현탁된 단층 그래핀은 수직 입사에서 약 2.3%의 약한 광 흡수 효율을 갖는 것으로 잘 알려져 있으며, 이는 광전자 소자의 일부 응용 분야에 불리하다. 이 연구에서 우리는 메타 물질의 다중 자기 쌍극자 공명으로 인해 전체 가시 스펙트럼에 걸쳐 단층 그래핀의 다중 대역 및 광대역 흡수 향상을 수치적으로 연구할 것입니다. 메타물질의 단위 셀은 직경이 다른 4개의 Ag 나노디스크와 SiO2 사이에 끼워진 그래핀 단층으로 구성됩니다. Ag 기판에 스페이서. 개별 Ag 나노디스크와 Ag 기판 사이의 근접장 플라즈몬 혼성화는 4개의 독립적인 자기 쌍극자 모드를 형성하여 광학 주파수에서 단층 그래핀의 다중 대역 흡수 향상을 초래합니다. Ag 나노 디스크의 직경을 변경하여 자기 쌍극자 모드의 공진 파장이 서로 접근하도록 조정되면 광대역 흡수 향상이 달성될 수 있습니다. 단층 그래핀에서 흡수 밴드의 위치는 SiO2의 두께를 변화시켜 제어할 수도 있습니다. 스페이서 또는 Ag 나노 디스크 사이의 거리. 우리가 설계한 그래핀 광 흡수체는 광검출기와 같은 광전자 장치에서 몇 가지 잠재적인 응용 분야를 찾을 수 있습니다.
<섹션 데이터-제목="배경">2차원(2D) 벌집형 격자로 단단히 배열된 탄소 원자의 단층인 그래핀은 2004년 실험적으로 흑연에서 처음으로 분리되었습니다[1]. 그 이후로 그래핀은 부분적으로 빠른 캐리어 속도, 조정 가능한 전도도 및 높은 광학 투명도를 포함한 탁월한 전자 및 광학 특성으로 인해 과학계에서 엄청난 주목을 받았습니다[2]. 그래핀은 2D 신소재의 일종으로 광전자공학[3,4,5,6]에서 플라즈몬[7,8,9,10], 메타물질[11,12,13]에 이르는 다양한 분야에서 유망한 잠재력을 가지고 있습니다. ,14,15] 등. Dirac 페르미온의 고유한 원추형 밴드 구조로 인해 현탁 및 도핑되지 않은 그래핀은 가시광선 및 근적외선 영역 내에서 약 2.3%의 보편적인 흡수를 나타냅니다. 이는 미세 구조 상수와 관련이 있습니다. 단층 원자 시트 [16, 17]. 그래핀의 두께가 약 0.34nm에 불과하다는 점을 고려할 때 광흡수 효율은 인상적입니다. 그러나 효율적인 작동을 위해 상당히 높은 흡수 값이 필요한 광검출기 및 태양 전지와 같은 광전자 장치에 유용하기에는 여전히 너무 낮습니다.
이 문제를 극복하기 위해 다양한 물리적 메커니즘 [18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38 ,39,40,41,42,43] 가시 영역에서 그래핀의 흡수를 향상시키기 위해 1차원(1D) 광자 결정에서 결함 층에 대한 강한 광자 국재화를 포함하는 [18, 28, 33, 38]이 제안되었습니다. ], 내부 전반사 [19, 20, 23, 27], 표면 플라즈몬 공명 [21, 22, 30, 31, 33], 금속 나노 입자 배열의 소멸 회절 차수 [34], 유도 모드 공명에 대한 임계 결합 [25, 26, 32, 34, 35, 37, 39,40,41]. 그래핀의 흡수 향상 외에도 그래핀에서 다중 대역 및 광대역 광 흡수를 달성하는 것은 실용적인 관점에서 일부 그래핀 기반 광전자 장치에 중요합니다. 그러나 최근 보고서[44,45,46]에서 지적한 바와 같이 여전히 도전 과제입니다. 현재, THz[44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57, 58,59,60,61,62] 및 적외선 [63,64,65]에서 광학 주파수 [19, 23, 29, 31, 34,35,36, 38,39,40, 43]. 특히, 다중 공진기 접근법은 THz 및 적외선 영역에서 그래핀 흡수의 대역폭 제한을 해결하는 매우 효과적인 방법임이 입증되었습니다[45, 46, 62, 63]. 다중 공진기 접근 방식에서는 서로 다른 크기의 깊은 하위 파장 다중 공진기가 밀집되어 있어 공진 주파수가 서로 겹칠 때 흡수 대역폭을 확장할 수 있습니다. 그러나 우리가 아는 한, 지금까지 가시 영역에서 그래핀의 다중 대역 및 광대역 광 흡수를 얻기 위한 다중 공진기 접근 방식에 대한 보고서는 거의 없습니다.
이 작업에서 유사한 다중 공진기 접근 방식을 사용하여 메타 물질의 일련의 자기 쌍극자 공명에서 발생하는 전체 가시 파장 범위에서 단층 그래핀의 다중 대역 및 광대역 흡수 향상을 수치적으로 증명할 것입니다. 메타물질의 단위 셀은 직경이 다른 4개의 Ag 나노디스크와 SiO2 사이에 끼워진 그래핀 단층으로 구성됩니다. Ag 기판에 스페이서. 개별 Ag 나노디스크와 Ag 기판 사이의 근접장 플라즈몬 혼성화는 4개의 독립적인 자기 쌍극자 모드를 형성하여 단층 그래핀의 4대역 흡수 향상을 초래합니다. Ag 나노디스크의 직경을 변경하여 자기 쌍극자 모드가 스펙트럼적으로 중첩되도록 조정되면 광대역 흡수 향상이 달성됩니다. 단층 그래핀에서 흡수 밴드의 위치는 SiO2의 두께를 변화시켜 제어할 수도 있습니다. 스페이서 또는 Ag 나노 디스크 사이의 거리.
광 주파수에서 그래핀의 다중대역 및 광대역 흡수 향상을 위해 설계된 메타물질이 그림 1에 개략적으로 나와 있습니다. 메타물질의 단위 셀은 직경이 다른 4개의 Ag 나노디스크와 SiO2 사이에 끼워진 그래핀 단일층으로 구성됩니다. 하위> Ag 기판에 스페이서. 유한 차분 시간 영역(FDTD) 방법(www.eastfdtd.com)을 기반으로 하는 상용 소프트웨어 패키지 "EastFDTD, 버전 5.0"을 사용하여 반사 및 흡수 스펙트럼과 전자기장의 분포를 계산합니다. 수치 계산에서 SiO2의 굴절률 은 1.45이고 Ag의 주파수 의존 상대 유전율은 실험 데이터에서 가져온 것입니다[66]. 무작위 위상 근사에서 복잡한 표면 전도도 σ 의 그래핀은 대역 내 항 σ의 합입니다. 인트라 그리고 대역간 항 σ 인터 [67, 68], 다음과 같이 표현됩니다.
$$ {\sigma}_{\operatorname{int}\mathrm{ra}}=\frac{ie^2{k}_BT}{\pi {\mathrm{\hslash}}^2\left(\omega + i/\tau \right)}\left(\frac{E_f}{k_BT}+2 In\left({e}^{-\kern0.5em \frac{E_f}{k_BT}}+1\right)\ 오른쪽),{\sigma}_{\operatorname{int}\mathrm{er}}=\frac{ie^2}{4\pi \mathrm{\hslash}} In\left(\frac{2E{}_f -\left(\omega +i/\tau \right)\mathrm{\hslash}}{2E{}_f+\left(\omega +i/\tau \right)\mathrm{\hslash}}\right), $$ (1) <그림>
4개의 Ag 나노디스크와 SiO2 사이에 끼워진 그래핀 단일층으로 구성된 광 주파수에서 그래핀의 다중 대역 및 광대역 흡수 향상을 위한 메타 물질의 개략도 Ag 기판에 스페이서. 기하학적 매개변수 p x 그리고 p 와 x의 배열 기간입니다. 그리고 y 방향, 각각; 그 는 SiO2의 두께입니다. 스페이서; d 1 , d 2 , d 3 , 및 d 4 4개의 Ag 나노디스크의 직경(d 1 > d 2 > d 3 > d 4 ); 어 Ag 나노 디스크의 높이입니다. 이 안에 , 하 안에 , 및 K 안에 는 x를 따라 있는 입사광의 전기장, 자기장 및 파동 벡터입니다. , y , 및 z 축, 각각
여기서 ω 입사광의 주파수, e 전자 전하, ħ 감소된 플랑크 상수, E f 는 페르미 에너지(또는 화학적 포텐셜), τ 전자-음자의 이완 시간, k 나 볼츠만 상수, T 는 K 단위의 온도이며 i 허수단위이다. 그래핀은 ε의 이방성 상대 유전율 텐서를 가집니다. g
로 표현 $$ {\varepsilon}_g=\left(\begin{array}{ccc}1+ i\sigma /\left({\omega \varepsilon}_0{t}_g\right)&0&0\\ {}0&1+ i\sigma /\left({\omega \varepsilon}_0{t}_g\right)&0\\ {}0&0&1\end{array}\right), $$ (2)여기서 ε 0 는 진공의 유전율이며 t g 는 그래핀 시트의 두께입니다.
그림 2는 수직 입사에서 그래핀, Ag 및 총 메타물질의 계산된 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 공명 파장이 λ인 4개의 흡수 피크를 명확하게 볼 수 있습니다. 1 =722.9nm, λ 2 =655.7nm, λ 3 =545.5nm 및 λ 4 =468.8nm. 4개의 흡수 피크에서 그래핀의 광 흡수는 각각 65.7, 61.2, 68.4 및 64.5%에 이를 수 있습니다. 광학 주파수에서 흡수 효율이 2.3%에 불과한 부유 단층 그래핀과 비교하여[16, 17], 우리가 설계한 메타물질의 단층 그래핀은 26배 이상의 흡수 향상을 보입니다. 또한 그림 2에서 흡수된 빛이 Ag보다는 그래핀에서 주로 소산되는 것을 분명히 볼 수 있습니다. 더욱이, 세 번째 피크에서의 총 흡수는 98.5%를 초과하여 많은 보고된 메타물질 전자파 완전 흡수체[69,70,71,72,73,74,75]와 매우 유사하며, 이는 태양 전지[76]와 같은 많은 잠재적 응용 분야가 있습니다. ,77,78,79,80,81].
<그림>
450~800nm의 파장 범위에서 단층 그래핀(빨간색 원), Ag(녹색 삼각형), 총 메타물질(검은색 사각형)의 수직 입사 흡수 스펙트럼. 기하학적 및 물리적 매개변수:p x =피 와 =400nm, d 1 =140nm, d 2 =110nm, d 3 =80nm, d 4 =50nm, h =50nm, t =30nm, E f =0.50eV, τ =0.50ps, T =300K, t g =0.35nm
위의 4개 흡수 피크의 물리적 기원을 찾기 위해 Fig. 3과 4는 λ의 공명 파장에서 전기장과 자기장의 분포를 나타냅니다. 1 , λ 2 , λ 3 , 및 λ 4 . λ의 공진 파장에서 1 , 전기장은 주로 직경이 d 인 첫 번째 Ag 나노 디스크의 왼쪽 및 오른쪽 가장자리 근처에 집중됩니다. 1 (그림 3a 참조), 자기장은 SiO2 내에서 매우 제한됩니다. 첫 번째 Ag 나노디스크 아래 영역(그림 4a 참조). 이러한 필드 분포는 첫 번째 Ag 나노디스크와 Ag 기판 사이의 근거리장 플라즈몬 혼성화에서 단계를 나타내는 자기 쌍극자 모드[82,83,84,85,86]의 여기에 해당합니다. λ의 공명 파장에서 2 , λ 3 , 및 λ 4 , 전자기장은 동일한 분포 특성을 갖지만 직경이 d인 두 번째, 세 번째 및 네 번째 Ag 나노디스크 부근에 국한됩니다. 2 , d 3 , 및 d 4 , 각각. 요컨대, 4개의 독립적인 자기 쌍극자 모드의 여기는 그림 2에서 4개의 흡수 피크가 나타납니다.
<그림>
(아 )-(d ) 해당 정규화된 전기장 강도(E /이 에서 ) 그림 2에 표시된 λ , λ , λ 및 λ의 공명 파장에 대해 SiO 스페이서의 중심을 가로지르는 xoz 평면에 표시됩니다. 빨간색 화살표는 필드 방향을 나타내고 색상은 필드 강도를 나타냅니다.
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그림 3과 동일하지만 정규화된 자기장 강도(H /안 에서 ) 2
우리가 설계된 메타물질에서 개별 Ag 나노디스크와 Ag 기판 사이의 근거리 플라즈몬 혼성화는 4개의 독립적인 자기 쌍극자 모드를 형성하여 평균 흡수와 함께 450~800nm의 가시 파장 범위에서 단층 그래핀의 다중 대역 흡수 향상을 초래합니다. 효율성이 50%를 초과합니다(그림 2 참조). 각 자기 쌍극자 모드의 공진 파장은 해당 Ag 나노 디스크의 직경을 변경하여 편리하게 조정할 수 있습니다. 그림 2의 흡수 피크가 서로 가까워지도록 Ag 나노디스크의 직경을 다양하게 하면 단층 그래핀의 넓은 고흡수 밴드가 형성된다. 이를 입증하기 위해 그림 5a는 직경이 d일 때 단층 그래핀의 수직 입사 흡수 스펙트럼을 나타냅니다. 1 , d 2 , d 3 , 및 d 4 4개의 Ag 나노디스크 중 110, 90, 70, 50nm입니다. 이 경우 450~650nm의 파장 범위에서 광대역 흡수 향상은 중첩된 흡수 피크의 스펙트럼 설계에 의해 달성되며 가장 낮은(최고) 흡수 효율은 50%(73%) 이상입니다. Ag 나노디스크의 직경이 점진적으로 증가하기 위해 이 넓은 고흡수 대역은 그림 5b, c와 같이 적색 편이됩니다.
<사진>
(아 )-(d ) 4개의 Ag 나노디스크의 직경을 가진 450~800 nm 파장 범위에서 단층 그래핀의 해당 수직 입사 흡수 스펙트럼은 다양하지만 다른 매개 변수는 그림 2와 동일합니다.
Ag 나노디스크의 직경 외에도 두께 t를 변경하여 단층 그래핀에서 흡수 밴드의 위치를 조정할 수 있습니다. SiO2 스페이서. 그림 6은 t에 대한 단층 그래핀의 수직 입사 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 25nm에서 45nm로 증가합니다. 증가하는 t 개별 Ag 나노디스크와 Ag 기판 사이의 근거리장 플라즈몬 혼성화가 약해져서 자기 쌍극자 모드가 청색 편이되기 때문에 단층 그래핀의 흡수 밴드는 명백한 청색 이동을 가질 것입니다[83].
<사진>
(아 )-(d ) SiO2의 두께에 따른 단층 그래핀의 해당 수직 입사 흡수 스펙트럼 스페이서는 25nm에서 40nm로 5nm 단위로 증가했습니다. Ag 나노디스크의 직경은 d1입니다. =140nm, d2 =120nm, d3 =100nm, d4 =80 nm이고 다른 매개변수는 그림 2의 매개변수와 동일합니다.
위의 계산에서 4개의 Ag 나노디스크의 좌표점은 (±p x /4, ±p 와 /4), 따라서 중심 거리 l 가장 가까운 이웃 Ag 나노디스크 사이의 거리는 200nm입니다. l을 변경함으로써 , 우리는 또한 단층 그래핀에서 흡수 밴드의 위치를 조정할 수 있습니다. 그림 7은 l에 대한 단층 그래핀의 수직 입사 흡수 스펙트럼을 보여줍니다. 220nm에서 160nm로 감소합니다. 감소하는 l , 단층 그래핀의 흡수 밴드는 Ag 나노디스크 사이의 플라즈몬 상호작용으로 인해 약간 파란색으로 이동합니다.
<그림>
그림 6과 동일하지만 가장 가까운 Ag 나노디스크 사이의 중심 거리 l이 220에서 160 nm로 감소
이 연구에서 우리는 메타 물질의 다중 자기 쌍극자 공명으로부터 광학 주파수에서 단층 그래핀의 다중 대역 및 광대역 흡수 향상을 수치적으로 조사했습니다. 메타물질의 단위 셀은 직경이 다른 4개의 Ag 나노디스크와 SiO2 사이에 끼워진 그래핀 단층으로 구성됩니다. Ag 기판에 스페이서. 개별 Ag 나노디스크와 Ag 기판 사이의 근접장 플라즈몬 혼성화는 4개의 독립적인 자기 쌍극자 모드를 형성하여 가시 파장 범위에서 단층 그래핀의 다중 대역 흡수 향상을 초래합니다. Ag 나노디스크의 직경을 변경하여 자기 쌍극자 모드가 스펙트럼적으로 중첩되도록 조정되면 광대역 흡수 향상이 달성됩니다. 단층 그래핀에서 흡수 밴드의 위치는 SiO2의 두께를 변경하여 제어할 수도 있습니다. 스페이서 또는 Ag 나노 디스크 사이의 거리. 수치 결과는 광검출기와 같은 광전자 장치에 몇 가지 잠재적인 응용을 가질 수 있습니다.
1차원
2차원
유한 차분 시간 영역
나노물질
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