초협대역 완전 흡수체 및 가시 영역의 플라즈모닉 센서로의 응용

결과 및 토론

그런 다음 다음 구조 차원으로 논의를 시작합니다. 구조는 P의 격자 주기를 갖습니다. =x 방향으로 580 nm. 정사각형 금나노리본과 삼각형 금나노리본의 높이는 각각 t로 설정됩니다. ₁ =45nm 및 t ₂ =30 nm . 유전체 층, 금 필름 및 기판의 두께는 t ₃ =10nm, t ₄ =25 nm , 그리고 t ₅ =165 nm , 각각. 삼각형의 금나노리본과 정사각형의 금나노리본의 너비는 d입니다. =75nm 및 w ₁ =와 ₂ =와 =142nm , 각각. 그림 3a는 설계된 구조의 시뮬레이션된 흡수, 반사 및 투과 스펙트럼을 보여줍니다. 그림 3a에서 볼 수 있듯이 흡수 효율은 최대 95%에 달할 수 있으며 751.225nm에서 0.001 미만 구조의 반사율 딥이 발견됩니다. FWHM은 1.82nm로 가시 영역에서 이전에 보고된 협대역 흡수체보다 훨씬 좁습니다[24, 28, 34, 39].

아 제안된 구조의 흡수, 반사 및 투과 스펙트럼. ㄴ 전기장의 분포 E 공진 피크에서 MDM 구조의 ㄷ 자기장 H의 분포 공진 피크에서 MDM 구조의 d MDM 구조와 순수 금속 격자 구조의 반사 및 흡수 스펙트럼. 이 전기장의 분포 E 공진 피크에서 순수한 금속 격자 구조의. 에 자기장 H의 분포 공진 피크에서 순수한 금속 격자 구조의

흡수 피크의 물리적 메커니즘을 자세히 설명하기 위해 공진 피크에서 전기장 E와 자기장 H의 분포가 계산되고 그림 3b, c에 표시됩니다. 분명히 그림 3b에서 볼 수 있듯이 간극의 전계 진폭은 입사광보다 최대 35배 큰 값에 도달할 수 있습니다. 따라서 제안된 구조는 완벽한 흡수뿐만 아니라 바이오 센싱 응용 분야에서 중요한 현상인 나노슬릿에서 전계 향상을 실현할 수 있다. 그림 3c와 같이 두 개의 금 나노리본 사이의 공간에 자기장이 가장 많이 집중되고 일부는 유전체층으로 침투하여 LSPR에 의한 결합효과를 나타낸다. 그런 다음, 유전체층과 금막이 극도로 좁은 FWHM과 높은 흡수 성능에 미치는 영향을 더 이해하기 위해 흡수 및 반사 스펙트럼을 분석하고 동일한 MDM 구조와 순수 금속 격자 구조를 비교합니다. 그림 3d와 같이 치수 매개변수. 분명히 MDM 구조는 FWHM이 더 좁고 공진 딥의 반사율이 더 낮습니다. 금속 격자 구조의 전기장과 자기장은 각각 그림 3e, f에 시뮬레이션되고 표시됩니다. 분명히 MDM 구조의 자기장 분포와 비교할 때 금속 격자 구조의 자기장은 자기장이 금속을 통과하지 않고 삼각형 금 나노리본의 표면에만 위치하여 의 비교 결과를 설명하는 데 사용할 수 있습니다. MDM 구조와 금속 격자 구조 사이의 흡수. 또한, 구조의 결합 거동으로 인해 그림 3b와 같이 두 개의 금 나노 리본과 얇은 금막 사이의 전계 강도가 입사파의 약 40배 더 크게 나타나 보고된 것보다 훨씬 큽니다. 참고로 [25].

그림 4a는 제안된 메타물질 흡수체의 흡수 스펙트럼에 대한 입사광의 편광 구성 효과를 보여줍니다. 구조가 TM 구성에서는 급격한 흡수 피크를 갖지만 TE 구성에서는 그렇지 않음을 알 수 있습니다. 분명히 LSPR은 TE 구성의 입사광에 의해 여기될 수 없으며 이는 흡수체의 비대칭 구조로 잘 설명될 수 있습니다. 또한 실제 시스템에서는 금박막의 표면산란과 입계효과로 인해 금박막의 감쇠상수가 벌크금보다 높을 가능성이 있다. 얇은 금 필름의 감쇠 상수의 영향을 고려하기 위해 그림 4b는 계산된 금 필름 감쇠 상수의 흡수 스펙트럼이 벌크 금보다 3배 및 5배 높음을 보여줍니다. 분명히, 진폭과 FWHM이 다른 흡수 피크가 관찰됩니다. 결과는 금속의 증가된 재료 손실이 이전 연구와 일치하는 제안된 협대역 흡수체의 흡수 특성을 더욱 향상시키는 데 바람직하지 않다는 것을 보여줍니다[17].

아 TE 및 TM 편광 구성에서 제안된 구조의 흡수 스펙트럼. ㄴ 금 필름의 감쇠 상수에 따라 계산된 흡수 스펙트럼

일반적으로 메타물질 흡수체의 특성은 구조의 기하학적 형태와 구조적 치수에 크게 영향을 받는 것으로 알려져 있습니다. 첫째, 삼각형 금 나노리본이 설계된 구조의 반사 스펙트럼에 미치는 영향을 조사합니다. 구조의 삼각형 금 나노 리본은 그림 5c–e와 같이 각각 정사각형 및 반타원 금 나노 리본으로 제거되거나 변경되며 다른 매개변수는 시뮬레이션에서 변경되지 않은 상태로 유지됩니다. 이 세 가지 구조의 반사 스펙트럼을 각각 그림 5f-h에 표시된 대로 원래 구조의 반사 스펙트럼과 분석하고 비교합니다. 원래 구조가 다른 세 구조보다 더 좁은 FWHM과 더 낮은 반사율 감소를 달성할 수 있음을 쉽게 관찰할 수 있습니다. 이러한 결과를 더 잘 이해하기 위해 그림 5i–l에서와 같이 이 네 가지 구조의 공진 피크에서 자기장(H) 분포가 각각 표시되고 색상은 자기장의 강도를 나타냅니다. 원래 구조의 자기장 강도는 다른 세 구조보다 분명히 더 강력합니다. 이것은 LSPR이 원래 구조에서 더 효율적으로 여기될 수 있다는 것을 의미하며, 결과적으로 FWHM이 더 좁아지고 반사율이 낮아집니다.

a–e 하나의 단위 셀의 다른 나노 구조를 가진 제안된 메타 물질의 개략도. f–h 다른 구조의 반사 스펙트럼. 나 해당 구조의 공진 피크에서 자기장 H의 분포

그림 5에서 볼 수 있듯이, 삼각형 나노리본을 사용한 원래 구조의 광학 성능은 다른 구조에 비해 우수함을 알 수 있습니다. 광학 성능에 대한 삼각형 나노리본의 영향에 대한 추가 통찰력을 만들기 위해 동일한 각도 θ<를 갖는 사다리꼴 나노리본을 포함하는 그림 6a에 표시된 수정된 구조에 대한 자세한 계산 및 분석을 제공합니다. /나> 원래 구조의 삼각형 나노 리본에. 먼저 그림 6b, c와 같이 각도 θ일 때 사다리꼴 나노리본의 높이 h에 따른 변형된 구조의 광학적 성능을 조사합니다. 변하지 않은 채로있다. 분명히 높이 h가 10nm보다 크면 구조의 광학 성능이 거의 변하지 않고 유지되어 구조의 광학 성능이 제조 시 견고함을 보여줍니다. 높이 h가 5nm 미만이면 반사율 딥이 증가합니다. 이는 높이 h가 LSPR 여기의 유효 영역을 낮추기에는 너무 작습니다. 그림 6d, e와 같이 다양한 각도 θ에 따른 수정된 구조의 광학 성능도 조사합니다. 높이 h가 15nm로 설정된 경우 변형된 구조의 광학 성능은 35°~68°의 넓은 각도 범위에서 거의 변하지 않음을 쉽게 관찰할 수 있습니다. 그러나 반사율 딥은 θ 각도에서 분명히 증가합니다. 30°보다 작으면 너무 작은 각도 θ LSPR의 여기 효율을 감소시킬 수 있습니다. 따라서 사다리꼴 나노리본과 정사각형 나노리본 사이의 다양한 각도 매개변수가 광학 성능에 미치는 영향에 대한 상세한 분석을 통해 원래 구조의 완벽한 흡수 성능은 삼각형 나노리본 사이의 모서리에서 LSPR의 여기에 기인합니다. 및 그림 5i에 표시된 자기장의 결과와 잘 일치하는 정사각형 나노리본. 동시에 이 구조는 h 다양한 높이에서 우수한 광학 성능을 유지할 수 있습니다. 및 각도 θ , 이는 제조 견고성에 대한 큰 완화를 제안하고 나노구조가 실험적 관점에서 보다 현실적이 되도록 합니다. 마지막으로 실제 나노구조의 제조공정을 고려하여 Fig. 6f는 금/유전체 표면의 거칠기와 모든 예각에 대한 패시베이션 처리된 구조의 기하학적 구조를 보여준다. 수정된 구조와 원래 구조 간의 광학 성능 비교가 계산되어 그림 6g에 표시됩니다. 분명히, 나노구조의 성능에 대한 제조 허용오차의 영향은 매우 작으며, 이는 제조에서 강력한 광학 성능을 보여줍니다.

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아 동일한 각도 θ를 갖는 사다리꼴 나노리본을 포함하는 변형된 구조 삼각형 나노리본으로 ㄴ , ㄷ 높이 h가 다른 나노구조체 간의 반사 스펙트럼 비교 , θ일 때 변함없이 유지. d , e 각도 θ가 다른 나노구조체 간의 반사 스펙트럼 비교 , 높이 h일 때 =15nm. 에 금/유전체 표면의 거칠기와 모든 예각에 대한 보호 처리로 수정된 구조. 지 l일 때 수정된 구조와 원래 구조 사이의 반사 스펙트럼 비교 3nm로 설정

그런 다음 FDTD 방법을 사용하여 구조 치수 및 재료 매개변수가 설계 구조의 딥 반사율, FWHM 및 공진 파장에 미치는 영향도 조사합니다. 유전체의 굴절률, 금 나노리본 너비 w를 포함한 여러 매개변수를 연구합니다. , 금 나노리본 너비 d , 금 나노리본 두께 t ₁ . 그림 7은 유전층의 굴절률이 메타물질 구조의 반사 스펙트럼에 미치는 영향을 보여줍니다. 그림 7a에서 볼 수 있듯이 공명 파장은 n이 증가함에 따라 분명히 적색편이합니다. _유전체 , 이는 LC 회로 모델의 예측과 일치합니다. 그림 5b와 같이 반사율 딥이 먼저 감소한 다음 n일 때 증가합니다. _유전체 증가하는 반면 FWHM은 좁아집니다. 반사 스펙트럼의 FWHM 및 반사율 하강은 나노리본과 금막 사이의 결합 강도에 크게 의존하므로 나노리본과 금막 사이의 유전체 스페이서의 다양한 유전체 재료에 따라 다른 광학 성능을 초래합니다. 반사율 딥은 유전층의 굴절률이 약 1.3일 때 최소값입니다. 동시에 FWHM은 약 1.85nm로 가시 영역에서 공개된 협대역 흡수체보다 훨씬 좁습니다[24, 28, 34, 39].

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아 유전층의 굴절률에 따른 반사 스펙트럼. ㄴ 유전층의 굴절률에 따른 공진 딥 및 FWHM의 반사율

그림 8은 금 나노리본 너비 w의 영향을 나타냅니다. 메타 물질 구조의 반사 스펙트럼. 그림 8a와 같이 금 나노리본의 너비가 w일 때 140nm에서 177nm로 변경하면 공진 파장이 청색 편이되며 이는 등가 LC 회로 모델의 결과와 잘 일치합니다. 그림 8b는 w가 증가함에 따라 FWHM이 더 좁아지고 반사율 저하가 증가함을 보여줍니다. . 반사율 딥의 증가는 w . 반사율 딥의 최소값과 FWHM은 동시에 얻을 수 없습니다. 그러나 우리의 설계에서 반사율 딥과 FWHM의 값은 모두 w의 넓은 범위에서 약간 변경됩니다. (140~162nm), 실제 적용에 유리합니다.

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아 금 나노리본 너비 w의 함수로서의 반사 스펙트럼 . ㄴ 금 나노리본 너비 w의 함수로서의 반사율 딥 및 FWHM

또한, 그림 9a에서 볼 수 있듯이 반사율 하락은 금 나노리본 폭이 d일 때 더 낮은 값을 유지할 수 있습니다. d일 때 분명히 증가하지만 55~75nm 사이입니다. 76nm를 초과하면 두 나노리본 사이의 거리가 너무 멀면 LSPR의 여기 효율이 낮아져 입사광의 흡수 효율이 낮아질 수 있다고 설명할 수 있습니다. FWHM은 d가 증가함에 따라 좁아집니다. , 그리고 d의 최적 크기 약 75nm입니다. 그림 9b에서 반사율 하락은 금 나노리본 두께가 t일 때 더 낮은 값을 유지할 수 있습니다. ₁ FWHM이 좁아지는 동안 35nm에서 50nm로 변경됩니다. 그러나 t 때 ₁ 50nm에서 60nm로 증가하면 반사율 딥이 분명히 증가합니다. 나노리본이 너무 두꺼워서 입사광의 반사를 증가시키는 결과를 알 수 있습니다. 그림 9c는 삼각형 금 높이 t일 때 공진 딥의 최소값이 얻어짐을 보여줍니다. ₂ 약 30nm입니다. 이 구조에서 삼각형 금 높이가 15~40nm 범위일 때 반사율 강하가 0.025 미만이었으며, 이는 우수한 견고성 성능으로 인해 메타물질 구조 설계에 유리합니다.

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아 삼각형 금 나노리본 너비 d의 함수로서의 반사율 딥 및 FWHM . ㄴ 금 나노리본 두께 t에 따른 반사율 딥 및 FWHM ₁ . ㄷ 삼각형 금 높이 t의 함수로서의 공명 딥 및 FWHM의 반사율 ₂

일반적으로 메타물질 구조의 공진 파장은 감지 응용 분야에서 널리 사용되는 환경 매질의 굴절률에 크게 의존하는 것으로 알려져 있습니다. 그림 10a는 환경의 굴절률이 증가할 때 LC 모델의 예측과 일치하는 공명 파장이 명백하게 적색 편이되고 반사율 강하가 동시에 매우 낮은 값을 유지할 수 있음을 보여줍니다. RI가 1.07에서 1.12로 증가하면 공진 파장이 733.828에서 755.097nm로 이동합니다. 계산된 파장 감도(S )은 약 425nm/RIU이고 FWHM은 1.82nm만큼 좁을 수 있습니다. 따라서 FOM은 233.5에 도달할 수 있습니다. 우리가 아는 한 FOM은 가시 영역에서 이전에 발표된 플라즈몬 굴절률 센서의 FOM보다 훨씬 높습니다[24, 28, 34, 39]. 제안된 플라즈몬 굴절률 센서는 그림 10b와 같이 좋은 선형성을 보인다.

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아 환경의 다양한 굴절률을 갖는 플라즈몬 굴절률 센서의 반사 스펙트럼. ㄴ 주변 굴절률에 대한 공명 파장 이동

실제 적용에서는 일반적으로 주변 매질의 다양한 굴절률과 함께 고정된 파장에서 상대 강도 변화를 감지하는 것이 필요하며 해당 성능 지수는 FOM* =max |(dI /dn )/나 | [17]. 그림 11a에서 볼 수 있듯이 FOM*은 w가 감소함에 따라 분명히 변합니다. , 최대 FOM*은 1.4 × 10 ⁵ 에 도달할 수 있습니다. w에서 약 358nm입니다. 그림 11b는 d가 감소함에 따라 FOM이 증가함을 보여줍니다. 최대 FOM*은 d에서 얻습니다. =75나노미터. 그림 11c와 같이 금 나노리본의 두께가 t일 때 ₁ 35nm, FOM*은 최대입니다. 또한 그림 11d는 삼각형 금 높이 t일 때 최대 FOM*이 얻어짐을 보여줍니다. ₂ 약 30nm입니다. 구조 치수의 변화에 ​​따른 FOM 및 FOM*의 특성을 수치적으로 조사하여 고성능 플라즈몬 센서를 설계하는 데 일정한 지침을 제공할 수 있습니다.

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a–d 금 나노리본 폭 w의 함수로서의 FOM 및 FOM* , 삼각형 금 나노리본 너비 d , 금 나노리본 두께 t ₁ , 그리고 삼각형의 금 높이 t ₂ , 각각

결론

요약하면, 우리는 가시 영역에서 95%에 도달하는 흡수를 갖는 거의 완벽한 초협대역 흡수체를 제안하고 수치적으로 시연합니다. 우리는 또한 2차원 FDTD를 사용하여 구조적 형태와 구조적 치수가 메타물질 구조의 광학적 특성에 미치는 영향에 대해 자세히 분석합니다. 최적화된 구조 치수를 사용하여 가시 영역의 수직 입사에서 1.82nm의 FWHM으로 0.001만큼 낮은 반사율 감소를 나타냅니다. 또한 감지 능력도 시연했습니다. 감도는 약 425nm/RIU이고 FOM은 233.5에 도달할 수 있습니다. 이것은 가시 영역에서 이전에 보고된 센서의 것보다 훨씬 낫습니다[24, 28, 34, 39]. 높은 감지 성능을 위해 메타 물질 구조는 생물학적 결합, 통합 광검출기, 화학 응용 등에 응용될 수 있습니다.

약어

FDTD:

유한 차분 시간 영역

FOM:

실적

FWHM:

최대 절반에서 전체 너비

LSPR:

국부적인 표면 플라즈몬 공명

MDM:

금속-유전체-금속

S:

감도

TM:

횡방향 자기

금속-유기 화학 기상 증착에 의한 InAs 줄기의 수직 GaSb 나노와이어의 자가 촉매 성장 무전해 에칭으로 제조된 실리콘 나노와이어의 광학 및 전기적 특성