그래핀/금속 시스템에서 플라스몬 유도 완전 흡수

결과 및 토론

w를 사용하여 은색 홈의 반사 스펙트럼을 시뮬레이션했습니다. =100nm, P =250nm, d =2000 nm이고 그 결과는 그림 2a(빨간색 곡선)에 나와 있습니다. ~ 28THz에서 넓은 딥이 관찰될 수 있으며, 소멸 비율은 ~ 44% 및 Q입니다. 인수 ~ 0.8, 이는 입사광에 의해 여기된 SSP에 의해 유도된 F-P 공명으로 인한 것입니다[19]. 이 공진은 광범위한 공진 대역을 가지므로 공진 모드는 PIA 시스템에서 초복사 모드로 사용할 수 있습니다. 그런 다음 페르미 준위 E로 시뮬레이션 영역 하단의 금속 경계 조건으로 그래핀 시트의 반사 스펙트럼을 계산했습니다. _F =0.3 eV, 그림 2a(파란색 곡선)에 표시된 대로. 반사 스펙트럼은 그래핀 플라즈몬 공명이 이 주파수에서 입사에 의해 직접 여기될 수 없음을 보여줍니다. 그래핀이 지원하는 플라즈몬 모드를 시각화하고 최적화하기 위해 먼저 그래핀이 지원하는 공명 모드를 시뮬레이션합니다. 은 홈의 F-P 공진의 잠재적인 영향을 제거하기 위해 홈이 은 대신 실리콘으로 만들어졌다고 가정합니다. 구조의 반사 스펙트럼은 E에 대해 계산되었습니다. _F =0.3 eV 및 다른 단위 셀 P 도 2b에 도시되어 있다. 공진 주파수 f에서의 반사율 저하 =32.84THz는 P에 대해 관찰될 수 있습니다. =Q가 있는 250nm factor ~ 304. 높은 Q 좁은 공명 대역의 공진은 PIA 시스템에서 하위 복사(어두운) 모드로 작용할 수 있습니다. 홈이 m을 기반으로 파동 벡터 불일치를 보상할 수 있기 때문에 반사율 하락은 수직 입사와 함께 그래핀에서 플라즈몬 준-유도 모드의 공명으로 인한 것입니다[35]. 차차 위상 매칭 조건 [36, 37]

단일 모드의 광학적 응답. 아 수직 입사에서 각각 은 홈만(빨간색 선) 및 그래핀만(파란색 선) 구조의 반사 스펙트럼. ㄴ 다른 주기 P에 대한 그래핀-실리콘 홈 구조의 반사 스펙트럼 단위 셀의. ㄷ 공진 주파수 f의 수치 모델링 및 해석 결과 , 각각. d 전기장 E _x F-P 모드(좌)와 그래핀 준유도 공명 모드(우)의 분포

여기서 k _x =k ₀ 죄θ , 카 ₀ =2π /λ 자유 공간의 파동 벡터, θ 입사광과 y 사이의 각도입니다. -방향, n _에프 는 그래핀에서 TM 도파관 모드의 유효 굴절률이고, G _x 격자의 역격자 벡터(G _x =2π /피 ). 다음 논의에서 y의 입사광 각도는 -방향이 0입니다(θ =0°). 다른 입사각에 대한 상황은 추가 파일 1에 설명되어 있습니다. 이러한 반사율 강하의 위치는 그림 2b에 표시된 대로 그래핀의 준유도 모드의 공진 주파수에 해당합니다. 시뮬레이션 결과는 Eq.와 잘 일치합니다. (1), 여기서 m =1이고 유효 굴절률 ~ 33은 그림 2c와 같이 FDTD 솔루션에 의해 얻어집니다. 전기장 E _x F-P 모드와 그래핀 준유도 모드의 분포는 그림 2d에 나와 있습니다. Si 홈이 있는 표면에 의해 유지되는 SSP 모드의 에너지 제한은 그래핀 준 유도 모드와 비교할 때 무시할 수 있습니다.

결합 상황에서 두 고유 모드는 서로 가까울 때 강하게 결합되므로 반사 스펙트럼이 크게 변경됩니다. ~ 99.97%의 소광비로 향상된 흡광도의 좁은 하위 선폭 딥이 그림 3a와 같이 더 넓은 반사율 딥 위에 관찰됩니다. 수직 거리를 늘릴 때 g , 반사율 딥의 변조가 작아짐에 따라 근거리 커플링 및 준유도 모드가 약해집니다. 더 약한 결합과 더 약한 준 유도 모드 여기에서 반사율 딥을 더 작게 만드는 두 가지 가능한 방법이 있습니다. 따라서 PIA 시스템을 정량적으로 이해하기 위해 결합 발진기 모델을 사용했습니다[38].

광학 응답은 결합 거리에 따라 다릅니다. 아 반사입니다. ㄴ 다른 거리 g에 대한 수직 입사에서 그래핀-은 홈 구조의 흡수 스펙트럼 그래핀과 은색 홈 사이 검은색 곡선/파란색 공은 FDTD 방법으로 계산되고 빨간색 곡선은 Eq. (3) PIA 장치

여기서 \( {\tilde{a}}_{1,2}={a}_{1,2}\left(\omega \right){\mathrm{e}}^{i\omega t} \) , ω _1,2 및 γ _1,2 는 각각 밝은 모드와 어두운 모드의 시간-고조파 진폭, 공진 주파수 및 감쇠 상수입니다. 나 는 밝은 모드가 입사 전기장과 얼마나 강한지를 측정하는 결합 계수입니다. \( \tilde{\kappa}=\kappa {e}^{i\varphi} \)는 위상 지연 효과를 표현하기 위해 도입된 복합 결합 매개변수입니다. φ 는 위상 편이로, 두 간섭 경로 간의 간섭 형태를 결정하는 핵심 계수입니다. φ일 때 =0은 실제 매개변수이고 PIT 효과의 일반적인 동작을 관찰할 수 있으며 두 일관된 경로 간의 간섭은 파괴적입니다. φ의 경우 =π/2는 순수한 허수 매개변수이고 두 개의 일관된 경로 사이의 간섭은 파괴에서 건설로 변환됩니다[26]. 시스템의 흡수는 식 (2)에 기초하여 소산된 에너지로 계산할 수 있습니다. $$ A\left(\omega \right)=\Im \left(\frac{b\left(\omega -{\omega}_2+\frac{i{\gamma}_2}{2}\right)}{ \kappa^2{e}^{i2\varphi }-\left(\omega -{\omega}_1+\frac{i{\gamma}_1}{2}\right)\left(\omega -{\omega }_2+\frac{i{\gamma}_2}{2}\right)}\right) $$ (3)

그런 다음, 수치적 흡수 스펙트럼을 Eq. (3) 다른 g에 대해 , 그림 3b(빨간색 곡선)에 표시되어 있습니다. 시뮬레이션 결과는 결합 발진기 모델에 기반한 분석 모델링 결과와 잘 일치하며, 이는 PIA 장치의 설계 원리를 강력하게 확인합니다. 피팅 매개변수 κ , φ , γ ₁ , 및 γ ₂ 그림 4a-c에 나와 있습니다. 증가하는 g 결합 매개변수 κ 감소 , 도 4a에 도시된 바와 같이. 커플링을 점진적으로 감소시킬 때(g 증가 ), 위상 φ 변경되지 않고 γ ₂ γ 동안 점차 감소 ₁ 그림 4b, c에 약간 표시된 변경 사항. 결합 매개변수 κ 다크 모드 γ의 감쇠 상수 초과 ₂ 최소 갭 거리에 대해 밝은 모드에서 어두운 모드로의 결합이 그래핀 시트의 소산 과정보다 더 강함을 확인합니다.

결합 시스템에서 광학 응답의 정량적 분석. 추출된 숫자(a ) 커플링, (b ) 단계 및 (c ) 간격 g의 함수로서의 감쇠 계수 . κ의 값 , φ , 및 γ ₁ , γ ₂ 수치 흡수 스펙트럼을 피팅하여 추출했습니다.

밝은 모드와 어두운 모드 사이의 보강 간섭을 시각화하기 위해 시간에 따른 구조의 자기장 진화를 조사하고 두 개의 H _z 모니터는 그래핀 중심에서 각각 3nm, 은 홈 바닥에서 1000nm 떨어져 있습니다. 두 모드 사이의 진동 위상차는 그림 5a에 표시된 대로 0.5π입니다. 다른 시간에서의 자기장 분포는 PIA 공진 주파수 f에서 계산되었습니다. _q =32.5THz, 여기서 ω _q 그 ₁ ~ 2.00 π 및 ω _q 그 ₂ ~ 2.50π, 그림 5b에 표시된 대로, c. 은 그루브에서 자기장의 최대값은 2.00π에서 관찰될 수 있는 반면 그래핀의 자기장은 2.50π에서 최대값에 도달하여 두 구조 사이의 역위상 결합을 나타냅니다. 따라서 공진의 진화와 형성은 보강간섭에 의해 결정된다[39].

결합 모드의 시간 영역 진화. 아 그래핀(빨간색 선)과 은색 홈(파란색 선)에서 자기장 강도의 계산된 시간 변화. 계산된 z g에 대한 자기장 분포의 성분 =90nm. 실버 그루브와 그래핀의 최대 전계 강도는 서로 다른 시간에 관찰됩니다. b ω _q 그 ₁ ~ 2.00π 및 c ω _q 그 ₂ ~ 2.50π, 각각

실제 적용에서 좁은 반사 대역과 높은 소광비가 매우 요구됩니다. 이 두 가지 조건을 달성하기 위해 단위 P의 주기를 조정할 수 있습니다. 및 은색 홈의 깊이 d 구조적 매개변수를 최적화합니다. 다른 구조 매개변수의 반사 스펙트럼을 계산한 후 P 1900 ~ 2100 nm 및 d FDTD에 의해 245~265nm에서 P에서 ~ 99.999%의 매우 높은 소광비를 얻습니다. =254 nm 및 d =1980 nm. 다양한 굴절률 환경에서 PIA 장치의 반사 스펙트럼이 그림 6a에 나와 있습니다. 감지 기능은 [39]로 정의됩니다.

시스템의 감지 성능. 아 다양한 유전 환경에 대한 PIA 센서의 감지 응답. ㄴ 관련 FOM* 곡선 및 반사 스펙트럼

여기서 f 그리고 나 는 각각 공진 주파수와 스펙트럼 강도입니다. 센서의 반사 강도를 측정할 때 센서의 감도 기능은 FOM* 값으로 정량화할 수 있습니다. 값이 높을수록 센서의 감도가 높아집니다. 그림 6a에서 S를 얻을 수 있습니다. =11.2 THz/RIU 및 관련 FOM~94.1, 반치폭(FWHM) ~ 30 nm(0.12 THz). 이 FOM은 표면 격자 공명에 기반한 메타물질 흡수체의 값보다 큽니다. 또한 당사의 PIA 센서는 3.5 × 10 ⁶ 매우 높은 FOM* 값으로 이어질 수 있습니다. , 도 6b에 나타낸 바와 같이. 추가 파일 1:표 S1에서 최근 연구된 센서의 성능을 비교했습니다.

PIA 시스템에서 그래핀은 또 다른 중요한 역할을 합니다. 공진 주파수의 변조는 게이팅 전압을 조정하여 그래핀의 페르미 레벨을 조정하여 달성할 수 있습니다. 시뮬레이션된 스펙트럼은 추가 파일 2:그림 S1 및 3:그림 S2에 나와 있습니다. PIA 공진의 주파수 편이 능동 제어는 센서나 흡수기에 의미가 있습니다.