Projeto de distâncias discretas estreitas de absorvedores de metamateriais Terahertz de banda dupla / tripla

Resumo

Vários tipos de projetos de estrutura foram propostos para alcançar os absorvedores de metamaterial de banda múltipla. No entanto, a distância discreta de frequências adjacentes de múltiplos absorvedores é consideravelmente grande, o que inevitavelmente deixará de lado uma grande quantidade de informações escondidas nas áreas de absorção fora da ressonância. Aqui, uma distância discreta estreita de absorvedor de terahertz de banda dupla com base em dois pares de uma tira de Au / camada dielétrica apoiada por filme de Au é projetada. Duas absortividades de quase 100% de picos de ressonância tendo a distância discreta de apenas 0,30 THz são realizadas. A distância discreta relativa do dispositivo é de 13,33% e este valor pode ser ajustado por meio da mudança de comprimento de uma tira de Au. Além disso, apresentamos duas distâncias discretas estreitas de um absorvedor de banda tripla através do empilhamento de mais um par de uma tira de Au e camada dielétrica. Os resultados provam que duas distâncias discretas de apenas 0,14 THz e 0,17 THz nos modos de absorção adjacentes das duas primeiras e das duas últimas são alcançadas, respectivamente; as distâncias discretas relativas deles são, respectivamente, 6,57% e 7,22%, o que está longe de relatórios anteriores. Distâncias discretas estreitas (ou valores baixos de distância discreta relativa) dos absorvedores de banda múltipla têm um grande número de aplicações na investigação de algumas informações ocultas em frequências muito próximas.

Introdução

Absorventes perfeitos de metamateriais (abreviados como MPAs) como uma parte importante dos dispositivos de absorção óptica têm atraído atividades de pesquisa consideráveis ​​porque possuem muitas vantagens sobre outros, como absorção de ~ 100%, espessura ultrafina da camada dielétrica, largura de banda de absorção estreita e liberdade projeto da estrutura do padrão [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]. O primeiro conceito de projeto do MPA [13], consistia em uma estrutura em sanduíche de um ressonador de anel elétrico, camada dielétrica de isolamento e tira metálica, foi apresentado por um grupo de pesquisa do Boston College no ano de 2008. Um pico de ressonância com um taxa de absorção superior a 88% a uma frequência de 11,5 GHz pode ser obtida experimentalmente. A espessura dielétrica do dispositivo é apenas cerca de 1/35 do comprimento de onda de absorção, que é muito menor do que os dispositivos de absorção anteriores. O MPA com esses recursos pode ser potencialmente usado em bolômetro, sensoriamento, detecção e geração de imagens. No entanto, um ângulo de aceitação estreito, sensibilidade de polarização e resposta de absorção de banda única são as desvantagens dos MPAs apresentados.

Para superar esses problemas [14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24], muitos trabalhos têm sido sugeridos para desenvolver o ângulo amplo, insensível à polarização, banda múltipla e até banda larga MPAs por meio de otimização razoável de projetos de estrutura. Por exemplo, um MPA óptico de grande angular com base em uma matriz de pilha unidimensional de uma estrutura de ressonância foi sugerido na ref. [18]. Demonstrou-se que os ressonadores de anéis metálicos aninhados obtêm a absorção de ressonância de banda múltipla [19,20,21,22,23]. No processo de desenvolvimento e pesquisa de dispositivos de absorção, MPAs de banda múltipla, que podem ser usados ​​para detecção de algumas mercadorias perigosas (dinamite, detonador e álcool), imagem espectroscópica (vários tipos de facas controladas), sensoriamento e bolômetro seletivo, receberam tremenda atenção [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30].

De um modo geral, três tipos de métodos podem ser usados ​​para obter as AMPs de banda múltipla. O primeiro método, comumente referido como um método de construção coplanar, é formado por vários tamanhos diferentes de ressonadores em uma estrutura de superunidade [19,20,21,22,23,24,25,26]. O segundo é chamado de método empilhado vertical, consistindo em pilhas alternadas de múltiplas dimensões discretas de elementos [27,28,29,30]. O terceiro é a combinação dos dois primeiros métodos [31, 32]. Embora essas abordagens possam florescer e desenvolver os MPAs de banda múltipla, as distâncias discretas das frequências de ressonância dos picos de absorção adjacentes são bastante grandes. Uma grande distância discreta em duas frequências adjacentes irá inevitavelmente ignorar muitas informações escondidas nas áreas fora de ressonância, ou seja, as áreas discretas. Para evitar a perda de informações, portanto, a grande distância discreta de AMPs de banda múltipla deve ser superada. Embora as distâncias discretas de AMPs de banda múltipla possam ser reduzidas por meio de otimização de estrutura adequada, as áreas de absorção fora da ressonância delas são relativamente grandes (maiores que 60%), devendo ser chamadas de AMPs de banda larga [33,34,35,36 , 37,38,39,40], não os MPAs de banda múltipla. Como todos sabem, os MPAs de banda larga e de banda larga são essencialmente diferentes em suas aplicações. Portanto, é necessário garantir baixas taxas de absorção (menos de 60%) das áreas fora de ressonância na otimização para redução de distâncias discretas.

Na verdade, uma distância discreta relativa deve ser mais significativa do que uma distância discreta porque pode refletir a informação verdadeira de duas frequências adjacentes. A distância discreta relativa (△) de dois picos adjacentes pode ser definida como △ =2 ( f ₂ - f ₁ ) / ( f ₁ + f ₂ ), onde f ₁ e f ₂ são as frequências de dois picos vizinhos. Para garantir △> 0, a frequência de f ₂ deve ser maior do que f ₁ . De acordo com esta definição, os valores mínimos de △ de AMPs de banda múltipla anteriores são tipicamente não inferiores a 50% [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30], que são longe de ser satisfatório explorar e investigar as mensagens ocultas nas áreas de frequências adjacentes. É muito razoável, portanto, desenvolver MPAs de banda múltipla com frequências muito próximas ou baixos valores de △.

Neste artigo, apresentamos o baixo valor △ do terahertz MPA de banda dupla formado por uma pilha de duas camadas de tiras de Au e camadas dielétricas de isolamento apoiadas por um plano contínuo de Au. Dois picos de absorção quase perfeitos com distância discreta de apenas 0,30 THz são obtidos. O valor de △ do dispositivo é 13,33%, que é apenas 1/4 do valor mínimo anterior de MPAs, e o valor de △ pode ser ajustado através da mudança de dimensão das tiras de Au. O seu valor △ pode ser reduzido para apenas 6,45%, o que é muito inferior ao das AMPs anteriores. Uma distância discreta estreita ou valor △ baixo do MPA de banda dupla é causado pela largura de banda ultra estreita de cada banda de ressonância. Além disso, apresentamos dois valores △ baixos de MPA de banda tripla através do empilhamento de mais uma tira de Au. Duas distâncias discretas estreitas de apenas 0,14 THz e 0,17 THz em três picos de absorção quase perfeitos podem ser realizadas; os valores de △ das frequências adjacentes dos AMPs de banda tripla são, respectivamente, 6,57% e 7,22%, ambos menores que os de trabalhos anteriores. Valores baixos de △ desses AMPs podem encontrar uma série de aplicações no estudo de algumas informações implícitas nas áreas de absorção fora da ressonância.

Métodos / Experimental

Em geral, a largura de banda (refere-se a FWHM, onda completa na metade do máximo) do MPA de banda única é relativamente ampla, podendo atingir 20% da frequência de ressonância central, devido à forte resposta de ressonância dos metamateriais. A combinação desses picos de banda única para formar MPAs de banda múltipla inevitavelmente possui grandes valores de distância discreta ou △. É por isso que os MPAs de banda múltipla anteriores têm grandes valores de △. A chave para obter os valores baixos de △ é projetar a largura de banda estreita de AMPs de banda única. Aqui, primeiro projetamos esse tipo de MPA de banda única. Uma estrutura de sanduíche comum formada por um ressonador Au e uma certa espessura de material dielétrico apoiado por um espelho Au é empregada para alcançar a absorção de banda única, como ilustrado na Fig. 1a. O ressonador Au é uma estrutura de tira retangular, ver Fig. 1b. Tem o comprimento de l =39 μm, largura de w =8 μm, espessura de 0,4 μm e condutividade de 4,09 × 10 ⁷ S / m. O MPA tem um período unitário de P =60 μm. A placa dielétrica tem uma espessura de t =2 μm e constante dielétrica de 3 (1 + i 0,001).

As vistas laterais dos MPAs de banda única, banda dupla e banda tripla são apresentadas respectivamente em a , c , e d ; b dá a vista superior do ressonador de faixa Au

Para apresentar o desempenho da ressonância do dispositivo sugerido e explicar o mecanismo físico envolvido, realizamos cálculos numéricos usando o software de simulação comercial, FDTD Solutions, que é baseado no algoritmo de domínio do tempo de diferenças finitas. No processo de computação, as condições de contorno periódicas são utilizadas em ambas as direções de x - e y -eixos para caracterizar o arranjo periódico da célula unitária, enquanto camadas perfeitamente combinadas são empregadas ao longo da direção do z -eixo (ou seja, a direção de propagação da luz) para eliminar a dispersão desnecessária. A absorção ( A ) do dispositivo pode ser fornecido por A =1 - T - R , onde T e R são a transmissão e reflexão do absorvedor de metamaterial, respectivamente. Como a espessura do filme metálico inferior é maior do que a profundidade da película da luz incidente, a transmissão T do absorvedor de metamaterial é igual a zero. Como resultado, a absorção A pode ser simplificado para A =1 - R . O dispositivo sugerido pode ter 100% de absorção quando a reflexão R é completamente suprimido.

Resultados e discussão

A curva de absorção do MPA de banda única sob irradiação de onda plana é demonstrada na Fig. 2a; Obtém-se uma absorção de ~ 100% de um único pico de ressonância a uma frequência de 2,25 THz. A largura de banda do dispositivo é 0,06 THz, que é apenas 2,67% da frequência de ressonância central e é cerca de 1/8 de um MPA de banda única anterior [1,2,3,4,5,6,7,8,9 , 10,11,12,13]. Além disso, o Q (definido como frequência de ressonância dividida pela largura de banda) o valor do dispositivo pode ser de até 37,50. A largura de banda ultra estreita (ou alta Q valor) de MPA não apenas contribui para as aplicações do próprio dispositivo, mas também ajuda para o projeto de baixo valor △ de MPAs de banda múltipla. As Figuras 2b, c e d fornecem as distribuições de campo do pico de ressonância. Como mostrado, seu campo magnético (| H y |) na Fig. 2b está principalmente concentrado em uma camada dielétrica de isolamento de MPA, e um forte aumento do campo elétrico pode ser observado em ambos os lados do ressonador Au ao longo do eixo longo (ver Fig. 2c, d). Essas características de distribuição de campo indicam que a grande absorção de luz da largura de banda estreita do MPA é devido à ressonância magnética [1,2,3,4].

A curva de absorção do MPA de banda única sob irradiação de onda plana é fornecida em a ; b , c , e d forneça as distribuições de campo de | H y |, | E |, e E z em um pico de 2,25 THz, respectivamente

A seguir, exploramos se a combinação dessas largura de banda estreita de MPAs tem a capacidade de realizar o valor △ baixo de MPAs de banda múltipla. Um conceito de projeto verticalmente empilhado, como uma espécie de método freqüentemente usado, é empregado para obter as AMPs de banda múltipla. Um exemplo do tipo mais simples é o caso da absorção de banda dupla. A Figura 1c apresenta a visão lateral do modelo de estrutura da absorção de banda dupla. Conforme mostrado, duas camadas de ressonadores de tira metálica e placas dielétricas de isolamento são empilhadas alternadamente em um plano de aterramento metálico. Os comprimentos de duas tiras de Au são respectivamente l ₁ =36 μm e l ₂ =39 μm; as larguras deles são fixadas como w =8 μm. As espessuras das placas dielétricas são t ₁ =1,4 μm e t ₂ =2 μm. Outros parâmetros do MPA de banda dupla, incluindo período da unidade, constante dielétrica da placa, espessura e condutividade das tiras de Au, são iguais aos do MPA de banda única.

A curva de absorção do MPA de banda dupla sob irradiação de ondas planas é ilustrada na Fig. 3a. Diferente do caso do MPA de banda única na Fig. 2a, dois picos de ressonância com taxas de absorção de ~ 100% nas frequências de 2,10 THz e 2,40 THz são alcançados. As larguras de banda dos dois picos são respectivamente 0,05 THz e 0,09 THz, que são apenas 2,00% e 3,75% das frequências de ressonância correspondentes, respectivamente. O Q os valores dos dois picos são 42,00 e 26,67, respectivamente. Além disso, a absorção de ressonância fora dos dois picos é muito baixa, inferior a 12%. Essas características mostram que os dois picos com larguras de banda estreitas podem ser claramente distinguidos. É importante que a distância discreta dos dois picos seja de apenas 0,30 THz, e seu △ seja de 13,33%, o que é menor que o de trabalhos anteriores [19,20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30]. O baixo valor △ do MPA de banda dupla é promissor em muitas áreas da engenharia e tecnologia. Os mecanismos de ressonância dos dois picos de absorção podem ser obtidos analisando seus campos magnéticos | H y |. O campo | H y | pois o primeiro pico está principalmente focado na segunda placa dielétrica do MPA de banda dupla, enquanto o campo na primeira camada dielétrica tem uma porcentagem muito pequena (ver Fig. 3b). As características de distribuição de campo provam que o primeiro modo de absorção é atribuído à ressonância magnética da segunda camada dielétrica, ou a primeira frequência de pico é causada pelo comprimento da tira metálica l ₂ (ver Fig. 3e). Diferente do caso do primeiro modo de ressonância, o | H y | campo do segundo modo é distribuído principalmente na primeira camada da placa dielétrica (ver Fig. 3c), o que indica que este modo é derivado da ressonância magnética da primeira placa dielétrica, ou sua frequência de ressonância pode ser ajustada através da variação do tamanho de comprimento da tira l ₁ (veja a Fig. 3d) e, assim, ajuste o valor △ do MPA de banda dupla.

A curva de absorção de MPA de banda dupla sob irradiação de onda plana é apresentada em a ; b e c fornecer o | H y | distribuições de campo do primeiro e do segundo modos de MPA de banda dupla, respectivamente. Curvas de absorção de MPA de banda dupla sob diferentes comprimentos de l ₁ e l ₂ são demonstrados em d e e , respectivamente

Os valores △ do MPA de banda dupla podem ser ajustados mudando os tamanhos das tiras de Au porque as frequências dos dois modos dependem principalmente dos tamanhos correspondentes das tiras. Por exemplo, para comprimento l ₁ mudança da primeira camada da tira de Au (ver Fig. 3d), a frequência do segundo modo diminui gradualmente com o aumento de l ₁ , enquanto a mudança de frequência do primeiro modo pode ser desprezada porque seu tamanho é fixo. As distâncias discretas dos dois picos são variadas por causa da mudança de frequência do segundo modo. Mais concretamente, as distâncias discretas podem ser diminuídas de 0,41 THz em l ₁ =33 μm a 0,30 THz em l ₁ =36 μm e 0,23 THz em l ₁ =39 μm. Os valores de △ do MPA de banda dupla também podem ser diminuídos de 17,41% em l ₁ =33 μm a 13,33% em l ₁ =36 μm e 10,38% em l ₁ =39 μm. Ou seja, o comprimento da tira l ₁ a mudança pode diminuir as distâncias discretas e os valores de △. Da mesma forma, o comprimento da tira l ₂ mudança afeta apenas sua frequência de ressonância correspondente, isto é, o primeiro modo de ressonância, ver Fig. 3e. As distâncias discretas e os valores de △ de MPA de banda dupla são diminuídos com l ₂ diminuir porque a frequência do primeiro modo com a diminuição de l ₂ está gradualmente próximo aos segundos picos de absorção, como mostrado na Fig. 3e. Quando eu ₂ =36 μm, a distância discreta tem o menor valor, que é 0,15 THz. No momento, seu valor de △ é de apenas 6,45%, valor inferior ao dos relatórios anteriores. Esses resultados provam que as distâncias discretas (ou valores de △) do MPA de banda dupla podem ser controladas para atender aos requisitos de diferentes aplicações por meio do ajuste dos tamanhos das tiras de Au.

Investigamos ainda se a pilha de mais uma tira de Au (isto é, estrutura de camada tripla) pode atingir dois valores △ baixos de MPAs de banda tripla. A Figura 1d apresenta uma vista lateral de um modelo de estrutura de camada tripla de MPA, que é composto por três pares de tira de Au / placa dielétrica no topo de um espelho de Au. As tiras de Au têm comprimentos de l ₁ =34 μm, l ₂ =36 μm e l ₃ =39 μm. As placas dielétricas têm espessuras de t ₁ =1,2 μm, t ₂ =1,4 μm e t ₃ =2,8 μm, respectivamente. As larguras das tiras de Au são todas w =8 μm. Outros parâmetros do MPA de camada tripla são iguais aos projetados acima. A curva de absorção do MPA de camada tripla sob irradiação de ondas planas é mostrada na Fig. 4a. Três picos discretos com taxas de absorção de ~ 100% nas frequências de 2,06 THz, 2,27 THz e 2,51 THz podem ser encontrados. As distâncias discretas de picos adjacentes nos modos de ressonância dos dois primeiros e dos dois últimos são, respectivamente, 0,21 THz e 0,24 THz. Os valores de △ dos modos dos dois primeiros e dos dois últimos são 9,70% e 10,04%, respectivamente, ambos inferiores aos valores dos AMPs de banda múltipla. Além de distâncias discretas estreitas, as taxas de absorção em áreas fora de ressonância do MPA de banda tripla são relativamente baixas, não mais do que 32% (ver Fig. 4a). É mostrado que os três picos muito próximos podem ser claramente identificados e podem ser usados ​​para detecção, detecção, geração de imagens e aplicação em outras tarefas. O | H y | distribuições de campo dos três picos de absorção são fornecidas para analisar o mecanismo de ressonância do MPA de banda tripla. Conforme mostrado na Fig. 4, o | H y | distribuições de campo do primeiro, segundo e terceiro modo do MPA de banda tripla podem ser encontradas principalmente nas camadas dielétricas de t ₃ , t ₂ , e t ₁ , respectivamente, enquanto os campos em outras camadas dielétricas são insignificantes. Por exemplo, para o primeiro modo na Fig. 4b, os campos nas camadas dielétricas de t ₂ e t ₁ pode ser desprezado, e os campos em camadas dielétricas de t ₂ e t ₃ são desprezíveis para o terceiro modo na Fig. 4d. Essas características de distribuição afirmam claramente que os três picos de absorção são todos causados ​​por ressonâncias magnéticas. Mais especificamente, o primeiro, o segundo e o terceiro modos são atribuídos a ressonâncias magnéticas da terceira camada dielétrica t ₃ , a segunda camada dielétrica t ₂ , e a primeira camada dielétrica t ₁ , respectivamente, ou as frequências do primeiro, do segundo e do terceiro modo dependem dos comprimentos de tira Au de l ₃ , l ₂ , e l ₁ , respectivamente.

A curva de absorção de MPA de banda tripla sob irradiação de onda plana é dada em a ; b , c , e d mostrar o | H y | distribuições de campo do primeiro, segundo e terceiro modos do MPA de banda tripla, respectivamente. Curvas de absorção do MPA de banda tripla sob diferentes comprimentos de l ₁ , l ₂ , e l ₃ são demonstrados em e , f , e g , respectivamente

Os valores △ do MPA de banda tripla podem ser controlados ajustando os comprimentos da faixa de Au. A Figura 4e fornece as curvas de absorção do MPA de banda tripla em diferentes casos de comprimento l ₁ . Como você pode ver, o l ₁ a mudança afeta principalmente a frequência do terceiro modo, enquanto as mudanças de frequência dos dois primeiros modos são insignificantes, o que é consistente com a previsão teórica. Devido à variação de frequência do terceiro modo, podemos ajustar o valor △ dos dois últimos modos do MPA de banda tripla. Os valores △ dos dois últimos modos podem ser ajustados a partir de 12,66% em l ₁ =33 μm a 10,04% em l ₁ =34 μm e 7,22% em l ₁ =35 μm. O valor △ dos primeiros dois modos também pode ser controlado ajustando o comprimento l ₃ (ver Fig. 4g). A distância discreta mínima dos dois primeiros modos é 0,16 THz para l ₃ =38 μm, e seu valor △ é 7,31%. Além disso, podemos ajustar os valores △ dos dois primeiros e dos dois últimos modos escalando o comprimento l ₂ , isto é, a frequência do segundo modo (ver Fig. 4f). Notavelmente, as alterações do valor △ dos dois primeiros e dos dois últimos modos são restrições mútuas porque alteramos apenas a frequência do segundo modo. Por exemplo, para l ₁ =37 μm (veja a linha azul na Fig. 4f), a distância discreta dos dois primeiros modos tem o valor mínimo de 0,16 THz, enquanto o valor máximo de 0,29 THz para os dois últimos modos pode ser obtido.

Conclusão

Em conclusão, uma distância discreta estreita do terahertz MPA de banda dupla consistindo em dois pares de tira de Au / placa dielétrica apoiada por um filme de Au é apresentada. Duas taxas de absorção de ~ 100% de picos de ressonância tendo a distância discreta de 0,30 THz são realizadas, e o △ do MPA de banda dupla é de 13,33%. O mecanismo de absorção de banda dupla é causado por efeitos de superposição de duas frequências diferentes de ressonâncias magnéticas. Podemos ainda ajustar os valores △ do MPA de banda dupla através do emprego de diferentes comprimentos de tiras de Au. O valor de △ pode ser diminuído para apenas 6,45%, o que é muito menor do que os resultados anteriores. Além disso, duas distâncias discretas estreitas do MPA de banda tripla são demonstradas pelo empilhamento de mais um par de tira / dielétrico. São alcançadas três absortividades de ~ 100% dos picos de ressonância com distâncias discretas de 0,21THz e 0,24 THz. Os valores de △ de duas frequências adjacentes (que são os modos das duas primeiras e das duas últimas) são, respectivamente, 9,70% e 10,04%. Semelhante ao caso da absorção de banda dupla, o MPA de banda tripla também tem a capacidade de ajustar o valor △ de frequências adjacentes, controlando os comprimentos das tiras de Au. Distâncias discretas estreitas ou valores baixos de △ de MPAs de banda múltipla são promissores em muitas áreas, como a investigação de algumas informações implícitas em duas frequências muito próximas.

Abreviações

FWHM:

Onda completa na metade do máximo

MPAs:

Absorventes perfeitos de metamateriais

Q:

Fator de qualidade

Estrutura Hierárquica Hierárquica Dinâmica de Auto-montagem Hexabenzocoroneno para Ânodos de Alto Desempenho Armazenamento de Íons de Lítio Redução eletroquímica de CO2 em nanocompósitos ocos de Cu2O @ Au