Absorvedor de luz perfeito de banda tripla baseado em metassuperfície híbrida para aplicação de detecção

Resumo

Um projeto simples de absorvedor de luz perfeito de banda tripla (PLA) baseado em metassuperfície híbrida na região visível foi apresentado neste trabalho, o qual acabou sendo aplicável para detecção de índice de refração (RI). Diferente dos projetos anteriores, a metassuperfície híbrida proposta para PLA visível consiste apenas em matrizes de nanoestruturas cruzadas de silício periódicas e substrato de ouro. As matrizes cruzadas de silício periódicas depositadas no substrato de ouro contribuem para excitar os modos guiados sob a iluminação de luz incidente normal. De acordo com os resultados da simulação, pode ser encontrado que três picos de absorção perfeita de 98,1%, 98,7% e 99,6% que estão localizados em 402,5 THz, 429,5 THz e 471,5 THz, respectivamente, foram claramente observados no PLA. Este efeito de absorção perfeita de banda tripla pode ser atribuído à perda intrínseca do material de silício originada das excitações do modo guiado causadas pelas ondas estacionárias de diferentes ordens. Foi confirmado que as propriedades de absorção perfeita do PLA podem ser facilmente reguladas alterando os parâmetros geométricos da nanoestrutura da célula unitária. Além disso, o PLA projetado serviu como um sensor RI pode atingir uma sensibilidade de cerca de 25,3, 41,3 e 31,9 THz / unidade de índice de refração (RIU). Pode-se acreditar que o design proposto de PLA para detecção de RI forneceria grandes aplicações potenciais em detecção, detecção, a espectroscopia visível aprimorada, etc.

Introdução

As metassuperfícies, como um importante ramo dos metamateriais ópticos, são arquiteturas de array bidimensionais (2D) que são formadas por nanoestruturas plasmônicas periódicas de subcomprimento de onda consistindo de materiais dielétricos e metálicos padronizados [1, 2]. Nos últimos anos, metassuperfícies têm sido extensivamente investigadas, uma vez que podem ser potencialmente aplicadas em componentes ópticos miniaturizados de espaço livre, como lentes, placas de onda e filtros espectrais e absorvedores [1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10]. Um dos aspectos mais destacados das metassuperfícies podem ser absorvedores de luz perfeitos (PLAs) operados na região óptica, uma vez que têm aplicações promissoras em comunicação óptica [11], emissão térmica [12, 13], captura de luz [14] e detecção [15, 16,17]. Geralmente, os PLAs baseados em metassuperfície podem ser realizados pela configuração de nanoestruturas de metal dielétrico (MDM) de três camadas ou nanoestruturas de metal dielétrico (DM) de duas camadas, em que as várias ressonâncias de plasmon de superfície (SPRs) podem ser excitado e, subsequentemente, causa confinamento de energia luminosa nos metais padronizados ou na interface metal-dielétrica [11, 15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]. Além disso, as perdas ópticas intrínsecas de materiais metálicos e dielétricos em PLA também são os fatores importantes e vantajosos para aumentar a absorção de energia eletromagnética (EM) das luzes incidentes [11, 19,20,21,22,23,24,25,26 , 27,28,29,30]. Foi confirmado que a capacidade de absorção do PLA geralmente depende da forma, tamanho, espessura e composição da metassuperfície plasmônica, que também são sensíveis ao índice de refração (RI) do material circundante [29,30,31,32 , 33,34,35,36]. Como é bem conhecido por aplicações de detecção, o PLA de banda estreita foi investigado intensamente devido à sua grande profundidade de modulação [15,16,17,18,31,32,33,34,35,36,37]. Quando o PLA é colocado em um ambiente de gás ou líquido, a frequência do pico de absorção mudaria significativamente com a mudança do valor de RI do material circundante. Assim, numerosas metasuperfícies baseadas em PLAs de banda estreita foram propostas e investigadas intensivamente [31,32,33,34,35,36,37,38]. Por exemplo, Cheng et al. propôs um PLA de banda estreita baseado na configuração MDM, que poderia atingir sensibilidade em torno de 590 nm ∕ RIU [31]. Bhattarai et al. demonstraram um PLA de banda estreita com cobertura em cogumelo baseado em um mecanismo de cavidade de Fabry-Perot, e a sensibilidade é de até 2508 nm ∕ RIU [32]. Então, outros PLAs baseados em configurações de MDM têm sido propostos continuamente e investigados teoricamente [33,34,35,36,37]. Embora esses PLAs de banda estreita pudessem atingir alta sensibilidade, a produção em grande escala é demorada e cara devido à complexidade do projeto da metassuperfície. Portanto, seria extremamente útil se o PLA de banda estreita pudesse ser suportado por estruturas relativamente simples. Yong et al. proposto esquema de projeto simples dos PLAs para a aplicação de sensoriamento baseado em metassuperfície totalmente metálica [38,39,40]. Para esses PLAs, normalmente são utilizados os metais nobres ouro ou prata, o que também aumentaria o custo de fabricação.

Recentemente, as metassuperfícies baseadas em nanoestruturas de silício têm atraído grande atenção devido às suas aplicações em detector [41], guia de onda fotônica [42], gerador de cores e filtro [43, 44] e PLAs [45,46,47,48,49 , 50]. Semelhante às nanoestruturas metálicas, o silício é um dos materiais viáveis ​​de alto RI que poderiam suportar vários SPRs por projeto estrutural na faixa de frequência óptica. Além disso, o silício também pode ser econômico e consideravelmente compatível com o processo de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS) [44, 49]. Portanto, pode-se acreditar que a absorção perfeita de banda estreita em PLAs baseados em metassuperfície de silício seria altamente significativa na aplicação de detecção [50]. Por exemplo, Ahmmed et al. propôs um PLA baseado em metassuperfície híbrida composta de arranjos de nano-discos de silício amorfo depositados em uma camada de ouro, que poderia funcionar como sensor RI na região do infravermelho próximo [50]. No entanto, ele só funciona em uma única banda estreita, o que restringe aplicações potenciais na detecção de detecção multiplex. Até onde sabemos, dificilmente podem ser encontrados relatórios sobre PLAs de banda múltipla de alta eficiência utilizando metassuperfície, cuja operação seja válida em região visível.

Neste trabalho, um PLA de banda tripla baseado em metassuperfície híbrida na região visível é proposto e demonstrado teoricamente, o qual pode ser aplicável para detecção de RI. A metassuperfície híbrida, que consiste em matrizes de nanoestrutura cruzada de silício de tamanho único em um substrato de ouro, exibe uma absorção perfeita de banda tripla com absorvância de mais de 98% em três frequências de ressonância distintas. Um mecanismo físico subjacente da absorção perfeita observada também foi ilustrado pela análise das distribuições espaciais de campos elétricos, fluxo de potência e densidade de perda de potência em ressonâncias. O impacto dos parâmetros geométricos da nanoestrutura da célula unitária nas propriedades de absorção do PLA também foi investigado. Além disso, os picos de absorção de PLA foram confirmados como sensíveis ao valor RI do meio circundante, tornando-o um candidato potencial para aplicações de detecção. Além disso, o PLA híbrido baseado em metassuperfície poderia ser fabricado de forma fácil e simples, bem como integrado facilmente em dispositivos plasmônicos, eletrônicos e fotônicos no mesmo chip. Tal projeto de PLA de banda tripla abre o caminho eficaz para a realização de dispositivos nano-fotônicos baseados em metassuperfície híbrida, que pode ser um candidato para aplicações potenciais em detecção multiplex, detecção e espectroscopia visível aprimorada.

Métodos

A Figura 1 apresenta o desenho esquemático do PLA visível com base em uma metassuperfície híbrida, que consistia apenas em duas camadas funcionais:as matrizes nanoestruturadas cruzadas de silício periódicas constituem a camada superior atuando como o ressonador dielétrico, enquanto a camada inferior é o substrato de ouro. Foi demonstrado que diferentes estruturas de silício plasmônico padronizado podem suportar diferentes modos de SPR sob iluminação de luz incidente, o que poderia ser aplicado para construir os PLAs de terahertz para faixa de frequência visível devido às suas propriedades ópticas favoráveis ​​[42,43,44,45,46 , 47,48].

Ilustração esquemática de PLA de banda estreita tripla visível. a A estrutura de matriz periódica 2D. b Frente. c Vista em perspectiva da nanoestrutura de célula unitária

Na região do visível, o silício semicondutor é um material econômico com alto RI que pode ser considerado o ressonador dielétrico por um projeto estrutural especial [43,44,45,46,47,48,49]. Além disso, há uma vantagem saliente de que o silício semicondutor pode ser cultivado de forma eficiente sobre um substrato heterogêneo (como o substrato de ouro) a uma temperatura baixa, dependendo da compatibilidade apreciável com o processo CMOS [44, 49], que é fácil de encontrar requisitos da produção em grande escala. Em nossa faixa visível de interesse (350-500 THz), o valor RI do silício é aproximadamente uma constante, que é cerca de n _si =3,7 × (1 + 0,0025 i ) [50,51,52]. A camada de substrato de ouro (Au) pode ser descrita pelo modelo Drude dependente da frequência a partir dos dados do experimento [53]. A espessura do substrato de ouro é maior do que a profundidade de penetração da luz incidente na faixa visível. Diferente da configuração típica de MDM, nosso PLA proposto com base na metassuperfície híbrida é formado por uma nanoestrutura de DM bicamada periódica de sub comprimento de onda, e pode-se esperar que o PLA proposto seja independente da polarização devido à simetria de rotação geométrica do nanoestrutura cruzada e a rede quadrada. Os parâmetros geométricos otimizados do projeto são dados como segue: p _x = p _y =400 nm, l =350 nm, w =100 nm, h =85 nm, e t _s =100 nm. Como mostrado na Fig. 1c, a célula unitária do PLA proposto é definida para ter uma periodicidade constante de 400 nm ao longo do x- e y - direções do eixo para evitar difração para frequências de até 750 THz.

O PLA proposto baseado na metassuperfície híbrida foi projetado e investigado por meio de uma ferramenta de simulação baseada no método dos elementos finitos (FEM) no CST Microwave Studio. Conforme mostrado na Fig. 1c, a excitação de onda plana com uma ampla faixa de frequência de 350 a 500 THz é considerada como a fonte de iluminação com um vetor de onda que é normal à superfície da metassuperfície híbrida. Na simulação, o tamanho da malha é definido como 0,3 nm, que é muito menor do que o comprimento de onda operacional e o tamanho da célula unitária. Para garantir erros numéricos desprezíveis, também realizamos o teste de convergência padrão antes da simulação da célula unitária. As condições de contorno periódicas ao longo de x- e y As direções do eixo são usadas para considerar o arranjo periódico da metassuperfície híbrida. A luz de polarização linear incidente é configurada para se propagar ao longo da direção do eixo z de uma maneira que o elétrico ( E _x ) e magnético ( H _y ) campos estão ao longo de x - e y - direções do eixo, respectivamente. Em nosso projeto, uma vez que a transmissão é bloqueada pelo substrato de ouro, a absorbância pode ser calculada apenas por A (ω) =1 - R (ω) =| S ₁₁ | ² , onde S ₁₁ é o coeficiente de reflexão.

Resultados e discussões

A Figura 2 apresenta os espectros de refletância e absorbância simulados do PLA com base na metassuperfície híbrida sob iluminação normal de luz incidente na região visível. Três pontos de ressonância distintos são evidentemente observados em f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz e f ₃ =471,5 THz, respectivamente. Nessas ressonâncias, a refletância diminui para 1,9%, 1,3% e 0,4%, e a absorbância correspondente aumenta para os valores máximos de 98,1%, 98,7% e 99,6%, respectivamente. De acordo com trabalhos anteriores [45,46,47,48], pode-se conjeturar que a absorção perfeita em três ressonâncias pode ser atribuída às excitações de modos SPR de ordem superior em nanoestruturas cruzadas de silício sob iluminação de luz incidente normal que será discutida mais tarde. Embora tanto o silício semicondutor de alto RI quanto o substrato de ouro de alta refletância, amplamente utilizados em trabalhos anteriores, tenham sido aplicados em nosso projeto [17, 38,39,40, 46, 48,49,50], ainda vale a pena ser apontado fora que o novo projeto proposto de PLA neste trabalho exibe uma propriedade relativamente melhorada que é em termos de uma absorção perfeita de banda tripla na região visível, utilizando nanoestrutura cruzada de silício de tamanho único. Além disso, pode-se esperar que o PLA proposto seja insensível à polarização para a luz incidente normal devido à sua alta simetria de rotação geométrica da célula unitária, que é semelhante aos designs anteriores [54,55,56].

A refletância simulada ( R (ω)) e absorbância ( A (ω)) espectros do PLA híbrido visível projetado com base na metassuperfície sob iluminação de luz incidente normal

Além disso, a largura total na metade do máximo (FWHM) e o fator Q do PLA proposto também foram calculados de acordo com a referência anterior [40]. Nessas três posições de ressonância mencionadas acima, o valor de FWHM é de cerca de 64,875 THz, 27,75 THz e 34,125 THz, e o fator Q correspondente (= f _i / FWHM _i , eu =1, 2, 3) é cerca de 6,48, 14,57 e 13,82, respectivamente. Deve-se notar que a perfeita absorção de banda tripla pode ser observada no caso ideal com meios aéreos. No entanto, é possível ajustar a propriedade de absorção de ressonância ajustando o valor de RI externo / ambiente do PLA projetado. Isso significa que a frequência de operação pode ser regulada significativamente alterando o valor RI do ambiente ao redor do PLA. Assim, o PLA projetado com ressonâncias íngremes pode fornecer algumas aplicações potenciais em sensores e detectores multiplex.

Para verificar o mecanismo físico por trás do fenômeno de absorção perfeita de banda tripla observado do PLA projetado, as distribuições espaciais de eletricidade ( E _x , x-z plano) e magnético ( H _y , y-z plano) de campo nesses três picos de absorção foram investigados sistemicamente, como mostrado na Fig. 3. Obviamente, os padrões de distribuição espacial dos campos elétricos e magnéticos fortes ( E _x e H _y ) são significativamente diferentes em várias frequências de ressonância, revelando as excitações de diferentes modos de SPR. No entanto, é evidente que tanto o campo elétrico quanto o magnético estão sempre fortemente concentrados na interface da cruz de silício e do substrato de ouro quando ocorre a ressonância. Essas características de campo espacial indicam que os modos guiados com diferentes ordens superiores na interface da nanoestrutura cruzada de silício e substrato de ouro foram estimulados. Pode-se acreditar que as ressonâncias de modo guiado intensas na interface dielétrico / metal são excitadas quando a luz incidente é acoplada entre guias de ondas com diferentes índices de refração [57,58,59,60]. Enquanto isso, os acoplamentos ressonantes entre a luz incidente e o modo guiado da nanoestrutura dielétrica / metálica são possíveis, o que é semelhante ao efeito de ressonância do modo guiado de grade metálica [21, 59, 60].

Distribuições do a - c campo elétrico ( E _x no x-z plano de y =0 nm) e d - f campo magnético ( H _y no y-z plano de x =0 nm) na nanoestrutura de célula unitária do PLA em diferentes frequências de ressonância:( a , d ) f ₁ =402,5 THz, ( b , e ) f ₂ =429,5 THz, e ( c , f ) f ₃ =471,5 THz

Para ilustrar a ressonância de modo guiado da nanoestrutura de PLA projetada, podemos assumir a nanoestrutura cruzada de silício projetada como um guia de onda dielétrico na região visível. Quando a luz incidente atinge as lacunas entre as duas células unitárias adjacentes, ela seria difratada na camada de silício e então refletida pelo substrato de ouro, subsequentemente guiada para a interface do substrato de silício / ouro. Devido ao design simétrico da célula unitária, as luzes guiadas de acoplamento de lacunas adjacentes se propagam de forma oposta e, consequentemente, se combinam para formar uma onda estacionária na camada de guia de ondas [58,59,60]. De acordo com esses resultados mostrados na Fig. 3a-f, pode-se descobrir que apenas os modos guiados por harmônicos ímpares na nanoestrutura podem ser excitados sob a iluminação de luz incidente normal. A Figura 3a-f mostra o modo de primeira ordem, modo de terceira ordem e modo de quinta ordem na nanoestrutura, respectivamente. Os resultados são bem consistentes com os PLAs anteriores baseados na configuração do MDM [58, 61], em que o modo de segunda ordem não pode ser excitado para as luzes incidentes normais. É porque as excitações dos modos guiados por harmônicos são principalmente determinadas pelos parâmetros geométricos da nanoestrutura projetada. Isso significa que apenas modos ímpares ou guiados por harmônicos podem ser excitados sob o projeto de nanoestrutura especial apropriado neste trabalho. As excitações de modo guiado com ordens superiores nesta nanoestrutura contribuiriam para aumentar o acoplamento de luzes incidentes no entreferro e localizar na interface silício / ouro, criando finalmente uma absorção de luz perfeita em várias frequências de ressonância. Como é bem conhecido, a perda de energia da luz incidente induzida pela excitação dos modos guiados na nanoestrutura é sempre grande o suficiente para introduzir o alto nível de absorção nas ressonâncias [20, 21, 26, 58,59,60,61]. Além disso, essas ressonâncias de modo guiado são principalmente determinadas por tamanhos geométricos e meios circundantes da nanoestrutura projetada [58]. Pode-se concluir que os modos guiados de ordem superior também podem ser aplicados para obter o PLA de alto desempenho na região visível com parâmetros geométricos moderados em comparação com o uso do modo fundamental com estrutura de subcomprimento de onda mais profunda [61].

Para obter uma compreensão mais profunda e qualitativa da absorção perfeita acima, as distribuições 3D do fluxo de energia e densidade de perda de energia para incidentes normais y -luzes polarizadas em várias frequências de ressonância ( f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz e f ₃ =471,5 THz) também foram estudados, conforme ilustrado na Fig. 4a-c. Em primeiro lugar, os fluxos de energia de entrada de luz são originalmente fluxos paralelos no espaço longe da nanoestrutura nas ressonâncias. Quando os fluxos de luz incidente se aproximam do PLA, a maioria deles flui "através" da célula unitária, subsequentemente se enrola na camada de silício e, finalmente, concentra-se na interface do substrato de silício e ouro. Neste caso, a forma espacial dos fluxos de flores de energia na nanoestrutura exibe várias características em diferentes frequências de absorção. Os perfis de fluxo de energia causados ​​pelas excitações de modo guiado ocorrem na nanoestrutura, e a perda intrínseca geralmente ocorre em materiais a granel. Devido à natureza da perda dielétrica do silício e do ouro na região do visível, pode-se considerar que as perdas de energia luminosa induzidas pelas excitações de modo guiado com diferentes ordens superiores devem ser originadas principalmente da nanoestrutura cruzada de silício e substrato de ouro.

As distribuições tridimensionais (3D) do a - c fluxo de energia e d - f densidade de perda de potência do PLA em diferentes frequências de ressonância:( a , d ) f ₁ =402,5 THz, ( b , e ) f ₂ =429,5 THz, e ( c , f ) f ₃ =471,5 THz

A Figura 4d-f ilustra as distribuições 3D de densidade de perda de potência na nanoestrutura de célula unitária em frequências de f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz e f ₃ =471,5 THz, respectivamente. Pode-se observar que as densidades de perda de potência se distribuem principalmente na interface entre a nanoestrutura cruzada de silício e o substrato de ouro. Obviamente, o poder da luz incidente está completamente confinado na nanoestrutura de PLA projetada. Uma vez que o silício e o ouro na nanoestrutura são ambos materiais com perda dielétrica na região visível, a dissipação da energia da luz ocorre no PLA projetado [48, 49]. Em nosso projeto, a cruz de silício é muito mais favorável para melhorar o desempenho de absorção do que o quadrado e o disco anteriores, uma vez que as lacunas da nanoestrutura do tipo cruzado proposta capturariam facilmente mais luzes incidentes devido às excitações do modo guiado [47,48,49 ] Na verdade, o silício estruturado com design geométrico apropriado pode servir como um bom PLA, contando com a característica de perdas do material de silício na região visível [49]. Além disso, a cruz de silício também pode ser assumida como uma camada anti-reflexo, o que torna o substrato de ouro um material de absorção quase perfeito nas ressonâncias. O ouro ainda é plasmônico na região visível uma vez que a parte real de sua permissividade é negativa [53]. Deve-se notar que a luz incidente será fortemente repelida pelo substrato de ouro, e a perfeita absorção seria impossível sem a resposta dos SPRs.

Com base nas análises acima, pode-se concluir que a absorção perfeita de banda tripla do PLA proposto é originada dos modos guiados com natureza de ordem superior e perda dielétrica do substrato de silício e ouro na região do visível. Em uma palavra, a ressonância de modo guiado e as perdas da nanoestrutura são os dois fatores-chave para a absorção perfeita do PLA projetado.

Em seguida, as influências dos parâmetros geométricos para cada célula unitária na propriedade de absorção de nosso projeto PLA foram sistematicamente investigadas por um estudo paramétrico. Quanto ao PLA proposto neste trabalho, apenas quatro parâmetros geométricos são necessários para serem considerados:largura do fio ( w ), comprimento do fio ( l ), altura ( h ) da nanoestrutura cruzada de silício, e a periodicidade ( p ) da célula unitária. Uma série de espectros de absorbância do PLA projetado com diferentes parâmetros geométricos ( w , h , l e p ) foram ilustrados na Fig. 5a – d. É importante notar que apenas um parâmetro geométrico pôde ser regulado por vez, enquanto os demais permanecem constantes.

A dependência da absorção perfeita em diferentes parâmetros geométricos do PLA proposto. a - c Largura do fio ( w ), altura ( h ), comprimento do fio ( l ) da nanoestrutura cruzada de silício e d periodicidade ( p ) da célula unitária

Com base nas Fig. 5a, b, pode-se observar que a absorbância dos picos de ressonância pode ser mantida acima de 95% ao mudar um parâmetro geométrico enquanto os outros permanecem constantes. No entanto, a frequência de operação é sensível aos parâmetros geométricos do PLA. Quando a periodicidade ( p ) do PLA é fixo, a frequência de pico de absorção acaba sendo inversamente proporcional aos tamanhos geométricos ( w , h , e l ) da célula unitária, o que é bem consistente com estudos anteriores [58, 62]. Isso ocorre porque o índice de refração efetivo das ressonâncias de modo guiado aumenta com o aumento de w , h , e l . As propriedades de absorbância do PLA com diferentes tamanhos de w foram representados na Fig. 5a. Com a mudança w de 85 a 105 nm por etapa de 5 nm, o desvio para o vermelho distinto do espectro de absorção pode ser observado claramente. Para o PLA com uma largura de fio mais ampla ( w > 100 nm) de cruz de silício, a absorvância do primeiro e do segundo picos de absorção diminuirá ligeiramente, mas o terceiro pode ser quase mantido. Este tipo de resposta resulta principalmente do acoplamento enfraquecido e do efeito de confinamento induzido pela nanoestrutura. Além disso, em comparação com o segundo e terceiro picos de ressonância, pode-se verificar que o primeiro pico é muito mais sensível às variações da largura do fio w , resultando em um fenômeno de desvio para o vermelho saliente. As propriedades de absorbância do PLA com diferentes tamanhos de h foram apresentados na Fig. 5b. Quando a altura h aumenta de 80 a 100 nm em intervalos de 5 nm, as variações do espectro de absorção são semelhantes ao caso de alteração da largura do fio w , e as frequências de pico de absorção também exibem um ligeiro desvio para o vermelho. Com o aumento de h , pode-se verificar que a absorvância do primeiro pico de ressonância aumenta gradualmente, enquanto o segundo diminui ligeiramente, e o terceiro pode ser quase mantido constante. Conforme mostrado na Fig. 5c, pode-se descobrir que os picos de absorção mudarão para as frequências mais baixas quando o comprimento do fio l aumenta de 340 nm para 360 nm por um passo de 5 nm. Conforme o aumento do comprimento do fio l , a absorvância do primeiro pico de absorção diminui ligeiramente enquanto os outros picos de ressonância permanecem constantes. Como mostrado na Fig. 5d, uma tendência de variação completamente contrária, que pode ser descrita em termos de um "desvio para o azul" dos picos de absorção, foi encontrada quando a periodicidade p aumentar de 390 a 430 nm em intervalos de 10 nm. Com o aumento da periodicidade p , a absorvância do primeiro pico de ressonância aumenta ligeiramente, enquanto os outros picos de absorção permanecem quase inalterados. Em suma, os resultados ilustrados na Fig. 5 confirmam que esses picos de absorção estão relacionados com as características das ondas estacionárias que foram demonstradas na Fig. 3, indicando que a frequência de operação e a eficiência do PLA proposto podem ser reguladas diretamente pela geometria relativa parâmetros incluindo largura do fio ( w ), altura ( h ), comprimento do fio ( l ) e periodicidade ( p )

De acordo com os resultados e discussões do PLA de banda tripla projetado acima, ele pode ser considerado um candidato promissor para aplicação de detecção de RI. Para esclarecer a praticabilidade de nosso PLA de banda tripla projetado para aplicações de detecção, o comportamento dos espectros de absorbância em função dos valores de RI do analito circundante foi verificado posteriormente. Como mostrado na Fig. 6a, o analito circundante é preenchido nas lacunas da nanoestrutura cruzada de silício do PLA proposto. Como nosso PLA tem largura de banda estreita tripla e absorção perfeita em torno da frequência de ressonância, pode-se esperar que exiba um bom desempenho de detecção. A dependência dos espectros de absorbância na mudança do valor RI do analito circundante foi apresentada na Fig. 6b. Deve-se notar que a absorbância pode ser mantida acima de 95% quando o valor RI do analito circundante muda de n =1,0 a n =1,4 com um passo de 0,1, enquanto os desvios de frequência dos três picos de ressonância são bastante evidentes, o que poderia ser descrito em termos de um desvio para o vermelho óbvio com o aumento do valor RI do analito circundante. As variações dos pontos de frequência 1 ( f ₁ ), 2 ( f ₂ ), e 3 ( f ₃ ) acabou sendo cerca de 2,53 THz, 4,13 THz e 3,19 THz em média, respectivamente. Na verdade, a capacidade de detecção do PLA foi amplamente aceita para ser descrita por uma definição de sensibilidade em massa RI (S): S =Δ f / Δ n , onde Δ f e Δ n são a mudança da frequência de ressonância e o valor de RI, respectivamente [63]. De acordo com a definição acima, conforme mostrado na Fig. 6c, a média S valores de três pontos de frequência ( f ₁ , f ₂ , e f ₃ ) são avaliados em cerca de 25,3, 41,3 e 31,9 THz / RIU, respectivamente. Devido à excelente característica de detecção, o projeto do PLA de banda tripla pode ser considerado promissor em campos relacionados a sensores.

a O esquema do PLA para aplicação de detecção de RI. b os espectros de absorbância simulados do PLA, variando os valores de RI do analito circundante de n =1,0 a n =1,4 por etapa de 0,1. c Ajuste linear (linhas sólidas) e frequências de ressonância simuladas (símbolos vazios) como uma função dos valores de RI do analito circundante

Conclusões

Em conclusão, um projeto simples de PLA de banda tripla baseado em metassuperfície híbrida foi proposto e investigado numericamente neste trabalho, o que pode ser considerado aplicável para detecção de RI. O PLA proposto com base na metassuperfície híbrida é projetado para consistir apenas em arranjos periódicos de nanoestruturas cruzadas de silício depositadas em um substrato de ouro. Os resultados numéricos indicam que o PLA projetado pode exibir uma absorvância relativamente alta de 98,1%, 98,7% e 99,6% a 402,5 THz, 429,5 THz e 471,5 THz, respectivamente. As imagens físicas do PLA projetado foram exploradas através da análise das distribuições espaciais do campo elétrico e magnético em três frequências de ressonância diferentes. Acontece que a energia EM poderia ser dissipada através das ondas estacionárias originadas de diferentes modos guiados de ordem superior na interface com perdas entre a nanoestrutura cruzada de silício e o substrato de ouro, levando à absorção perfeita de banda tripla. Além disso, as distribuições espaciais do fluxo de potência e densidade de perda revelam que a característica de perda dielétrica do silício e ouro na região visível também é crítica para a perfeita absorção do PLA. Além disso, as propriedades de absorção de ressonância de nossa nanoestrutura de PLA projetada também foram confirmadas como bem ajustadas na região visível, regulando os parâmetros geométricos da célula unitária. Além disso, as frequências dos picos de ressonância demonstraram ser muito sensíveis às variações de RI do analito circundante preenchido no PLA proposto. A sensibilidade de RI em massa média S os valores do PLA são cerca de 25,3, 41,3 e 31,9 THz / RIU, respectivamente. O PPA proposto é fácil de fabricar pela técnica de corrosão iônica reativa profunda (DRIE) ou litografia por feixe de elétrons avançado (EBL), que é compatível com o custo-benefício do processo CMOS [44, 49]. Portanto, este projeto do PLA pode abrir um novo caminho para aplicações de detecção multiespectral de RI na região visível, especialmente para biomolecular, detecção de gás, diagnóstico médico e biossensor espacial. Ele também tem potencial em aplicações de substratos para atividades de detecção multiplex de diferenciação e proliferação de células-tronco neurais.

Disponibilidade de dados e materiais

The datasets generated and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.

Abreviações

PLA:

Perfect Light Absorber

RI:

Refractive index

RIU:

Refractive index unit

2D:

Bidimensional

MDM:

Metal-dielectric-metal

SPRs:

Surface plasmon resonances

EM:

Eletromagnética

CMOS:

Semicondutor de óxido de metal complementar

FEM:

Método do elemento finito

FWHM:

Largura total pela metade no máximo

DRIE:

Deep reactive ion etching

EBL:

Electron beam lithography

Uma referência Bandgap auto-polarizada de 180 nm com alto aprimoramento de PSRR Um estudo teórico de caso WS2:Desempenho de armazenamento de hidrogênio melhorado por alteração de fase