나노물질
산업 제조
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 광의 경우 91.6%에 도달할 수 있으며 최대 CD 크기는 288.5THz 및 404THz 주변에서 각각 최대 0.85 및 0.91에 이르는 것으로 나타났습니다. CMSA의 강한 카이로옵티컬 반응의 메커니즘은 단위 셀 나노구조의 전기장 분포로 설명됩니다. 또한 제안된 CMSA의 기하학이 원형 편광 선택적 흡수 특성화에 미치는 영향을 체계적으로 연구합니다.
반전 또는 거울면 대칭이 없는 물체의 기하학적 특성을 나타내는 유비쿼터스 현상인 키랄성은 항상 과학 기술과 관련이 있습니다[1, 2]. 키랄 매체는 일반적으로 거울 대칭이고 단순한 변환 또는 회전에 의해 거울 이미지에 중첩되지 않는 두 가지 거울상 이성질체 형태로 나타나며, 항상 오른쪽 및 왼쪽 원형 편광(RCP, "+" 및 LCP, "-") 빛 [1]. 키랄 매질에서 발생하는 원형 편광(CP) 빛의 원형 이색성(CD)은 가장 독특한 카이로광 특성 중 하나입니다. CD 효과는 생물학, 의학, 화학 및 편광 관련 광전자 장치 [3,4,5]에서 광범위한 응용 가능성이 있는 키랄 매체에서 RCP 및 LCP 조명의 다른 응답을 나타냅니다. 그러나 천연재료의 CD 효과는 다소 약하여 실용화에 매우 지장을 준다. 단층 또는 소수층 평면 구조로 구성된 메타 물질의 하위 클래스인 메타 표면은 임의의 전자기(EM) 파동 또는 광 조작에 대한 큰 가능성을 보여줍니다[6,7,8,9,10]. 특히, 키랄 메타표면(CMS)은 키랄 광학 효과를 몇 배나 향상시킬 수 있습니다.
CMS는 음의 굴절률 및 광학 활성 [11, 12], 비대칭 투과 [13, 14], 거대한 CD 효과 [15, 16, 17], 편광 변환 [18, 19], 그리고 파면 조작[20, 21] 등. 그 이후로 고효율 키랄을 구현하기 위해 다양한 CMS 구조(예:split-ring, spiral wire, gammadion, L-shape 등)가 연속적으로 제안되었습니다. LCP 또는 RCP 조명에 대한 선택적 필드 향상 [22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]. 그러나 이러한 CMS의 이전 설계 대부분은 전송 시 키랄성 성능에 중점을 둔 반면 엔지니어링 응용 프로그램에서 똑같이 중요한 CP 조명의 반사/흡수에는 훨씬 덜 주의를 기울였습니다. 기존의 흡수체에 대한 대부분의 연구는 선형 편광에 적용되는 반면 CP 조명에 대한 이러한 설계는 거의 연구되지 않은 것으로 잘 알려져 있습니다. 사실, CMS는 CP 조명을 위한 새로운 흡수체를 구성하는 데에도 사용될 수 있습니다[25, 26, 29,30,31,32,33]. 예를 들어, Li et al. [25]는 L자형 와이어를 기반으로 하는 초박형 흡수체를 제안했는데, 이는 마이크로파 영역에서 LCP 파동만 감쇠할 수 있습니다. Wang et al. [29]는 chiral metamirror가 모든 LCP 빛을 거의 반사할 수 있는 반면 적외선 영역의 RCP 빛은 완전히 흡수할 수 있음을 보여주었습니다. Tanget al. [30]은 가시광선에서 서로 다른 CP 광선에 대해 선택적인 흡수를 달성할 수 있는 ŋ 모양의 공진기를 가진 흡수기를 제안했습니다. 그런 다음, 플라즈몬 메타표면을 가진 근적외선 키랄 흡수체가 제안되었고 LCP 또는 RCP 빛을 선택적으로 흡수하는 것으로 입증되었습니다. 그러나 대부분의 CMS의 흡광도는 90% 미만입니다. 따라서 선택 흡수가 높은 키랄 메타표면 흡수체(CMSA)의 효과적인 설계가 매우 바람직합니다.
이 연구에서 우리는 근적외선 및 가시광선 영역에서 작동하는 이중층 4중 꼬인 반원 나노구조를 기반으로 하는 한 종류의 고효율 CMSA를 제시합니다. 이러한 CMSA는 서로 다른 공진 주파수에서 서로 다른 CP 조명에 대해 90% 이상의 흡수를 선택적으로 달성할 수 있습니다. 제안된 CMSA의 강한 선택적 흡수로 인해 약 0.9의 높은 CD 값을 그에 따라 실현할 수 있습니다. 다양한 CP 조명에 대한 선택적 흡수의 기본이 되는 물리적 메커니즘은 전기장 분포에 의해 자세히 분석되었습니다. 또한, 선택적 흡수에 대한 단위 셀 기하학적 매개변수의 영향도 체계적으로 연구되었습니다. 이 작업의 결과는 열 흡수 장치, 광통신 장치, 광검출기, 광학 필터, 이미징 및 홀로그램과 같은 많은 실제 응용 분야에 대해 강력한 흡수 및 CD 효과를 가진 CMSA의 설계를 안내할 수 있다고 합리적으로 믿을 수 있습니다.
그림 1은 꼬인 반원 나노구조를 갖는 주기적 어레이로 구성된 제안된 CMSA의 개략도를 제시한다. 그림과 같이 유전체 기판의 각 면에 4겹으로 꼬인 반원 나노구조가 이웃에 대해 90° 회전하고 아래쪽에 있는 각 반원 나노구조가 위쪽에 대해 90° 회전되도록 배치됩니다. 도 1b에서. 이전 설계[32]와 유사하게, 상단 4개의 반원 나노구조는 구리 실린더에 의해 하단 하나와 연결되고 구리 실린더의 반경은 반원 와이어 폭과 동일하여 전도성 결합을 증가시킬 수 있습니다. 꼬인 반원 나노구조는 두 꼬인 연결된 반원 사이의 전기 및 자기 유도 결합에서 강한 키랄 응답이 발생하는 결합 공진기 시스템으로 볼 수 있습니다[34, 35]. 거울 대칭을 가진 이 단순한 꼬인 반원 나노구조는 제안된 CMSA가 키랄성을 향상시킬 수 있도록 상단 및 하단 레이어에 설계되었습니다.
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설계된 CMSA의 개략도:a 주기적 배열, b , ㄷ 단위셀 나노구조의 전면 및 투시도. x에 따른 주기적인 길이 - 및 y- 축 방향은 모두 600 nm이고 수직 입사 CP 조명은 z를 따라 전파됩니다. -축 방향
제안된 CMSA의 전체 단위 셀은 4중 회전(C4 ) 광 전파 방향에 대한 대칭. 중간층의 유전체 기판은 무손실 유전체 MgF2로 만들어집니다. 1.9의 상대 유전율로. 키랄 금속 나노구조는 금으로 선택되었으며 재료 매개변수는 Drude 모델로 설명할 수 있습니다[36]. 단위 셀의 최적화된 구조 매개변수는 다음과 같이 제공됩니다. p x =피 와 =600 nm, r =70nm, w =40nm, t s =120nm, t m =30nm. CMSA의 단위 셀은 x-를 따라 주기적입니다. 그리고 y - 입사광 주파수가 500THz에 도달할 때 회절을 피하기 위해 주기가 600nm인 축 방향. 제안하는 CMSA의 효율성을 검증하기 위해 CST Microwave Studio의 주파수 영역 솔버를 이용하여 유한요소법(FEM) 기반의 전파 고주파 EM 시뮬레이션을 수행하였다. CMSA 단위 셀 나노구조, 적절한 경계 조건, 메쉬 크기 및 주파수 범위가 합리적으로 설정되면 주파수 영역 시뮬레이션을 시작할 수 있습니다.
시뮬레이션된 공편파 투과 계수(t ++ (ω), t − − (ω)) 및 반사 계수(r ++ (ω), r − − (ω)) 수직 입사 LCP 및 RCP 조명이 그림 2에 나와 있습니다. f의 주파수에서 두 개의 키랄 플라즈몬 공명 모드(모드 1 및 모드 2)가 분명히 관찰될 수 있습니다. 1 =288.5THz 및 f 2 =404 THz. 공편광 반사 계수 r ++ (ω) RCP 및 r − − (ω) LCP 조명은 동일합니다. 둘 다 전체 관심 주파수 범위에서 0.4 미만입니다. 또한 r의 크기는 ++ (ω) 및 r − − (ω) 공진에서 약 0.15로 감소하여 RCP 및 LCP 조명 모두에 대한 CMSA와 여유 공간 간의 임피던스 일치를 나타냅니다. 또한 공편파 투과 계수 t ++ (ω) RCP 및 t − − LCP 조명의 (ω)는 제안된 CMSA의 키랄 특성으로 인해 공진에서 크게 다릅니다. 낮은 주파수 지점 주변 f 1 , t의 크기 ++ (ω) RCP 조명의 경우 약 0.93으로 t보다 훨씬 높습니다. − − (ω) 약 0.075에 불과한 LCP 조명의 경우. 더 높은 주파수 포인트 주변 f 2 , t의 크기 ++ (ω) RCP 조명의 경우 0.018의 최소값으로 감소하는 반면 t − − LCP에 대한 (ω)는 약 0.92의 최대값까지입니다. 이는 입사된 RCP 광만 CMSA를 통과하도록 선택될 수 있고 LCP 광은 더 낮은 주파수에서 금지됨을 의미합니다. 더 높은 주파수 f에서와 같이 2 , 입사 LCP 광만 CMSA를 통과하도록 선택할 수 있으며 RCP 광은 극히 금지되어 있습니다. 따라서 위의 CMSA의 키랄 선택 현상은 결과적으로 RCP 및 LCP 조명에 대해 다른 흡수를 초래하며, 이는 공명에서 고효율 선택적 흡수 및 거대한 CD 효과의 존재를 의미합니다.
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아 시뮬레이션된 공편파 투과 계수(t ++ (ω), t − − (ω)) 및 반사 계수(r ++ (ω), r − − (ω)) 수직 입사 LCP 및 RCP 조명에 대해 제안된 CMSA, b 해당 흡광도(A + (ω), 아 - (ω)) LCP 및 RCP 조명 모두
그림 2b는 흡광도 스펙트럼(A + (ω), 아 - (ω)) 입사 LCP 및 RCP 조명 모두에 대해. LCP 및 RCP 조명의 흡광도는 최대 약 93.2% 및 91.6%인 반면 RCP 및 LCP 조명의 흡광도는 위의 두 공진 부근에서 각각 약 8.7% 및 4.8%로 감소됨을 관찰할 수 있습니다. . 분명히 제안된 CMSA는 LCP 빛의 강한 흡수와 더 낮은 주파수 f 주변의 RCP 빛에 대해 다소 높은 투과 수준을 나타낸다는 결론을 내릴 수 있습니다. 1 , 반면에 주파수가 더 높은 공진 주파수 f에 도달하면 조건이 완전히 반전됩니다. 2 . 이는 제안된 CMSA가 특정 방향성을 가진 두 개의 CP 조명에 대해 선택적 흡수를 표시하고 다른 공진에서 다른 하나는 반사한다는 것을 의미합니다. 게다가, CMSA는 하나의 단일 크기 키랄 나노구조를 사용하여 두 개의 강력한 흡수 주파수 대역을 가지며, 다른 CP 광에 대한 적응이 크게 의존하는 하나의 분리된 흡수 대역을 갖는 이전 키랄 흡수체에 비해 상당히 우수하다는 점을 강조할 가치가 있습니다. 다른 기하학 크기 [25, 26, 29, 31,32,33]. 따라서 설계된 키랄 나노구조는 저주파에서 완전한 LCP 광흡수체로 작용하고 고주파수에서 완전한 RCP 광흡수체로 작용할 수 있다. 제안된 CMSA의 선택적 흡수 성능은 고차 다극성 플라즈몬 공명(미도시)으로 인해 입사각(경사 입사)이 증가함에 따라 저하된다는 점에 유의해야 합니다. 또한, CP 조명에 대한 높은 키랄 선택적 흡수가 제안된 CMSA에서 거대한 CD 효과를 초래할 것이라고 추론할 수 있습니다.
LCP와 RCP 조명 사이의 흡수 또는 투과 차이는 CD 매개변수 Δ로 특성화할 수 있습니다. . 그림 3a는 CMSA의 CD 스펙트럼을 나타냅니다. 여기서 CD 매개변수의 주요 피크는 두 개의 공진 주파수에서 각각 약 0.85 및 0.91입니다. 이는 보고된 키랄 나노구조[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32, 37,38,39,40, 41,42]. 거대 CD 효과는 CMSA의 강한 카이랄성에 의해 발생하므로 투명 원형 편광판으로 적용할 수 있습니다. 원형 편광판으로 적용된 CMSA의 CP 순도를 더 조사하기 위해 타원 각도 η 및 편광 방위각 회전 각도 θ 도 3b에 도시된 바와 같이. η의 값은 θ의 값은 약 40.4° 및 − 43.9°입니다. 더 낮은 주파수와 더 높은 주파수에서 각각 약 0°입니다. 이는 투과광이 두 개의 공진 주파수에서 CMSA 슬래브를 통과한 후 현저한 RCP 및 LCP 특성을 나타냄을 의미합니다. CP 순도가 더 높은 이 CMSA 기반 원형 편광자는 높은 C4로 인해 임의의 편광 조명에 유효합니다. 단위 셀의 대칭. 따라서 균일한 원형 편광자는 우리가 설계한 키랄 나노구조로 실현되었다고 합리적으로 믿을 수 있습니다.
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수직 입사 LCP 및 RCP 조명에 대해 제안된 CMSA의 계산된 상대 광학 매개변수, a CD 매개변수 Δ , b 타원 각도 η 및 편광 방위각 회전 각도 θ
CMSA의 선택적 흡수 및 거대 CD 효과를 완전히 이해하기 위해 굴절률 Re(n ), 재(n - ), 재(n + ) 및 키랄 매개변수 Re(κ ) 그림 4a, b에 표시된 것처럼 CP 조명 [43, 44]의 투과 및 반사 계수에서 표준 검색 절차를 사용합니다. 강력한 키랄성과 관련된 두 가지 공명이 설계된 CMSA에서 나타나는 것이 분명합니다. 낮은 주파수 공명은 288.5THz 주변에서 발생하고 높은 공명은 404THz에 위치하며 이는 선택적 흡수 및 CD 피크의 특성 주파수와 일치합니다. 그림 4a와 같이 Re(n )는 최대 크기가 − 2.3 및 − 1.1인 음수이고 Re(κ )는 위의 두 공진 주파수 주변에서 6.4 및 − 5.1의 최대 크기입니다. 키랄 매개변수 κ 또한 RCP 및 LCP 조명의 음의 굴절에 기여합니다. 강한 키랄성은 n ± =n ± κ . 따라서 그림 4b와 같이 Re(n - ) LCP 조명 및 Re(n + ) RCP의 경우 빛은 각각 286.2THz ~ 291THz 및 400.2THz ~ 404THz에서 음수입니다. 또한 Re(n - ) 및 Re(n + )는 위의 두 공진에서 각각 − 8.6 및 − 6.3의 최대 음수 값입니다. 제안된 CMSA의 높은 선택적 흡수와 거대한 CD 효과가 LCP 및 RCP 조명의 음의 굴절 특성과 관련이 있음을 보여줍니다.
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제안된 CMSA의 검색된 상대 키랄 매개변수:a 평균 굴절률 Re(n의 실수부 ) 및 키랄 매개변수 Re(κ ), b 굴절률 Re(n - ), 재(n + ) LCP 및 RCP 조명용
제안된 CMSA의 거대 CD 효과와 관련된 선택적 흡수의 기원을 더 밝히기 위해 전기장(E z ) 288.5THz 및 404THz에서 RCP 및 LCP 조명에 의해 구동되는 단위 셀의 분포가 연구되었습니다. 표면 플라즈몬 공명의 여기는 반원 나노구조가 다른 CP 광의 입사 파장에 비해 작은 직경을 나타내기 때문에 진동하는 쌍극자 장을 생성하는 것으로 알려져 있습니다[45,46,47,48]. RCP 또는 LCP 빛이 반원 나노구조에 조명될 때 제안된 CMSA에서 선택적 흡수와 거대한 CD 효과가 나타나 결과적으로 각 층에서 전기장 및 자기장 성분의 분포가 다르게 나타날 것이라고 합리적으로 믿을 수 있습니다[48 ,49,50,51,52,53].
그림 5는 전기장(E z ) 서로 다른 공진 주파수에서 RCP 및 LCP 조명에 의해 구동되는 제안된 CMSA의 분포. 전기장의 세부 플롯(E z ) 반원 나노구조의 분포는 각 표면 플라즈몬 모드의 특성을 명확하게 보여줍니다[54]. 상단 및 하단 레이어의 반원 나노구조의 빨간색 및 파란색 영역은 RCP 및 LCP 광 여기에서 양전하 및 음전하 축적을 나타냅니다. 양전하와 음전하가 분리되어 주로 각 반원 나노구조의 모서리에 축적되어 전기 쌍극자 진동과 같은 역할을 합니다. 설계된 반원형 나노구조에서 전기 쌍극자 전력이 자기보다 훨씬 강하여 전기 쌍극자 진동이 우세함을 알 수 있다. 공명에서 생성된 선택적 흡수 및 거대 CD 효과는 LCP 및 RCP 여기에서 다른 명백한 쌍극자 전력 때문입니다. 여기에서는 각 층에 있는 4개의 반원 나노구조의 전하 진동을 하나의 쌍극자 진동으로 간주하는 등가 전기 쌍극자 모멘트를 갖는 단순화된 방법이 적용되었습니다[48,49,50]. Born-Kuhn 이론[47, 48]에 따르면 전기장 방향이 같은 두 쌍극자에서 혼성화되는 모드를 본딩 모드라고 하고, 두 쌍극자가 90° 또는 교차 방향으로 혼성화하는 모드를 본딩 모드라고 합니다. 안티 본딩 모드로. 그림 5a1, b1과 같이 f의 공진 주파수에서 RCP 조명 아래 1 =288.5 THz, 상부 및 하부 층의 전기 쌍극자는 횡방향을 나타내고 안티본딩 모드를 형성하고 결과적으로 Born-Kuhn 모델에 따라 RCP 광의 높은 투과율을 나타냅니다. 그림 5c1, d1에서 볼 수 있듯이 LCP 조명 하에서 CMSA의 전계 분포는 두 개의 등가 전기로 구성된 상층과 하층 사이의 결합 모드에서 하이브리드로 간주될 수 있음을 알 수 있습니다. 동일한 방향으로 쌍극자 모멘트를 발생시켜 LCP 광의 높은 흡수 수준을 초래합니다. 따라서 본딩 및 안티본딩 모드는 LCP 및 RCP 조명 조명에서 낮은 주파수에서 다른 공명 에너지와 키랄 나노구조의 다른 투과 및 흡수를 유발합니다(그림 2 참조). 그림 5a2, b2, c2, d2와 같이 RCP 및 LCP 조명 하에서 f의 공진 주파수에서 조명 2 =404 THz, 상부 및 하부 층의 전기 쌍극자는 각각 동일한 방향(결합 모드) 및 교차 방향(반결합 모드)을 나타내므로 결과적으로 RCP 광의 경우 높은 흡수 수준을, LCP 광의 경우 높은 투과율을 나타냅니다. 따라서 두 가지 다른 주파수에서 선택적 흡수 및 CD 효과는 주로 상부 및 하부 층 전기 쌍극자 모멘트의 하이브리드 결합에 의해 유도되는 결합 및 반결합 모드에 기인한다는 것을 알 수 있습니다.
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전기장(E z ) (a1)에 의해 유도된 제안된 CMSA의 단위 세포 분포 , b1 , a2 , b2 ) RCP 및 (c1 , d1 , c2 , d2 ) 다른 공진 주파수에서 LCP 조명:(a1 –d1 ) f 1 =288.5THz, (a2 –d2 ) f 2 =404THz. 검은색 실선(점선) 화살표는 제안된 키랄 나노구조의 상단(하단) 층에 대한 등가 전기 쌍극자 모멘트를 나타냅니다.
다음에서는 제안된 CMSA의 흡수 특성에 대한 단위 셀의 기하학적 매개변수의 영향을 조사합니다. 그림 6은 LCP 및 RCP 조명에 대한 시뮬레이션된 흡광도 스펙트럼과 공명 주파수(f - , f + ) 다른 기하학적 매개변수(r , w , 그 m , 그리고 t s ) 단위 셀. 설계된 나노구조의 경우, 경쟁적이고 복잡한 다중 요소인 매개변수 의존 선택적 흡수 특성의 흥미로운 스펙트럼 변화가 관찰될 수 있습니다. 이 연구에서 대조군의 기하학적 매개변수는 r =70nm, w =40nm, t m =30 nm 및 t s =120 nm, 한 번에 하나의 매개변수 변경
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시뮬레이션(a1 –d1 ) 흡광도 스펙트럼 및 (a2 –d2 ) 공진 주파수(f - , f + ) 다른 기하학적 매개변수를 가진 제안된 CMSA의 LCP 및 RCP 조명:(a1 , a2 ) 반경(r ), (b1 , b2 ) 와이어 너비(w ) 및 (c1 , c2 ) 두께(t m ) 반원 나노구조, (d1 , d2 ) 유전체 기판의 두께(t s )
r이 다른 반원 나노구조 (r =65 nm, 70 nm, 75 nm 및 80 nm)를 먼저 계산하고 다른 매개변수는 그림 6a1, a2와 같이 고정합니다. r 증가 시 , 공진 주파수 f - LCP 및 f용 + RCP 조명의 경우 점진적으로 감소하며 이는 동등한 LC로 해석될 수 있습니다. 공진 회로 이론 [55, 56]. 공진 주파수(f - , f + ) LCP 및 RCP 조명 모두에 대해 조명은 \(f_{ \mp } =\frac{1}{{2\pi \sqrt {LC} }}\)로 표현될 수 있습니다. 여기서 등가 커패시턴스 C 및 인덕턴스 L 주로 제안된 CMSA의 기하학적 매개변수에 의해 결정됩니다. 엘 r이 증가함에 따라 증가합니다. , 따라서 공진 주파수의 감소(f - , f + ). 또한 r이 증가하면 Fig. 6a1과 같이 , LCP 광의 흡광도는 점차 감소하지만 RCP 광의 흡광도는 거의 변하지 않습니다. 그림 6b1, b2는 w를 변경할 때 LCP 및 RCP 조명의 흡광도 스펙트럼을 보여줍니다. 30에서 45nm로 5nm씩 증가하고 다른 매개변수는 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 공진 주파수(f - , f + ) LCP 및 RCP 조명 모두 w . 분명히, 공진 주파수의 증가(f - , f + )는 주로 C . LCP 빛의 흡광도는 먼저 증가했다가 약간 감소하는 반면 RCP 빛 중 하나는 w가 증가할 때 점차 감소합니다. , 그림 6b2와 같이. 그림 6c1, c2와 같이 흡광도 스펙트럼과 공진 주파수(f - , f + ) 다양한 t를 갖는 LCP 및 RCP 조명 m 20에서 50 nm로 10 nm의 단계 및 기타 매개변수 고정. w의 변경과 유사한 경우가 있습니다. , 증가할 때 t m , 공진 주파수(f - ) LCP 광의 경우 크게 증가하고 RCP 광의 경우 약간 증가합니다. 이 경우 L <>t가 증가함에 따라 감소합니다. m , 따라서 공진 주파수(f - , f + ). 또한, LCP 및 RCP 조명 모두의 흡광도는 먼저 증가하고 t가 증가할 때 감소합니다. m , 그림 6c2와 같이. 마지막으로 흡광도 스펙트럼과 공명 주파수(f - , f + ) 다른 t가 있는 LCP 및 RCP 조명 모두에 대해 s (그 s =110 nm, 120 nm, 130 nm 및 140 nm), 다른 매개변수는 그림 6d1, d2와 같이 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. <>t가 증가하면 s , 그림 6d1과 같이 LCP의 흡광도는 점차 증가하고 RCP 광 중 하나는 약간 감소합니다. 또한, 공진 주파수(f - , f + ) LCP 및 RCP 조명 모두 t 증가 시 점차 감소합니다. s , 그림 6d2와 같이. 이 경우 C t 증가하면 증가합니다. s , 따라서 공진 주파수의 감소(f - , f + ). 공진 주파수(f - , f + ) 및 RCP 및 LCP 조명 모두에 대한 흡수 수준은 설계된 키랄 나노구조의 단위 셀의 기하학적 매개변수에 민감합니다. 따라서 제안된 CMSA의 선택적 흡수 특성은 구조 매개변수를 변경하여 동적으로 조정할 수 있습니다.
결론적으로, 이중층 4중 꼬인 반원 나노구조를 기반으로 하는 CMSA는 근적외선 및 가시광선 영역 모두에서 거대한 CD 효과뿐만 아니라 RCP 및 LCP 광에 대해 거의 완벽한 키랄 선택 흡수를 달성하기 위해 제안되었습니다. 시뮬레이션 결과는 RCP 및 LCP 조명 모두에 대한 키랄 선택적 흡광도가 90% 이상이고 CD 크기가 0.91에 도달할 수 있음을 보여줍니다. 검색된 유효 EM 매개변수에 따르면 저주파 흡수와 CD 효과는 모두 LCP 빛의 음의 굴절 특성과 관련이 있는 반면 고주파의 경우 RCP 빛과 관련이 있음을 알 수 있습니다. 전기장 분포는 CMSA의 키랄 선택적 흡수 특성과 거대한 CD 효과가 주로 상부 및 하부 층 전기 쌍극자 모멘트의 하이브리드 결합에 의해 유도되는 결합 및 반결합 모드에서 비롯됨을 나타냅니다. 또한 CMSA의 공명 주파수와 키랄 선택적 흡수 수준은 단위 셀의 기하학적 매개변수를 변경하여 조정할 수 있습니다. 따라서 CMSA의 설계는 광학 필터, 키랄 이미징, 원형 편광판, 감지 및 광통신 분야의 미래 응용 분야에 유망하다고 합리적으로 결론을 내릴 수 있습니다.
FEM 시뮬레이션:FEM(유한 요소 방법)을 기반으로 전파 EM 시뮬레이션이 수행되었습니다. 시뮬레이션에서 금의 전기적 특성은 Drude 모델에 의해 [36]으로 설명됩니다.
$$\varepsilon_{{{\text{Au}}}} ={1} - \omega_{p}^{{2}} /\omega \left( {\omega + i\gamma } \right)$$ (1)여기서 ω p =1.37 × 10 16 rad/s는 플라즈마 주파수이고 γ =8.04 × 10 13 rad/s는 광학 주파수 범위에서 금의 충돌 주파수입니다. 시뮬레이션에서 단위 셀 경계 조건은 x를 따라 적용되었습니다. - 그리고 y -축 방향과 2개의 CP 고유 조명을 직접 사용했습니다. 광대역 CP 조명은 여기 소스로 사용되며 일반적으로 - z에서 설계된 키랄 나노구조의 단위 셀을 통과합니다. + z까지 방향. 그런 다음 LCP 및 RCP 조명의 반사 및 투과 계수를 얻을 수 있습니다. 일반적으로 흡광도는 A로 표시됩니다. - (ω)/아 + (ω) LCP/RCP 조명의 경우 [17, 32]로 표현될 수 있습니다. A - (ω) =1 − R − − (ω) − T − − (ω) =1 − |r − − (ω)| 2 − |그 − − (ω)| 2 , A + (ω) =1 − R ++ (ω) − T ++ (ω) =1 − |r ++ (ω)| 2 − |그 ++ (ω)| 2 , 각각. 공편파 투과 계수 t − − (ω)는 LCP 및 t용입니다. ++ (ω) RCP 조명의 경우 r − − (ω) 및 r ++ (ω)는 각각 공편광 반사계수이다. 교차 편광 투과 계수(t +- (ω), t −+ (ω)) 및 반사 계수(r +- (ω), r −+ (ω)) LCP 및 RCP 조명은 높은 C로 인해 무시될 만큼 충분히 작습니다(<0.01). 4 설계된 키랄 나노구조의 단위 셀의 대칭. 또한 2개의 CP 조명을 선택적으로 흡수하여 CD 효과를 유도하며, 이는 △로 표현될 수 있습니다. =|그 ++ (ω)| − |그 − − (ω)| [14, 29]. The ellipticity and optical activity are important parameters to evaluate the chirality of the designed chiral nanostructure. The ellipticity characterizes the polarization state of transmitted lights of the chiral nanostructure, which is described by ellipticity angle η = arctan[(|t ++ (ω)| − |t − − (ω)|) / (|t ++ (ω)| +|t − − (ω)|)]. While the optical activity represents the rotation property of polarization plane of a transmitted linear polarization light respect to the incident one, which is described by the polarization azimuth rotation angle θ = [arg(t ++ (ω)) − arg(t − − (ω))]/2.
The datasets generated and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.
Chiral metasurface
Chiral metasurface absorber
Right-handed circular polarization
Left-handed circular polarization
Circular dichroism
Electromagnetic
Circular polarization
나노물질
초록 광 포획은 광활성 영역에서 광 흡수를 증가시킬 뿐만 아니라 매우 적은 재료로 효율적인 흡수를 허용하기 때문에 초박형 태양 전지의 중요한 성능입니다. 반도체-나노 안테나는 빛의 포획을 향상시키고 태양 에너지의 전달 효율을 높이는 능력이 있습니다. 이 작업에서 우리는 갈륨 비소(GaAs) 나노 안테나를 기반으로 하는 태양열 흡수 장치를 제시합니다. 468~2870 nm 범위의 파장에서 거의 완벽한 빛 흡수(90% 이상)가 달성되어 태양 복사에 대한 초광대역 및 거의 단일 빛 포획을 보여줍니다. 최대 61.947 mA/cm2의 높
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.