. 이는 TLNM이 환경 센서 응용 분야에 사용하기에 더 나은 감지 성능을 나타냄을 의미합니다. <사진>

굴절률이 다른 주변 환경에 노출된 TLNM의 반사 스펙트럼(n ) a 조건에서 디 _와 =350nm, t =210nm, g =490nm, b 디 _와 =450nm, t =280nm, g =580nm. ㄷ , d 공명의 관계, n 값 및 해당 FWHM 값 각각