이중층 꼬인 반원 나노구조를 이용한 고성능 플라즈모닉 카이랄 메타표면 흡수체: 선택적 원편광 흡수용

요약

본 논문에서는 광학 주파수에서 우회전 원편광(RCP, '+')과 좌회전 원편광(LCP, '−')에 대해 높은 선택적 흡수를 달성하는 플라즈모닉 카이랄 메타표면 흡수체(CMSA)를 제안합니다. 이 CMSA는 유전체 기판이 이중층 4중 꼬인 반원 금속 나노구조로 샌드위치된 구조로 구성됩니다. 제안된 CMSA는 강한 선택적 흡수 대역을 가지며, LCP와 RCP 빛의 흡수 피크가 서로 다른 공진 주파수에서 발생하여 상당한 원이색성(CD) 효과가 존재함을 보여줍니다. CMSA의 흡수율은 LCP 빛에 대해 93.2%, RCP 빛에 대해 91.6%에 도달하며, 최대 CD 크기는 각각 288.5 THz와 404 THz 부근에서 0.85와 0.91에 이릅니다. CMSA의 강한 카이랄 광학 반응 메커니즘은 단위 세포 나노구조의 전기장 분포를 통해 설명됩니다. 또한, 제안된 CMSA의 기하학적 구조가 원편광 선택적 흡수 특성에 미치는 영향을 체계적으로 연구했습니다.

서론

카이랄성은 어떤 물체가 역전이나 거울 평면 대칭을 갖지 않는 기하학적 특성을 지칭하는 보편적인 현상으로, 과학과 기술 분야에서 지속적으로 중요한 주제입니다[1, 2]. 카이랄 매질은 일반적으로 서로 거울상 관계에 있으며 단순한 병진이나 회전으로는 겹쳐질 수 없는 두 가지 거울상 이성질체 형태로 나타나며, 이들은 우회전 및 좌회전 원편광(RCP, '+', LCP, '−') 빛에 대해 서로 다른 반응을 보입니다[1]. 카이랄 매질에서 유래한 원편광(CP) 빛의 원이색성(CD)은 가장 독특한 카이랄 광학 특성 중 하나입니다. CD 효과는 카이랄 매질에서 RCP와 LCP 빛의 서로 다른 반응을 의미하며, 생물학, 의학, 화학, 그리고 편광 관련 광전자 소자 등에 폭넓은 응용 전망을 가지고 있습니다[3,4,5]. 그러나 천연 물질의 CD 효과는 매우 약해 실제 응용을 크게 저해합니다. 메타표면은 단일층 또는 소수층 평면 구조로 구성된 메타물질의 하위 클래스로, 전자기(EM) 파동이나 빛을 임의로 제어하는 데 큰 가능성을 보여줍니다[6,7,8,9,10]. 특히 카이랄 메타표면(CMS)은 카이랄 광학 효과를 몇 배나 향상시킬 수 있습니다.

CMS는 음의 굴절률과 광학 활성[11, 12], 비대칭 투과[13, 14], 거대 CD 효과[15,16,17], 편광 변환[18, 19], 파동면 조작[20, 21] 등 이국적인 EM 특성을 나타낼 수 있어 큰 관심을 받아왔습니다. 이후 분할 링, 나선 와이어, 감마디온, L자형 등 다양한 CMS 구조가 LCP 또는 RCP 빛에 대한 고효율 카이랄 선택적 필드 강화를 위해 제안되었습니다[22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33]. 그러나 이전 CMS 설계 대부분은 투과에서의 카이랄성 성능에 초점을 맞췄으며, 공학 응용에서 동등하게 중요한 CP 빛에 대한 반사/흡수에는 상대적으로 적은 관심이 주어졌습니다. 기존 흡수체 연구의 대부분은 선형 편광 빛에 적용되었으며, CP 빛을 위한 설계는 거의 연구되지 않았습니다. 실제로 CMS는 CP 빛을 위한 새로운 흡수체 구축에도 사용될 수 있습니다[25, 26, 29,30,31,32,33]. 예를 들어, Li 등[25]은 L자형 와이어 기반의 초박막 흡수체를 제안하여 마이크로파 영역에서만 LCP 파를 감쇠시켰습니다. Wang 등[29)은 카이랄 메타거울이 LCP 빛은 거의 모두 반사하면서 RCP 빛은 적외선 영역에서 완전히 흡수할 수 있음을 보였습니다. Tang 등[30]은 ŋ자형 공진기를 이용한 흡수체를 제안하여 가시광선에서 서로 다른 CP 빛에 대한 선택적 흡수를 달성했습니다. 이후 플라즈모닉 메타표면을 이용한 근적외선 카이랄 흡수체가 제안되어 LCP 또는 RCP 빛을 선택적으로 흡수함을 입증했습니다. 그러나 대부분의 CMS 흡수율은 90% 미만이었습니다. 따라서 높은 선택적 흡수를 갖는 효과적인 카이랄 메타표면 흡수체(CMSA) 설계가 절실히 요구됩니다.

본 연구에서는 근적외선 및 가시광선 영역에서 작동하는 이중층 4중 꼬인 반원 나노구조 기반의 고효율 CMSA를 제시합니다. 이러한 CMSA는 서로 다른 공진 주파수에서 서로 다른 편광 방향의 CP 빛에 대해 90% 이상의 선택적 흡수를 달성할 수 있습니다. 제안된 CMSA의 강한 선택적 흡수로 인해 약 0.9의 높은 CD 값을 실현할 수 있습니다. 서로 다른 CP 빛에 대한 선택적 흡수의 물리적 메커니즘은 전기장 분포를 통해 자세히 분석되었습니다. 또한, 단위 세포 기하학적 파라미터가 선택적 흡수에 미치는 영향도 체계적으로 연구되었습니다. 본 연구의 결과가 열 흡수체, 광통신 소자, 광검출기, 광학 필터, 이미징 및 홀로그램 등 다양한 실용적 응용을 위한 강한 흡수와 CD 효과를 갖는 CMSA 설계에 지침이 될 것으로 기대됩니다.

단위 세포 설계

그림 1은 제안된 CMSA의 개략도로, 꼬인 반원 나노구조로 이루어진 주기적 배열로 구성됩니다. 유전체 기판의 양면에 있는 4중 꼬인 반원 나노구조는 각각 이웃과 90° 회전되어 배치되며, 바닥면의 각 반원 나노구조도 위쪽 것과 90° 회전되어 있습니다(그림 1b 참조). 이전 설계[32]와 유사하게, 위쪽 4개의 반원 나노구조는 구리 실린더로 아래쪽 것과 연결되며, 구리 실린더의 반경은 반원 와이어 폭과 동일하여 전도성 결합을 증가시킵니다. 꼬인 반원 나노구조는 결합 공진기 시스템으로 볼 수 있으며, 두 꼬인 연결된 반원 사이의 전기적 및 자기적 유도 결합에서 강한 카이랄 반응이 발생합니다[34, 35]. 이 간단한 꼬인 반원 나노구조는 위쪽과 아래쪽 층에 거울 대칭으로 설계되어 제안된 CMSA의 카이랄성을 강화합니다.

제안된 CMSA의 전체 단위 세포는 빛 전파 방향에 대해 4중 회전(C₄) 대칭을 나타냅니다. 중간층의 유전체 기판은 상대 유전율이 1.9인 무손실 유전체 MgF₂로 제작되었습니다. 카이랄 금속 나노구조는 금으로 선택되었으며, 물질 파라미터는 드루드 모델[36]로 설명됩니다. 단위 세포의 최적화된 구조 파라미터는 다음과 같습니다: p_x = p_y = 600 nm, r = 70 nm, w = 40 nm, t_s = 120 nm, t_m = 30 nm. CMSA의 단위 세포는 입사 빛 주파수가 500 THz까지 올라갈 때 회절을 피하기 위해 x- 및 y-축 방향으로 600 nm의 주기를 가집니다. 제안된 CMSA의 효율을 검증하기 위해, CST Microwave Studio의 주파수 영역 솔버를 사용하여 유한 요소법(FEM) 기반의 전파장 고주파 EM 시뮬레이션을 수행했습니다. CMSA 단위 세포 나노구조, 적절한 경계 조건, 메쉬 크기 및 주파수 범위가 적절히 설정되면 주파수 영역 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다.

결과 및 논의

법선 입사 LCP와 RCP 빛에 대한 시뮬레이션된 동편광 투과 계수(t₊₊(ω), t_{− −}(ω))와 반사 계수(r₊₊(ω), r_{− −}(ω))가 그림 2에 제시되어 있습니다. 두 개의 카이랄 플라즈모닉 공진 모드(모드 1과 모드 2)가 각각 f₁ = 288.5 THz와 f₂ = 404 THz에서 명확하게 관측됩니다. RCP 빛에 대한 동편광 반사 계수 r₊₊(ω)와 LCP 빛에 대한 r_{− −}(ω)는 동일하며, 관심 주파수 대역 전체에서 0.4 미만입니다. 또한, r₊₊(ω)와 r_{− −}(ω)의 크기는 공진에서 약 0.15로 감소하여, CMSA와 자유 공간 사이의 RCP와 LCP 빛 모두에 대한 임피던스 매칭을 나타냅니다. 제안된 CMSA의 카이랄 특성으로 인해 공진에서 RCP 빛에 대한 동편광 투과 계수 t₊₊(ω)와 LCP 빛에 대한 t_{− −}(ω)는 현저히 다릅니다. 낮은 주파수 점 f₁ 부근에서 RCP 빛에 대한 t₊₊(ω)의 크기는 약 0.93으로, LCP 빛에 대한 t_{− −}(ω) 약 0.075보다 훨씬 높습니다. 높은 주파수 점 f₂ 부근에서는 RCP 빛에 대한 t₊₊(ω)의 크기가 최소값 0.018로 감소하는 반면, LCP 빛에 대한 t_{− −}(ω)는 최대값 약 0.92까지 올라갑니다. 이는 낮은 주파수에서 입사 RCP 빛만 선택적으로 CMSA를 통과하고 LCP 빛은 차단됨을 의미하며, 높은 주파수 f₂에서는 입사 LCP 빛만 선택적으로 통과하고 RCP 빛은 극도로 차단됨을 의미합니다. 따라서 위와 같은 CMSA의 카이랄 선택 현상은 RCP와 LCP 빛에 대한 서로 다른 흡수를 초래하여, 공진에서 고효율 선택적 흡수와 거대 CD 효과의 존재를 시사합니다.

그림 2b는 입사 LCP와 RCP 빛에 대한 흡수율 스펙트럼(A₊(ω), A₋(ω))을 보여줍니다. LCP와 RCP 빛에 대한 흡수율은 각각 약 93.2%와 91.6%의 최대값에 도달하는 반면, RCP와 LCP 빛에 대한 흡수율은 위 두 공진 부근에서 각각 약 8.7%와 4.8%로만 감소합니다. 분명히, 제안된 CMSA는 낮은 주파수 f₁ 부근에서 LCP 빛의 강한 흡수와 RCP 빛의 상당히 높은 투과율을 보이며, 주파수가 높은 공진 주파수 f₂로 올라오면 조건이 완전히 역전됩니다. 이는 제안된 CMSA가 특정 편광 방향의 두 CP 빛에 대한 선택적 흡수를 나타내면서 다른 하나는 서로 다른 공진에서 반사함을 의미합니다. 게다가, CMSA는 단일 크기의 카이랄 나노구조만으로 두 개의 강한 흡수 주파수 대역을 가지며, 이는 서로 다른 기하학적 크기에 따라 서로 다른 CP 빛에 대한 적응이 크게 의존하는 단일 고립 흡수 대역을 가진 이전 카이랄 흡수체[25, 26, 29, 31,32,33]보다 합리적으로 우수합니다. 따라서 설계된 카이랄 나노구조는 낮은 주파수에서 완벽한 LCP 빛 흡수체로, 높은 주파수에서 완벽한 RCP 빛 흡수체로 작용할 수 있습니다. 제안된 CMSA의 선택적 흡수 성능은 입사각 증가(비스듬한 입사)에 따라 악화될 수 있으며, 이는 고차 다중극 플라즈몬 공진 때문입니다(표시되지 않음). 또한, CP 빛에 대한 높은 카이랄 선택적 흡수는 제안된 CMSA에서 거대 CD 효과를 초래할 것으로 추론됩니다.

LCP와 RCP 빛 사이의 흡수 또는 투과 차이는 CD 파라미터 Δ로 특징지어질 수 있습니다. 그림 3a는 CMSA의 CD 스펙트럼을 보여주며, CD 파라미터의 주요 피크는 두 공진 주파수에서 각각 약 0.85와 0.91로, 보고된 카이랄 나노구조들[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32, 37,38,39,40,41,42]보다 훨씬 큽니다. 거대 CD 효과는 CMSA의 강한 카이랄성에 기인하며, 따라서 투명 원편광기로 응용될 수 있습니다. CMSA가 원편광기로 적용될 때의 CP 순도를 추가로 조사하기 위해, 타원도 각 η와 편광 방위각 회전 각 θ를 그림 3b에 나타냈습니다. η의 값은 낮은 주파수와 높은 주파수에서 각각 약 40.4°와 -43.9°이며, θ의 값은 두 공진 주파수에서 약 0°입니다. 이는 전달된 빛이 두 공진 주파수에서 CMSA 슬래브를 통과한 후 현저한 RCP와 LCP 특성을 나타냄을 의미합니다. 이 CMSA 기반 원편광기는 단위 세포의 높은 C₄ 대칭으로 인해 임의의 편광 빛에 대해 유효하며, 더 높은 CP 순도를 가집니다. 따라서 우리의 설계된 카이랄 나노구조로 균질 원편광기를 합리적으로 구현할 수 있을 것으로 기대됩니다.

CMSA의 선택적 흡수와 거대 CD 효과를 완전히 이해하기 위해, CP 빛의 투과 및 반사 계수로부터 표준 추출 절차[43, 44]를 사용하여 굴절률 Re(n), Re(n₋), Re(n₊) 및 카이랄 파라미터 Re(κ)를 추출했습니다(그림 4a, b). 설계된 CMSA에서 강한 카이랄성과 관련된 두 공진이 나타납니다. 낮은 주파수 공진은 약 288.5 THz에서 발생하며, 높은 주파수 공진은 404 THz에 위치하며, 이는 선택적 흡수와 CD 피크의 특성 주파수와 일치합니다. 그림 4a에서 볼 수 있듯이, Re(n)은 최대 크기 -2.3과 -1.1로 음수이며, Re(κ)는 두 공진 주파수 부근에서 최대 크기 6.4와 -5.1까지 올라갑니다. 카이랄 파라미터 κ도 RCP와 LCP 빛의 음의 굴절에 기여함이 명확합니다. 강한 카이랄성은 n_± = n ± κ 관계로 인해 RCP/LCP 빛의 굴절률을 공진에서 쉽게 음수로 만듭니다. 따라서 그림 4b에서 볼 수 있듯이, LCP 빛에 대한 Re(n₋)와 RCP 빛에 대한 Re(n₊)는 각각 286.2 THz에서 291 THz, 400.2 THz에서 404 THz까지 음수입니다. 또한, Re(n₋)와 Re(n₊)는 두 공진에서 각각 최대 음수값 -8.6과 -6.3에 도달합니다. 이는 제안된 CMSA의 높은 선택적 흡수와 거대 CD 효과가 LCP와 RCP 빛의 음의 굴절 특성과 관련됨을 보여줍니다.

제안된 CMSA의 선택적 흡수와 거대 CD 효과의 기원을 추가로 밝히기 위해, 288.5 THz와 404 THz에서 RCP와 LCP 빛에 의해 구동되는 단위 세포의 전기장(E_z) 분포를 연구했습니다. 반원 나노구조가 서로 다른 CP 빛의 입사 파장에 비해 작은 직경을 가지므로, 표면 플라즈몬 공진의 자극은 진동 쌍극자 필드를 생성하는 것으로 알려져 있습니다[45,46,47,48]. RCP 또는 LCP 빛이 반원 나노구조를 비출 때, 제안된 CMSA에서 선택적 흡수와 거대 CD 효과가 발생하여 각 층의 전기장 및 자기장 성분 분포가 서로 다르게 나타날 것으로 합리적으로 믿어집니다[48,49,50,51,52,53].

그림 5는 서로 다른 공진 주파수에서 RCP와 LCP 빛에 의해 유도된 제안된 CMSA 단위 세포의 전기장(E_z) 분포를 보여줍니다. 반원 나노구조 위아래 층의 전기장(E_z) 분포 상세도는 각 표면 플라즈모닉 모드의 본질을 명확히 보여줍니다[54]. 위아래 층 반원 나노구조의 빨간색과 파란색 영역은 RCP와 LCP 빛 자극 하에서 양전하와 음전하 축적을 나타냅니다. 양전하와 음전하는 분리되어 각 반원 나노구조의 모서리에 주로 축적되어 전기 쌍극자 진동처럼 작용합니다. 설계된 반원 나노구조에서 전기 쌍극자 파워가 자기 쌍극자 파워보다 훨씬 강함이 관측되어, 전기 쌍극자 진동의 우세를 보여줍니다. 공진에서 발생하는 선택적 흡수와 거대 CD 효과는 LCP와 RCP 자극 하에서 명백한 쌍극자 파워 차이에 기인합니다. 여기서는 네 개의 반원 나노구조의 전하 진동을 하나의 쌍극자 진동으로 고려하는 등가 전기 쌍극자 모멘트를 이용한 단순화된 방법을 적용했습니다[48,49,50]. 본-쿤 이론[47, 48]에 따르면, 같은 전기장 방향을 가진 두 쌍극자에서 혼성화된 모드는 결합 모드(bonding mode)라고 하며, 90° 또는 교차 방향을 가진 두 쌍극자에서 혼성화된 다른 모드는 반결합 모드(antibonding mode)라고 합니다. 그림 5a1, b1에서 볼 수 있듯이, 공진 주파수 f₁ = 288.5 THz에서 RCP 빛 조명 하에 위아래 층의 전기 쌍극자 필드는 교차 방향을 보이며 반결합 모드를 형성하고, 본-쿤 모델에 따라 RCP 빛의 높은 투과를 초래합니다. 그림 5c1, d1에서 볼 수 있듯이, LCP 빛 조명 하에서는 CMSA의 전기장 분포가 위아래 층 사이의 결합 모드에서 혼성화된 것으로 볼 수 있으며, 이는 같은 방향을 가진 두 등가 전기 쌍극자 모멘트로 구성되어 LCP 빛의 높은 흡수 레벨을 초래합니다. 따라서 결합 모드와 반결합 모드는 낮은 주파수에서 LCP와 RCP 빛 조명 하에 카이랄 나노구조의 서로 다른 공진 에너지와 서로 다른 투과 및 흡수를 유발합니다(그림 2 참조). 그림 5a2, b2, c2, d2에서 볼 수 있듯이, 공진 주파수 f₂ = 404 THz에서 RCP와 LCP 빛 조명 하에 위아래 층의 전기 쌍극자 필드는 각각 같은 방향(결합 모드)과 교차 방향(반결합 모드)을 보이며, 결과적으로 RCP 빛에 대한 높은 흡수 레벨과 LCP 빛에 대한 높은 투과를 초래합니다. 따라서 두 다른 주파수에서의 선택적 흡수와 CD 효과는 주로 위아래 층 전기 쌍극자 모멘트의 혼성 결합에 의해 유도된 결합 모드와 반결합 모드에 기인합니다.

다음으로, 제안된 CMSA 단위 세포의 기하학적 파라미터가 흡수 특성에 미치는 영향을 조사합니다. 그림 6은 단위 세포의 다양한 기하학적 파라미터(r, w, t_m, t_s)에 따른 LCP와 RCP 빛의 시뮬레이션된 흡수율 스펙트럼과 공진 주파수(f₋, f₊)를 보여줍니다. 설계된 나노구조에 대해, 파라미터 의존적 선택적 흡수 특성의 흥미로운 스펙트럼 변화가 관측되며, 이는 명백히 다중 인자 경쟁적이고 복잡합니다. 본 연구에서 대조군의 기하학적 파라미터는 r = 70 nm, w = 40 nm, t_m = 30 nm, t_s = 120 nm이며, 한 번에 하나의 파라미터만 변경합니다.

먼저 다른 r(r = 65 nm, 70 nm, 75 nm, 80 nm)를 가진 반원 나노구조를 계산했으며, 다른 파라미터는 고정했습니다(그림 6a1, a2). r이 증가하면, LCP 빛에 대한 공진 주파수 f₋와 RCP 빛에 대한 f₊가 점차 감소하는데, 이는 등가 LC 공진 회로 이론[55, 56]으로 해석될 수 있습니다. LCP와 RCP 빛 조명에 대한 공진 주파수(f₋, f₊)는 \(f_{ \mp } = \frac{1}{{2\pi \sqrt {LC} }}\)로 표현되며, 여기서 등가 커패시턴스 C와 인덕턴스 L은 주로 제안된 CMSA의 기하학적 파라미터에 의해 결정됩니다. L은 r 증가에 따라 증가하므로, 공진 주파수(f₋, f₊)가 감소합니다. 또한, 그림 6a1에서 볼 수 있듯이 r이 증가하면 LCP 빛의 흡수율은 점차 감소하는 반면, RCP 빛의 흡수율은 거의 변하지 않습니다. 그림 6b1, b2는 w를 30에서 45 nm까지 5 nm 단계로 변경하면서 다른 파라미터를 고정한 경우 LCP와 RCP 빛의 흡수율 스펙트럼을 보여줍니다. w가 증가함에 따라 LCP와 RCP 빛에 대한 공진 주파수(f₋, f₊)가 점차 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 공진 주파수 증가의 주된 원인은 C의 감소입니다. 그림 6b2에서 볼 수 있듯이, w 증가 시 LCP 빛의 흡수율은 처음에 증가하다가 약간 감소하는 반면, RCP 빛의 흡수율은 점차 감소합니다. 그림 6c1, c2는 t_m을 20에서 50 nm까지 10 nm 단계로 변화시키면서 다른 파라미터를 고정한 경우 LCP와 RCP 빛의 흡수율 스펙트럼과 공진 주파수(f₋, f₊)를 보여줍니다. w 변화와 유사한 경우가 나타나는데, t_m 증가 시 LCP 빛에 대한 공진 주파수 f₋는 크게 증가하고, RCP 빛에 대한 공진 주파수는 약간 증가합니다. 이 경우 L은 t_m 증가에 따라 감소하므로 공진 주파수(f₋, f₊)가 증가합니다. 또한, 그림 6c2에서 볼 수 있듯이 t_m 증가 시 LCP와 RCP 빛의 흡수율은 모두 처음에 증가하다가 감소합니다. 마지막으로, 다른 t_s(t_s = 110 nm, 120 nm, 130 nm, 140 nm)를 가진 경우 LCP와 RCP 빛의 흡수율 스펙트럼과 공진 주파수(f₋, f₊)를 그림 6d1, d2에 나타냈습니다. t_s 증가 시 LCP 빛의 흡수율은 점차 증가하는 반면, RCP 빛의 흡수율은 약간 감소합니다(그림 6d1). 또한, t_s 증가 시 LCP와 RCP 빛의 공진 주파수(f₋, f₊)는 점차 감소합니다(그림 6d2). 이 경우 C는 t_s 증가에 따라 증가하므로 공진 주파수(f₋, f₊)가 감소합니다. 설계된 카이랄 나노구조 단위 세포의 기하학적 파라미터에 따라 LCP와 RCP 빛의 공진 주파수(f₋, f₊)와 흡수 레벨이 민감함을 결론지을 수 있습니다. 따라서 제안된 CMSA의 선택적 흡수 특성은 구조 파라미터를 변화시킴으로써 동적으로 조정될 수 있습니다.

결론

결론적으로, 이중층 4중 꼬인 반원 나노구조 기반의 CMSA를 제안하여 근적외선 및 가시광선 영역에서 RCP와 LCP 빛에 대한 근완벽한 카이랄 선택적 흡수와 거대 CD 효과를 달성했습니다. 시뮬레이션 결과, RCP와 LCP 빛에 대한 카이랄 선택적 흡수율이 모두 90% 이상이며, CD 크기는 0.91에 도달할 수 있습니다. 추출된 유효 EM 파라미터에 따르면, 낮은 주파수 흡수와 CD 효과는 모두 LCP 빛의 음의 굴절 특성과 관련되며, 높은 주파수 경우는 RCP 빛과 관련됩니다. 전기장 분포는 CMSA의 카이랄 선택적 흡수 특성과 거대 CD 효과가 주로 위아래 층 전기 쌍극자 모멘트의 혼성 결합에 의해 유도된 결합 모드와 반결합 모드에서 기인함을 나타냅니다. 또한, CMSA의 공진 주파수와 카이랄 선택적 흡수 레벨은 단위 세포의 기하학적 파라미터를 변경함으로써 조정될 수 있습니다. 따라서 CMSA의 설계가 광학 필터, 카이랄 이미징, 원편광기, 검출 및 광통신 등 미래 응용에 유망함이 합리적으로 결론지어집니다.

수치적 방법 섹션

FEM 시뮬레이션: 전파장 EM 시뮬레이션은 유한 요소법(FEM) 기반으로 수행되었습니다. 시뮬레이션에서 금의 전기적 특성은 다음과 같이 드루드 모델[36]로 설명됩니다:

$$\varepsilon_{{{\text{Au}}}} = {1} - \omega_{p}^{{2}} /\omega \left( {\omega + i\gamma } \right)$$ (1)

여기서 ω_p = 1.37 × 10¹⁶ rad/s는 플라즈마 주파수이고, γ = 8.04 × 10¹³ rad/s는 광학 주파수 범위에서 금의 충돌 주파수입니다. 시뮬레이션에서 단위 세포 경계 조건이 x- 및 y-축 방향으로 적용되었으며, 두 CP 고유 빛이 직접 사용되었습니다. 광대역 CP 빛이 여기원으로 사용되어, 설계된 카이랄 나노구조의 단위 세포를 -z에서 +z 방향으로 법선 입사시켰습니다. 그런 다음 LCP와 RCP 빛의 반사 및 투과 계수를 얻을 수 있습니다. 일반적으로 LCP/RCP 빛에 대한 흡수율 A₋(ω)/A₊(ω)는 다음과 같이 표현됩니다[17, 32]: A₋(ω) = 1 − R_{− −}(ω) − T_{− −}(ω) = 1 − |r_{− −}(ω)|² − |t_{− −}(ω)|², A₊(ω) = 1 − R₊₊(ω) − T₊₊(ω) = 1 − |r₊₊(ω)|² − |t₊₊(ω)|². 동편광 투과 계수 t_{− −}(ω)는 LCP용, t₊₊(ω)는 RCP용이며, r_{− −}(ω)와 r₊₊(ω)는 각각 동편광 반사 계수입니다. 설계된 카이랄 나노구조 단위 세포의 높은 C₄ 대칭으로 인해 LCP와 RCP 빛에 대한 교차 편광 투과 계수(t₊₋(ω), t₋₊(ω))와 반사 계수(r₊₋(ω), r₋₊(ω))는 0.01 미만으로 충분히 작아 무시할 수 있습니다. 또한, CD 효과는 두 CP 빛의 선택적 흡수에 의해 유도되며, 다음과 같이 표현됩니다: △ =|t₊₊(ω)| − |t_{− −}(ω)| [14, 29]. 타원도와 광학 활성은 설계된 카이랄 나노구조의 카이랄성을 평가하는 중요한 파라미터입니다. 타원도는 카이랄 나노구조의 전달된 빛의 편광 상태를 특징짓는데, 타원도 각 η = arctan[(|t₊₊(ω)| − |t_{− −}(ω)|) / (|t₊₊(ω)| +|t_{− −}(ω)|)]로 설명됩니다. 광학 활성은 전달된 선형 편광 빛의 편광면이 입사 빛에 대해 회전하는 특성을 나타내며, 편광 방위각 회전 각 θ = [arg(t₊₊(ω)) − arg(t_{− −}(ω))]/2로 설명됩니다.

데이터 및 재료 가용성

현재 연구 동안 생성 및/또는 분석된 데이터셋은 합리적인 요청 시 해당 저자로부터 입수 가능합니다.

약어

CMS:

카이랄 메타표면 (Chiral metasurface)

CMSA:

카이랄 메타표면 흡수체 (Chiral metasurface absorber)

RCP:

우회전 원편광 (Right-handed circular polarization)

LCP:

좌회전 원편광 (Left-handed circular polarization)

CD:

원이색성 (Circular dichroism)

EM:

전자기 (Electromagnetic)

CP:

원편광 (Circular polarization)