Aumento de absorção de banda larga insensível a ângulos de grafeno usando uma metassuperfície multi-ranhurada

Resumo

Um absorvedor de banda larga insensível ao ângulo de grafeno cobrindo todo o espectro visível é numericamente demonstrado, o que é resultado de múltiplos acoplamentos das ressonâncias dipolo elétrica e magnética nas estreitas ranhuras metálicas. Isto é conseguido integrando a folha de grafeno com uma metassuperfície multi-ranhurada separada por um espaçador de polimetilmetacrilato (PMMA), e uma eficiência média de absorção de 71,1% pode ser realizada na faixa espectral de 450 a 800 nm. A localização do pico de absorção do grafeno pode ser ajustada pela profundidade da ranhura e a largura de banda de absorção pode ser controlada de forma flexível ajustando o número e a profundidade da ranhura. Além disso, o aumento da absorção de luz de banda larga do grafeno é robusto às variações dos parâmetros da estrutura e boas propriedades de absorção podem ser mantidas, mesmo o ângulo de incidência é aumentado para 60 °.

Histórico

O grafeno tem se mostrado um bom candidato para dispositivos optoeletrônicos devido às suas notáveis propriedades eletrônicas, mecânicas e ópticas sintonizáveis [1,2,3]. Para muitas aplicações, como fotodetecção e células solares, uma forte absorção de grafeno é desejada para gerar uma grande quantidade de pares elétron-buraco e produzir uma grande fotocorrente [4, 5]. Do terahertz ao infravermelho médio, o grafeno se comporta como um metal e pode funcionar como um bom absorvedor devido à sua forte resposta plasmônica [6,7,8]. Pelo contrário, nas regiões visível e infravermelho próximo, o grafeno exibe uma absorção quase independente do comprimento de onda de cerca de 2,3% na incidência normal [9], o que limita seriamente sua posterior aplicação na detecção fotoelétrica.

Nos últimos anos, várias abordagens têm sido sugeridas para aumentar a absorção de luz do grafeno nas regiões visível e infravermelho próximo, e os mecanismos físicos por trás do aumento da absorção do grafeno incluem efeito epsilon próximo a zero [10], ressonância da cavidade [11, 12,13], refletância total atenuada [14], ressonância de modo guiado [15,16,17,18], acoplamento crítico [19,20,21], ressonância Fano [22, 23], ressonância plasmônica [24,25 , 26], e ressonância magnética [27,28,29]. Infelizmente, as larguras de banda desses absorvedores são geralmente estreitas devido à sua natureza de ressonância. Muito recentemente, é mostrado que a largura de banda de absorção do grafeno pode ser estendida aumentando os canais de absorção de luz [30,31,32,33,34,35]. Por um lado, usando o ressonador patch [30] ou os arranjos de nanodisk Ag [31], o aumento da absorção de luz de banda dupla do grafeno pode ser alcançado. Mais canais de absorção de luz do grafeno podem ser realizados aumentando a espessura do guia de onda [32], e o aumento da absorção de banda larga do grafeno é possível usando vários arranjos de nanodisco Ag [33]. Por outro lado, os canais de absorção angular de grafeno podem ser aumentados usando configuração de reflexão total atenuada [34], e absorção aumentada angularmente densa semelhante a pente pode ser obtida pela excitação de ressonância de modo guiado de um cristais fotônicos dimensionais [35]. Em aplicações reais, o aprimoramento do acoplamento luz-grafeno em uma ampla faixa espectral é muito importante para dispositivos como fotodetectores e fotovoltaicos. No entanto, existem apenas algumas pesquisas sobre o aumento da absorção de banda larga de grafeno nas regiões visível e infravermelho próximo, e absorvedores de banda larga insensíveis a ângulo cobrindo toda a região visível são altamente desejados.

Neste trabalho, um novo absorvedor de banda larga insensível ao ângulo de grafeno cobrindo toda a região visível é proposto integrando a folha de grafeno com uma metassuperfície multi-ranhurada. A banda de absorção aprimorada de grafeno surgiu de vários acoplamentos de ressonâncias dipolo elétricas e magnéticas confinadas na cavidade da ranhura. A banda de absorção do grafeno pode ser controlada de forma flexível ajustando o número e a profundidade das ranhuras. A alta eficiência de absorção pode ser mantida mesmo se os parâmetros da estrutura e o ângulo de incidência forem significativamente alterados.

Métodos

A Figura 1 mostra um diagrama esquemático da metassuperfície multi-ranhurada iluminada pela onda plana TM (o vetor do campo magnético encontra-se ao longo do y -eixo) para aprimoramento de absorção de banda larga insensível a ângulos de grafeno. A célula unitária da estrutura consiste em uma folha plana de grafeno e um filme de prata padronizado com cinco ranhuras separadas por um espaçador de polimetilmetacrilato (PMMA). A camada de PMMA funciona como uma camada tampão que controla o acoplamento entre o grafeno e o filme de prata padronizado, e também pode ser facilmente transferida para a superfície multigrooved por spin-coating na aplicação. O período da célula unitária é Λ , a espessura do espaçador de PMMA é t , a espessura do filme de prata inferior é D , e o substrato é sílica. A geometria da ranhura é descrita por sua largura w e sua profundidade. A largura das cinco ranhuras é igual e suas profundidades são d ₁ , d ₂ , d ₃ , d ₄ e d ₅ , respectivamente. O índice de refração do PMMA é 1,49 [36], e os índices de refração complexos do filme de prata são retirados de Palik [37]. A folha de grafeno planar consiste em N camadas de grafeno monocamada, e a espessura da folha de grafeno é de 3,4 nm como N =10 [11, 27]. O grafeno monocamada é modelado como uma superfície infinitesimalmente fina com a condutividade da superfície σ _g calculado a partir da fórmula de Kubo [38, 39]. Em temperatura finita, ele pode ser dividido em contribuições intra e interbandas:
$$ {\ sigma} _g \ left (\ omega \ right) ={\ sigma} _ {\ mathrm {intra}} \ left (\ omega \ right) + {\ sigma} _ {\ mathrm {inter}} \ left (\ omega \ right) $$ (1)

a Diagrama esquemático da metassuperfície multi-ranhurada para absorção de banda larga insensível ao ângulo de grafeno. b Diagrama de seção transversal de uma célula unitária da estrutura
$$ {\ sigma} _ {\ mathrm {intra}} \ left (\ omega \ right) =- j \ frac {e ^ 2 {k} _BT} {\ pi {\ mathrm {\ hslash}} ^ 2 \ esquerda (\ omega -2j \ Gamma \ direita)} \ esquerda [\ frac {\ mu_c} {k_BT} +2 \ mathrm {l} n \ esquerda ({e} ^ {- \ frac {\ mu_c} {k_BT} } +1 \ right) \ right] $$ (2) $$ {\ sigma} _ {\ mathrm {inter}} \ left (\ omega \ right) =- j \ frac {e ^ 2} {4 \ pi \ mathrm {\ hslash}} \ mathrm {l} n \ left [\ frac {2 \ left | {\ mu} _c \ right | - \ left (\ omega -j2 \ Gamma \ right) \ mathrm {\ hslash} } {2 \ left | {\ mu} _c \ right | + \ left (\ omega -j2 \ Gamma \ right) \ mathrm {\ hslash}} \ right] $$ (3)
onde e e ħ são a carga elementar e a constante de Planck reduzida, respectivamente. k _B é a constante de Boltzmann, μ _c é o potencial químico, Γ =1/2 τ é a taxa de dispersão fenomenológica, e τ é o tempo de relaxamento do momentum. Os parâmetros físicos do grafeno são definidos como μ _c =0,15 eV, T =300 K e τ =0,50 ps.

Em simulações, o método de domínio de tempo de diferenças finitas (FDTD) (soluções Lumerical FDTD) é adotado para calcular as propriedades de absorção da metassuperfície multi-ranhurada baseada em grafeno. Condições de limite periódicas (PBCs) são empregadas no x direções, enquanto os limites no z direção são adotadas como camadas perfeitamente combinadas (PMLs). Refletividade ( R ) e transmissividade ( T ) são obtidos por dois monitores na parte superior e inferior da estrutura. O filme de prata inferior é escolhido para ser opticamente espesso o suficiente ( D =100 nm) para evitar a transmissão de luz; portanto, absorção total ( A ) da estrutura pode ser reduzido como A =1– R . A absorção de grafeno ( A _g ) pode ser calculado como [24]:
$$ {A} _g =\ left [{P} _ {\ mathrm {up}} \ left (\ lambda \ right) - {P} _ {\ mathrm {down}} \ left (\ lambda \ right) \ direita] / {P} _ {\ mathrm {in}} \ esquerda (\ lambda \ direita) $$ (4)
onde P _up ( λ ) e P _{para baixo} ( λ ) são as potências que passam pelos planos superior e inferior da folha de grafeno no comprimento de onda λ , respectivamente. P _em ( λ ) representa a potência incidente no comprimento de onda λ . Na simulação, P _em ( λ ) é a potência da fonte de luz, e dois monitores de potência são inseridos nos planos superior e inferior do grafeno para obter P _up ( λ ) e P _{para baixo} ( λ ) Essas potências são extraídas do campo total nas simulações do FDTD.

Resultados e discussões

A Figura 2 mostra a resposta espectral da metassuperfície multi-ranhurada sem e com grafeno. Os parâmetros da estrutura, como o número de ranhuras, a profundidade e largura da ranhura e a espessura do espaçador de PMMA, são otimizados de modo a obter aumento de absorção de banda larga na região visível. Como pode ser visto na Fig. 2a, a metassuperfície multi-ranhurada sem grafeno pode funcionar como um absorvedor plasmônico e a absorção de luz pode ser aumentada na região visível devido ao efeito de plasmon de superfície do filme de prata nanoestruturado. Veja a Fig. 2b para a metassuperfície multi-ranhurada com grafeno, e a absorção de luz pode ser significativamente aumentada em toda a região visível. A absorção média da estrutura total atinge 92,7% na faixa de comprimento de onda de 400-800 nm, que é comparável a muitos absorvedores plasmônicos, tanto na eficiência de absorção quanto na largura de banda de absorção [40,41,42,43]. Curiosamente, a energia da luz é dissipada principalmente em grafeno, em vez de prata. A eficiência de absorção do grafeno é significativamente aumentada em uma região de comprimento de onda estendido, e sua eficiência de absorção média atinge 71,1% na faixa espectral de 450 a 800 nm. No entanto, como o modo de plasmon de superfície só pode ser excitado pela polarização TM, não há nenhum aumento de absorção óbvio para a metassuperfície multi-ranhurada sob a iluminação de onda TE (consulte o arquivo adicional 1:Figura S1).

a Espectros da metassuperfície multi-ranhurada sem grafeno. b Espectros de absorção da estrutura total, grafeno e prata para a metassuperfície multi-ranhurada com grafeno. Os parâmetros são Λ =300 nm, t =5 nm, w =30 nm, D =100 nm, d ₁ =20 nm, d ₂ =35 nm, d ₃ =50 nm, d ₄ =80 nm, d ₅ =90 nm, N =10 e θ _c =0 °

Para obter insights sobre o efeito do aumento da absorção de banda larga do grafeno sob a iluminação de onda TM, as distribuições do campo elétrico e magnético da estrutura para diferentes comprimentos de onda são investigadas. Como pode ser visto na Fig. 3, o campo elétrico é altamente concentrado e intensificado ao redor do canto da ranhura metálica, e sua direção é quase paralela ao x -eixo, correspondendo a um modo de ressonância dipolo elétrica [44, 45]. Ao contrário, o campo magnético é fortemente realçado na cavidade da ranhura metálica, e sua direção é perpendicular ao xoz -plano, correspondendo a um modo de ressonância dipolo magnética [26, 46]. O acoplamento eletromagnético das ressonâncias dipolo elétrica e magnética nas ranhuras metálicas aumenta notavelmente a interação luz-grafeno, resultando em maior absorção de luz do grafeno. Observe que a localização do realce do campo está concentrada principalmente no sulco mais raso para comprimentos de onda curtos e muda para um sulco mais profundo à medida que o comprimento de onda aumenta; assim, múltiplos acoplamentos das ressonâncias dipolo elétrica e magnética podem ser suportados para a estrutura multi-ranhurada com diferentes profundidades de ranhura, resultando na absorção de luz de banda larga de grafeno que cobre toda a região visível.

Distribuições normalizadas de campos elétricos e magnéticos da célula unitária da estrutura nos comprimentos de onda de 450 nm para ( a ) e ( b ); 600 nm para ( c ) e ( d ); 750 nm para ( e ) e ( f ) A área do traço branco inserida é a visão ampliada das ranhuras e as setas vermelhas indicam a direção do campo elétrico. Os parâmetros da estrutura são os mesmos da Fig. 2

Para identificar ainda a localização do pico de absorção de grafeno da metassuperfície multi-ranhurada, as propriedades ressonantes da estrutura de ranhura única são estudadas. Para a estrutura de ranhura única mostrada na inserção da Fig. 4b, o comprimento de onda de ressonância da cavidade da ranhura sob polarização TM é dado como [47]:
$$ 2 {n} _ {\ mathrm {ef}} {d} _g + \ frac {1} {2} \ lambda =M \ lambda, $$ (5)
onde M é o número do modo e M =1 no cálculo; n _eff é o índice de refração efetivo da cavidade da ranhura, que pode ser equivalente ao índice de refração de modo do guia de onda metal-isolador-metal (MIM). Apenas o modo fundamental de TM ₀ pode ser suportado porque a largura do sulco é muito menor do que o comprimento de onda, e o n correspondente _eff pode ser determinado usando a dispersão de modo uniforme do guia de onda MIM [48]:
$$ \ tanh \ left (\ frac {w \ sqrt {\ beta ^ 2- {k} _0 ^ 2 {\ varepsilon} _d}} {2} \ right) =- \ frac {\ varepsilon_d \ sqrt {\ beta ^ 2- {k} _0 ^ 2 {\ varepsilon} _m}} {\ varepsilon_m \ sqrt {\ beta ^ 2- {k} _0 ^ 2 {\ varepsilon} _d}}, $$ (6)
onde ε _d e ε _m são as constantes dielétricas de PMMA e prata, respectivamente; k ₀ é o vetor de onda da luz incidente, β é a constante de propagação do modo de guia de onda MIM, e n _eff = β / k ₀ .

Resposta de absorção de grafeno para a estrutura de ranhura única, conforme mostrado na inserção da figura. a Resposta de absorção do grafeno em função da profundidade do sulco. b O resultado FDTD da localização do pico de absorção do grafeno em função da profundidade do sulco e o resultado teórico do comprimento de onda de ressonância como uma função da profundidade do sulco. Os parâmetros são Λ =300 nm, t =5 nm, N =10 e w =30 nm

Como pode ser visto na Fig. 4a, para a estrutura de ranhura única, a eficiência de absorção do grafeno é aumentada conforme a profundidade da ranhura é aumentada, e o pico de absorção do grafeno é deslocado para o comprimento de onda mais longo também. Como pode ser visto na Fig. 4b, as localizações dos picos de absorção do grafeno estão em boa concordância com os resultados teóricos do comprimento de onda de ressonância da cavidade do sulco. A inclinação do resultado FDTD é 8,48, que está próxima da inclinação do resultado teórico de 10,46. De acordo com a Eq. (5), a localização do pico de absorção do grafeno é desviado para o vermelho com o aumento da profundidade do sulco e cobre toda a região visível conforme a profundidade do sulco varia dentro da faixa de 20–90 nm. Portanto, a localização do pico de absorção de grafeno pode ser ajustada pela profundidade do sulco e a absorção de banda larga de grafeno pode ser realizada se vários sulcos com diferentes profundidades de sulco forem integrados na célula unitária da estrutura, o que verifica ainda mais o mecanismo físico de absorção de luz de banda larga de grafeno para a metassuperfície multi-ranhurada. No entanto, por um período fixo e uma largura de ranhura fixa, isso não significa que quanto maior o número da ranhura, melhor será o desempenho de absorção do grafeno (ver arquivo adicional 1:Figura S2). Assim, o desempenho de absorção do grafeno pode ser controlado de forma flexível ajustando o número e a profundidade da ranhura para a configuração multi-ranhurada.

Para avaliar ainda mais o desempenho de absorção do grafeno integrado com a metassuperfície multi-ranhurada, primeiro investigamos a influência da espessura da camada espaçadora na absorção de luz do grafeno. Como pode ser visto na Fig. 5, a resposta de absorção do grafeno é robusta à variação da espessura da camada espaçadora, e a banda de absorção ampla pode ser mantida conforme a espessura da camada espaçadora é aumentada de 5 nm para 20 nm . Conforme a espessura da camada espaçadora é aumentada, a banda de absorção do grafeno muda para o comprimento de onda mais longo devido ao aumento da espessura óptica da estrutura. Além disso, como a camada espaçadora possui a função de camada tampão, que controla o acoplamento eletromagnético entre a ranhura metálica e o grafeno, a eficiência média de absorção do grafeno diminui com o aumento da espessura da camada espaçadora.

Resposta de absorção de grafeno em função da espessura da camada espaçadora para a estrutura multi-ranhurada, e outros parâmetros são os mesmos que na Fig. 2

A Figura 6 mostra a influência do número de monocamada de grafeno e da largura do sulco na absorção de luz do grafeno, e pode-se ver que o desempenho de absorção do grafeno é robusto às variações de N e w . Na Fig. 6a, a absorção de luz do grafeno pode ser notavelmente aumentada à medida que o número de monocamada de grafeno é aumentado para 10; no entanto, o aumento de absorção geral diminui para N > 10 e torna-se saturado como N é aumentado para 30. A absorção de luz do grafeno nem sempre é aumentada com o aumento do número de grafeno monocamada, e fenômeno semelhante também pode ser observado nas grades de ressonância de guia de ondas baseadas em grafeno [49]. Na Fig. 6b, pode-se ver que a banda de absorção é alterada para o azul à medida que a largura do sulco é aumentada, e a absorção média atinge seu máximo no valor de projeto de w =30 nm para a estrutura total e grafeno na região visível. Como o acoplamento eletromagnético das ressonâncias dipolo elétrica e magnética está confinado principalmente na ranhura, o desvio do valor de design da largura da ranhura com ± 10 nm afetará distintamente o desempenho de absorção da metassuperfície multi-ranhurada.

a Resposta de absorção do grafeno em função do número de monocamada de grafeno. b Espectros de absorção da estrutura total e grafeno em função da largura do sulco com N =10. Outros parâmetros são iguais aos da Fig. 2

Nós também investigamos a robustez angular do absorvedor de grafeno proposto integrado com a metassuperfície multi-ranhurada. Na Fig. 7, pode-se verificar que a resposta de absorção do grafeno é robusta à variação do ângulo de incidência. Pode-se calcular que uma eficiência de absorção média de 61,5% pode ser alcançada mesmo em θ _c =60 ° dentro da faixa espectral de 450-800 nm, e a banda de absorção é mantida quase a mesma, embora o ângulo de incidência seja significativamente alterado. Isso ocorre porque o aumento da absorção de banda larga do grafeno integrado com a metassuperfície multi-ranhurada é originado do acoplamento das ressonâncias dipolo elétrica e magnética na cavidade do sulco, que é quase imune à variação do ângulo de incidência. Os desempenhos de absorção insensíveis ao ângulo são muito importantes porque os desempenhos de absorção da maioria dos absorvedores à base de grafeno são geralmente dependentes do ângulo de incidência [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23 , 24,25, 28,29,30,31,32,33,34,35]. Diferente dos absorvedores à base de grafeno anteriores, a estrutura proposta possui ampla banda de absorção e desempenho insensível a ângulos simultaneamente, o que é altamente desejado em uma variedade de áreas, como absorvedores omnidirecionais.

Resposta de absorção de grafeno em função do ângulo de incidência para a estrutura multi-ranhurada, e outros parâmetros são os mesmos que na Fig. 2

Conclusões

Em conclusão, um absorvedor de banda larga insensível ao ângulo de grafeno integrado com uma metassuperfície multi-ranhurada é proposto e sua propriedade de absorção de luz é investigada numericamente. A banda de absorção do grafeno cobre toda a região visível, e uma eficiência média de absorção de 71,1% pode ser obtida na faixa espectral de 450 a 800 nm. A banda de absorção estendida de grafeno surgiu dos múltiplos acoplamentos de ressonâncias dipolo elétricas e magnéticas confinadas na cavidade da ranhura e seu mecanismo pode ser verificado usando a estrutura de ranhura única. A localização do pico de absorção do grafeno pode ser ajustada pela profundidade da ranhura e a largura de banda de absorção do grafeno pode ser controlada de forma flexível ajustando o número e a profundidade da ranhura. As propriedades de absorção de banda larga do grafeno quase não são afetadas pela variação da espessura da camada espaçadora, o número de grafeno monocamada e a largura do sulco. Em particular, o espectro de absorção de luz do grafeno permanece quase o mesmo, mesmo em grandes ângulos. A ideia de usar metassuperfície multi-ranhurada para alargar a banda de interação entre a luz e o grafeno também poderia ser adotada na região do infravermelho próximo e outros dispositivos optoeletrônicos baseados em grafeno.

Abreviações

FDTD:: Domínio do tempo de diferença finita
MIM:: Metal-isolante-metal
PBCs:: Condições de limite periódicas
PMLs:: Camadas perfeitamente combinadas
PMMA:: Metacrilato de polimetila

Deposição química de vapor de arranjos de nanotubos de carbono alinhados verticalmente:efeitos críticos das camadas tampão de óxido Estrutura hierárquica Nanoesferas de caulinita com propriedades de adsorção notavelmente aprimoradas para azul de metileno

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