알루미늄과 리튬 니오베이트 기반 튜너블 메타표면 컬러 필터 설계 및 시뮬레이션

초록

알루미늄과 리튬 니오베이트(LN) 구성을 사용한 두 가지 메타표면 컬러 필터(MCF) 설계를 제안하고 수치적으로 연구합니다. 각각 튜너블 알루미늄 메타표면(TAM)과 튜너블 LN 메타표면(TLNM)으로 표기합니다. MCF 구성은 알루미늄 거울 층 위에 현탁된 메타표면으로 파브리-페로(F-P) 공진기를 형성합니다. TAM과 TLNM 공진은 바닥 거울 층과 상단 메타표면 간 간격 변경으로 각각 100nm, 111nm 튜닝 범위로 적색 편이됩니다. 또한 해당 기하학적 매개변수 구성으로 가시광 전 파장 범위에서 초협대역폭을 가진 근완벽 흡수를 나타냅니다. 제안 장치 유연성과 적용성 증대를 위해 주변 환경 굴절률 변화 노출 시 TAM은 481.5nm/RIU 높은 감도, TLNM은 97.5 높은 품질 인자(FOM) 나타냅니다. LN 기반 메타표면 채택으로 FWHM과 FOM 값이 Al 기반 메타표면 대비 각각 10배, 7배 향상되어 광학 성능 크게 개선되며 센싱 응용에 큰 잠재력 보입니다. 이 제안 설계들은 LN 기반 메타물질 이용 튜너블 고효율 컬러 필터와 센서에 효과적 접근법 제공합니다.

서론

최근 메타물질 연구 진전이 실시간으로 기하학적, 광학적 특성 제어 가능한 튜너블 메타표면 실현으로 향하며, 능동 튜너블 메타물질 분야에 예외적 기회 창출합니다. 가시광[1-6], 적외선(IR)[7-12], 테라헤르츠(THz)[12-21] 스펙트럼 범위에서 보고되었습니다. 메타표면 고유 광학 특성이 입사광과 나노구조 상호작용에 의존하므로, 구조 형상, 크기, 구성 적절 조정으로 원하는 특성 달성 가능. 메타표면은 근접장 엔티티 조작 가능케 하여 자기 응답[1, 22], 근완벽 흡수[14, 15, 23], 투명성[17, 19], 위상 공학[18, 20, 21, 24], 중적외선 센싱 및 열화상[10], 공진 변조[9] 등 다양한 필터[1-5] 및 센서[6-8, 12-14] 응용에 흥미로운 특징 재구성 가능케 합니다.

현재까지 메타표면 유연성 향상 위한 많은 능동 튜닝 메커니즘 보고되었습니다. 대부분 설계가 IR[10-12, 25-27]과 THz[28-31] 스펙트럼 범위. 가시광 스펙트럼 범위 능동 튜너블 메타표면 위한 다양한 접근법 보고되었으나(기계적 스트레칭[32], 정전기력[33], 미에 공진[34], 액정[35], 상변화 물질[36-38], 전자광학 물질[39, 40]), 연구 수는 제한적. 전기광학 방법 중 그래핀 기반 튜너블 메타표면 최근 연구자들 큰 주목[41-43]. 또한 리튬 니오베이트(LN)는 "포토닉스 실리콘"으로 불리는 가장 중요한 물질 중 하나. 넓은 투명 창, 최대 30pm/V 큰 2차 전기광학 계수, 집적 포토닉 회로와 우수한 호환성으로 LN 메타표면 접근법 큰 주목[44]. 큰 2차 비선형 감수성으로 LN 굴절률이 인가 전기장에 의해 선형적으로 튜닝 가능[44]. LN을 메타표면 설계에 통합하면 전기광학 능동 튜닝 가능한 초민감 컬러 필터 가능성 열림. 위 능동 튜닝 방법들은 천연 물질 비선형 특성에 고도의존. 큰 튜닝 범위와 튜닝 범위 전반 균일 성능, 또는 높은 구동 전압 요구 등 바람직 특성 결여로 응용 심각 제한. 이 중 미세전자기계시스템(MEMS) 기술 이용 능동 튜너블 메타물질 널리 연구됨. 메타물질 기하학적 특성 직접 수정 가능[26, 29]. MEMS 기반 튜너블 메타물질은 파브리-페로(F-P) 공동 활용 후 두 구조층 간 간격 변경으로 공진 튜닝[37, 45]. 이러한 구조는 큰 튜닝 범위 가진 좁은 흡수/투과 대역폭 생성 가능해 차세대 응용에 바람직.

본 연구에서 두 가지 메타표면 컬러 필터(MCF) 설계 제시. Lumerical Solution 유한차분 시간영역(FDTD) 기반 시뮬레이션으로 가시광 스펙트럼 범위 광학 특성 조사. 입사광 전파 방향을 수치 시뮬레이션에서 x–y 평면에 수직 설정. 입사광 편광 각도 0으로 설정해 전기 벡터가 x-축 방향 진동하는 TM 편광 의미. x, y 방향 주기적 경계 조건, z 양방향 완전 정합층(PML) 경계 조건 가정. 반사 강도 장치 위 모니터로 계산. 제안 장치 능동 튜닝성과 큰 튜닝 범위 나타냄. TAM과 TLNM 근완벽 초협대역 흡수 가시광 전 범위 나타냄. 환경 센싱 응용 위해 TAM 높은 감도, TLNM 높은 FOM 나타냄. 이 설계들 고해상도 디스플레이, 굴절률 센서, 가시광 범위 적응형 장치 잠재적 사용 가능.

설계 및 방법

그림 1a는 제안 TAM과 TLNM 개략도. Si 기판 위 알루미늄 거울 층 위에 현탁된 직사각형 Al과 타원형 LN 메타표면으로 구성. 바닥 Al 거울 층과 상단 메타표면 간 간격은 MEMS 기술로 튜닝 가능해 두 층 사이 F-P 공동 형성. 해당 기하학적 치수는 Al 메타표면 직사각형 구멍 길이, LN 메타표면 타원 구멍 x-방향(D_x)과 y-방향(D_y) 두 축, x-방향(P_x)과 y-방향(P_y) 주기, 메타표면 두께(t), 메타표면과 바닥 거울 층 간 간격(g). 여기서는 직사각형 Al 메타표면과 타원형 LN 메타표면 x, y 방향 주기와 길이 비율을 K_x=P_x/D_x, K_y=P_y/D_y로 정의해 가시광 전 범위 효과적 전자기 응답 파악.

a TAM 및 TLNM 개략도. b–d 다양한 (b) D_x, (c) K_x, (d) K_y 값에 따른 TAM 반사 스펙트럼

그림 1b-d는 D_x, K_x, K_y 값 변경에 따른 TAM 반사 스펙트럼. 그림 1b에서 D_y=200nm, g=450nm, K_x=K_y=1.2 상수 유지. D_x 값 110~200nm 변경으로 근완벽 흡수 스펙트럼 유지. 공진 파장 535nm. 그림 1c는 다양한 K_x 값 TAM 반사 스펙트럼. D_x=D_y=200nm, g=450nm, K_y=1.2 상수. 공진 파장 530~540nm 범위서 거의 일정 유지. 그림 1d는 다양한 K_y 값 TAM 반사 스펙트럼. D_x=D_y=200nm, g=450nm, K_x=1.2 상수. K_y 값 1.1~1.5 변경으로 공진 60nm 미만 범위 청색 편이. 이 결과들로 D_x, K_x, K_y 값이 TAM 공진 파장에 미치는 영향 미미해 제안 TAM이 D_x, K_x, K_y 값 변동에 높은 제조 공차 가짐 의미. 이후 논의에서 K_x, K_y 1.2 상수 유지, D_x=D_y 설정해 제안 TAM, TLNM 장치 능동 튜닝성 조사.

결과 및 논의

제안 장치 유연성, 적용성 증대 위해 메타표면 현탁 설계해 바닥 거울 층과 간격 두어 F-P 공진기 형성, 입사광 이 간격 갇혀 장치 흡수되도록 함. D_y와 g 값이 공진 파장 이동 주요 인자이므로, D_y와 g 값 조합으로 TAM 근완벽 흡수 가시광 전 범위 튜닝 가능(그림 2a). D_y와 g 값 네 쌍 선택해 TAM 튜닝성 조사: (D_y, g)=(160nm, 355nm), (200nm, 450nm), (240nm, 540nm), (280nm, 645nm). D_y와 g 값 조합으로 433.9nm, 533.5nm, 629.8nm, 740.9nm 다른 파장에서 완벽 흡수 실현. 그림 2a 삽입 컬러 이미지는 CIE RGB 매칭 함수 사용해 장치 표면 실제 색상 모방한 반사 스펙트럼 해당 가시색. 공진과 D_y 값 관계 요약해 그림 2b 플롯. D_y 값 150~290nm 증가로 공진 선형 적색 편이 가시광 전 범위 걸쳐 발생. 보정 계수 0.99401. 제안 TAM 장치 큰 튜닝성 입증. F-P 공진기 공진 주파수 결정식[46]:

$$ {v}_q=\frac{qc}{2g} $$ (1)

a 다양한 D_y와 g 값 TAM 반사 스펙트럼. b 공진과 D_y 값 관계

여기서 q 모드 인덱스, g F-P 공동 길이, c=c₀/n, c₀ 진공 빛 속도, n 매질 굴절률. 이는 제안 설계에서 현탁 메타표면 수직 이동, 즉 g 값 변경으로 공진 주파수 튜닝 가능함 의미.

그림 3은 D_y=200nm(그림 3a), D_y=250nm(그림 3b) 조건 하 다양한 g 값 TAM 반사 스펙트럼. 그림 3a에서 g 값 410~510nm 변경으로 공진 490~590nm 적색 편이. 튜닝 범위 100nm. g=470nm에서 가장 좁은 반최대전폭(FWHM) 29.9nm. 그림 3b에서 g 값 490~610nm 변경으로 공진 580~691nm 적색 편이. 튜닝 범위 111nm. g=530nm에서 가장 좁은 FWHM 31.8nm. 튜닝 범위 참조[39] 대비 2배, 이전 참조[37, 38, 40]보다 우수. 그림 3c, d는 그림 3a, b 해당 공진과 g 값 관계. 그림 3c에서 g 값 10nm 증가당 9.2nm 선형 적색 편이, 그림 3d에서 9.0nm. 튜닝 범위 각각 90.5nm, 110.7nm. 모든 반사 스펙트럼 근완벽 흡수. 보정 계수 각각 0.99950, 0.99969. 제안 TAM 설계 초민감 컬러 필터나 다양한 센싱 응용 가능.

a D_y=200nm, b D_y=250nm 조건 하 다양한 g 값 TAM 반사 스펙트럼. c, d a, b 해당 공진과 g 값 관계

TAM FWHM과 튜닝 파장 범위 성능 개선하며 근완벽 흡수 유지 위해 TLNM 제안 및 제시(그림 1a). 나노구조 패터닝 항상 코너 효과와 제조 편차 겪으므로 기하학적 패턴 타원형 구멍 설계. D_x, D_y 매개변수 각각 x-, y-방향 장축, 단축 길이 나타냄. K_x, K_y 1.2 상수 유지, D_x 값 110nm. 그림 4a는 D_y와 g 값 네 조합 TLNM 반사 스펙트럼. t 값 200nm 상수. TLNM 가시광 전 범위 초협대역폭 완벽 흡수 특성 보임. 반사 스펙트럼 FWHM 값 3nm. 이러한 초협대역 FWHM은 F-P 공진 기여로 다음 식 결정[46]:

$$ \mathrm{FWHM}=\frac{\lambda_q^2}{2\pi g}\frac{1-R}{\sqrt{R}} $$ (2)

a 다양한 D_y와 g 값 TLNM 반사 스펙트럼. b 공진과 D_y 값 관계

여기서 λ_q 공진 파장, 첨자 q 모드 인덱스, g F-P 공동 길이, R 바닥 Al 메타표면과 상단 Al/LN 메타표면 사이 F-P 공진기 표면 반사율. TLNM 높은 반사 강도로 FWHM 값 감소 가능, 즉 LN 물질 사용으로 광학 성능 크게 개선 가능. 그림 4a 공진과 D_y 값 관계 그림 4b 요약. D_y 값 250~500nm 증가로 공진 427~673nm 선형 적색 편이, 보정 계수 0.97815. 제안 장치 선형 튜닝성 입증.

현탁 타원형 LN 메타표면 이동 가능해 MEMS 기술로 직접 수정해 광학 튜닝성 달성 가능. 그림 5a, b는 두 조건 D_y=350nm, t=210nm, D_y=450nm, t=280nm 하 다양한 g 값 TLNM 반사 스펙트럼. 그림 5a에서 g 값 390~570nm 증가로 공진 465.9~553.5nm 적색 편이. 그림 5b에서 g 값 540~780nm 증가로 공진 613.6~731.2nm 적색 편이. 그림 5c, d는 그림 5a, b 해당 공진, g 값, 해당 FWHM 값 관계. 공진 꽤 선형 적색 편이. 보정 계수 각각 0.99864, 0.99950. D_y=350nm, t=210nm 경우 튜닝 범위 87.6nm, 평균 FWHM 3nm(그림 5c). D_y=450nm, t=280nm 경우 튜닝 범위 117.6nm, 평균 FWHM 4nm(그림 5d). 그림 5a 466nm 파장 1.5nm, 그림 5b 615nm 파장 3.2nm 가장 좁은 FWHM 값. 제안 TAM 설계 결과와 비교시 TLNM FWHM 값 최소 10배 향상되며 완벽 흡수 유지. LN 메타표면 사용으로 광학 성능 크게 개선. 이 결과들로 TLNM 초협대역, 완벽 흡수, 큰 튜닝 범위 특출난 특성으로 초민감 컬러 필터, 흡수체, 검출기, 센서 등 많은 응용 잠재력 있음.

TLNM 반사 스펙트럼. 최대 튜닝 범위 위해 매개변수 최적화: a D_y=350nm, t=210nm, b D_y=450nm, t=280nm. c, d a, b 해당 공진, g 값, 해당 FWHM 값 관계

TAM, TLNM 장치 실용 응용(예: 환경 센서) 이식 가능성 추가 조사 위해 주변 환경 다른 주변 굴절률(n) 노출. 그림 6은 굴절률 1.0~1.3 주변 환경 노출 TAM 반사 스펙트럼. TAM 기하학적 치수 D_x=110nm, D_y=200nm, g=450nm 상수 유지. 두 공진 각각 84.6nm(ω₁), 172.1nm(ω₂) 튜닝 범위 적색 편이. 공진과 n 값 관계 그림 6b 요약. 감도 각각 246.7nm/RIU, 481.5nm/RIU 계산, 첫 번째 공진(ω₁)과 두 번째 공진(ω₂) 해당 품질 인자(FOM) 각각 11, 14. 높은 감도 좁은 공진 FWHM(각각 21.6nm, 34nm) 기인. 실용적 센싱 응용에 매우 적합 특성.

a 다양한 굴절률(n) 주변 환경 노출 TAM 반사 스펙트럼. b 공진과 n 값 관계

단점은 ω₁ 반사 강도 상대적 높고 ω₂ 반사 강도 n 1.3 증가 시 20% 초과. 이 한계 극복 위해 LN 메타표면 특성으로 안정적 광학 특성 가진 TLNM 설계. 그림 7은 두 조건 D_y=350nm, t=210nm, g=490nm, D_y=450nm, t=280nm, g=580nm 하 다양한 n 값 주변 환경 노출 TLNM 반사 스펙트럼(그림 7a, b). 그림 7a에서 D_y=350nm, t=210nm, g=490nm TLNM 공진 n 값 1.0~1.2 증가로 58.4nm 튜닝 범위 적색 편이. D_y=450nm, t=280nm, g=580nm 조건 TLNM 공진 n 1.0~1.2 증가로 78.2nm 튜닝 범위 적색 편이. 두 경우 모두 TLNM 근완벽 흡수, 반사 강도 변동 5% 미만. 반사 스펙트럼 TAM보다 안정적. 공진과 n 값 관계 그림 7c, d 플롯. TLNM D_y=350nm, t=210nm, g=490nm 조건 감도, 평균 FWHM 각각 291.4nm/RIU, 3nm. 해당 FOM 97 계산(그림 7c). TLNM D_y=450nm, t=280nm, g=580nm 조건 감도, 평균 FWHM 각각 390.3nm/RIU, 4nm. 해당 FOM 97.5 계산(그림 7d), 그림 6 TAM 대비 7배 향상. TLNM 환경 센서 응용용 더 나은 센싱 성능 보임.

다양한 굴절률(n) 주변 환경 노출 TLNM 반사 스펙트럼 조건 a D_y=350nm, t=210nm, g=490nm, b D_y=450nm, t=280nm, g=580nm. c, d 두 경우 해당 공진, n 값, 해당 FWHM 값 관계

결론

결론적으로, Si 기판 위 Al 거울 층 코팅된 현탁 직사각형 Al, 타원형 LN 메타표면 기반 튜너블 고효율 컬러 필터 두 설계 제시. TAM, TLNM D_x, g, t 값 다른 조합 변경으로 전자기 응답 가시광 전 범위 초고효율 완벽 흡수 수행. g 값 증가로 TAM, TLNM 공진 각각 110.7nm, 117.6nm 튜닝 가능. 환경 센싱 응용 위해 TAM 초고감도 481.5nm/RIU, TLNM 초고 FOM 97.5 나타냄. TLNM FWHM 최대 10배 향상, FOM TAM 대비 7배 개선. 위 초협대역(특히 TLNM 3nm FWHM), 완벽 흡수, 큰 튜닝 범위 특성 가시광 스펙트럼 동시 구현 Al, LN 메타표면 이식으로 드물게 보고됨. 제안 장치들 초민감 고색순도 컬러 필터, 디스플레이/이미징 고해상도, 집적 광학 바람직한 고효율 튜너블 흡수체, 굴절률 센서 등 많은 응용 잠재력. 이 중 TLNM 더 높은 FOM, 좁은 FWHM 성능, TAM 굴절률 센서용 더 높은 감도 가짐.

데이터 및 재료 가용성

이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 게재된 논문에 포함되어 있습니다.

약어

MCFs:

메타표면 컬러 필터

LN:

리튬 니오베이트

TAM:

튜너블 알루미늄 메타표면

TLNM:

튜너블 LN 메타표면

F-P:

파브리-페로

FOM:

품질 인자

IR:

적외선

THz:

테라헤르츠

FDTD:

유한차분 시간영역

PML:

완전 정합층