Alto desempenho aprimorado de um polarizador de metassuperfície por meio da análise numérica das características de degradação

Resumo

Este estudo enfoca as investigações experimentais e numéricas para as características de degradação de um polarizador metassuperficial. A metassuperfície tem uma estrutura complementar empilhada que exibe uma alta taxa de extinção da ordem de 10.000 na região do infravermelho próximo. No entanto, seu desempenho diminuiu significativamente com o tempo. Para esclarecer a origem dessa degradação, os efeitos da rugosidade da superfície e da perda metálica são investigados numericamente. A degradação é atribuída principalmente ao aumento da perda. Esses cálculos numéricos também revelam que a taxa de extinção é aumentada ajustando as espessuras das estruturas complementares a diferentes valores. Este estudo abre uma maneira de realizar um polarizador metassuperficial que tem uma baixa sensibilidade à degradação do tempo e tem uma alta taxa de extinção.

Histórico

O controle da luz em nanoescala tem sido amplamente investigado em nano-óptica e nanofotônica. Como resultado, diferentes tipos de nanoestruturas fotônicas foram propostos até agora. Por exemplo, as nanocavidades de cristal fotônico (PhC) com fatores de qualidade ultra-alta (Q) [1] podem confinar a luz em uma região de comprimento de onda. Semelhante às cavidades PhC, fatores Q elevados são realizados por cavidades microdisco [2, 3], esféricas [4] e troidais [5]. Essas cavidades com alto fator Q geralmente consistem em materiais dielétricos transparentes. Em contraste com essas cavidades dielétricas, as cavidades metálicas têm fatores Q baixos, mas podem reduzir o tamanho total de suas cavidades. Em particular, cavidades plasmônicas de sub comprimento de onda são importantes para controlar a luz em uma escala extremamente pequena [6]. Embora as cavidades plasmônicas tenham fatores Q baixos, elas podem comprimir a luz em uma região profunda do comprimento de onda [7]. Antecipa-se que essa luz extremamente confinada seja a chave para mesclar fotônica e eletrônica [8].

Além das nanoestruturas fotônicas mencionadas acima, as metassuperfícies têm atraído recentemente uma atenção considerável para o projeto de dispositivos ópticos ultrafinos e altamente funcionais. Existem vários tipos de metassuperfícies que controlam a refração [9], reflexão [10], fotoluminescência [11], fluorescência [12–14], placas de onda [15] e divisores de feixe [16]. O estado de polarização é uma das propriedades fundamentais e importantes da luz que pode ser controlada por metassuperfícies [17-22]. Estudos numéricos e experimentais mostraram que um polarizador metassuperficial com uma estrutura complementar empilhada tem uma alta taxa de extinção da ordem de 10.000 na região do infravermelho próximo [23-26]. As estruturas complementares têm ressonâncias quase no mesmo comprimento de onda devido ao princípio de Babinet [27, 28]. Quando uma estrutura complementar está em ressonância que exibe uma alta transmitância para uma polarização específica, a outra estrutura está fora de ressonância que exibe uma baixa refletância para a mesma polarização. Como resultado, toda a estrutura exibe uma alta transmitância. Para a polarização ortogonal, o papel dos campos elétrico e magnético é trocado, resultando na alta refletância. Assim, a metassuperfície com estruturas complementares exibe uma alta taxa de extinção. No entanto, existe uma grande preocupação com a estabilidade e confiabilidade desse alto desempenho porque a metassuperfície é composta por prata, que se degrada na atmosfera. Para contornar esse problema, uma abordagem alternativa é usar ouro como um material plasmônico, mas isso diminui o desempenho do polarizador devido ao aumento da perda metálica. Portanto, para aplicações práticas, a estabilidade e confiabilidade do polarizador de metassuperfície devem ser abordadas.

Neste estudo, investigamos as características de degradação do polarizador metassuperficial. Mostramos que a taxa de extinção do polarizador exibe degradação no tempo. Como origem da degradação, enfocamos o efeito da morfologia da superfície no alto desempenho do polarizador. Para descrever a morfologia, apresentamos dois modelos. Um descreve a rugosidade da superfície por uma curva periódica com um ruído branco gaussiano, enquanto o outro descreve a rugosidade usando nanopartículas distribuídas aleatoriamente. Também investigamos o efeito da perda metálica no alto desempenho. Ao longo desses cálculos numéricos, revelamos um fator crucial que causa a degradação e propomos um polarizador metassuperficial otimizado com uma alta taxa de extinção.

Métodos / Experimental

A configuração experimental para a medição da razão de extinção alta é esquematicamente mostrada na Fig. 1. Usamos um oscilador paramétrico óptico (OPO) bombeado por um laser Nd:YAG triplicado de frequência (granada de ítrio de ferro) (Optolette 355, Opotek) como luz fonte. A largura de pulso e a taxa de repetição foram de 7 ns e 20 Hz, respectivamente. A luz intermediária do OPO foi focada na amostra por uma lente e foi linearmente polarizada por um prisma Glan-laser (GLP). A luz intermediária transmitida foi medida pelo fotodetector InGaAs estendido (Edmund Optics). Neste sistema óptico, a flutuação da intensidade da luz de um único pulso causa uma relação sinal-ruído (S / R) pobre. Portanto, para remover o efeito dessa flutuação, medimos a transmitância média de um único pulso. Para monitorar a intensidade da luz de um único pulso, inserimos um par de amostradores de feixe entre a lente e o GLP. Uma parte da luz intermediária foi refletida no segundo amostrador de feixe (BS2) e, em seguida, refletida novamente no filtro de densidade neutra reflexiva (ND), que ajustou a intensidade do laser refletido para não danificar um fotodetector. O laser sintonizado foi incidente em um fotodetector InGaAs estendido (Edmund Optics) através de um orifício, que bloqueou a luz “fantasma” desnecessária refletida na superfície posterior do BS2 (veja a inserção da Fig. 1). O primeiro amostrador de feixe serve como um compensador de desvio do caminho óptico.

Um esquema da configuração experimental da medição da razão de extinção. Espelho M, furo de agulha PH, lente L, amostrador de feixe BS, amortecedor de feixe BD, filtro de densidade neutra NDF, prisma GLP Glan-laser, detector D

Usando essa configuração, avaliamos a taxa de extinção da seguinte maneira. O sinal transmitido é calculado para ser D ₁ =(1− R _BS2 ) T _GLP T _Amostra eu , onde R _BS2 , T _GLP , T _Amostra , e eu são a refletância do BS2, a transmitância do GLP, a transmitância da amostra e a intensidade da luz na frente do BS2, respectivamente. A intensidade do sinal do detector 2 é calculada como D ₂ = R _BS2 R _NDF eu , onde R _NDF é a refletância do filtro ND reflexivo. Observe que a intensidade da luz é reduzida o suficiente para que o sinal detectado seja proporcional à intensidade da luz. Usando D ₁ e D ₂ , podemos calcular T _Amostra Como
$$ \ begin {array} {@ {} rcl @ {}} T _ {\ text {Sample}} =\ frac {R _ {\ mathrm {BS2}} R _ {\ text {NDF}}} {1-R_ { \ mathrm {BS2}}} \ frac {1} {T _ {\ text {GLP}}} \ frac {D_ {1}} {D_ {2}}. \ end {array} $$ (1)
Para avaliar T _Amostra , também precisamos medir a refletância e a transmitância dos elementos ópticos, como o amostrador de feixe. Isso é desnecessário porque nosso foco está em uma taxa de extinção, ou seja, a taxa de transmitância. Girando a amostra 90 ° e medindo a transmitância pela mesma configuração, podemos simplesmente obter a razão de extinção η Como
$$ \ begin {array} {@ {} rcl @ {}} \ eta =\ frac {T _ {\ text {Sample}} ^ {\ mathrm {H}}} {T _ {\ text {Sample}} ^ { \ mathrm {L}}} =\ frac {(D_ {1} / D_ {2}) ^ {\ mathrm {H}}} {(D_ {1} / D_ {2}) ^ {\ mathrm {L} }}, \ end {array} $$ (2)
onde os sobrescritos H e L indicam os estados de polarização que exibem alta e baixa transmitância, respectivamente. Neste artigo, medimos a razão D ₁ / D ₂ para os estados de polarização ortogonal e avaliou a razão de extinção η .

Para confirmar a validade dos dados medidos, realizamos cálculos numéricos baseados na rigorosa análise de ondas acopladas (RCWA) incorporada ao método da matriz de espalhamento [29, 30] e um método inverso de Fourier [31]. As permissividades de Ag e sílica foram obtidas em [32] e [33], respectivamente. O número de vetores de rede recíprocos usados no cálculo foi 2.601.

Para calcular a transmitância de estruturas metálicas rugosas, foi utilizado um software comercial da COMSOL Multiphysics, que é baseado no método dos elementos finitos. No estudo anterior [34], os efeitos da rugosidade na resposta óptica são descritos pelo aumento da parte imaginária da permissividade do metal. Neste trabalho, além do aumento da perda metálica, consideramos também os efeitos diretos das mudanças estruturais seguidas da rugosidade na transmitância. Lidamos com esses dois efeitos separadamente. Ao considerar apenas os efeitos das mudanças estruturais, aplicamos a permissividade de bulk a estruturas metálicas com rugosidade. Por outro lado, ao considerar apenas os efeitos do aumento da perda, aplicamos a permissividade modificada a estruturas metálicas sem rugosidade. Definimos a tolerância relativa dos cálculos numéricos para ser inferior a 1%.

Resultados e discussão

A Figura 2a representa o esquema do polarizador metassuperficial de três camadas. A primeira camada tem uma estrutura complementar à terceira camada (ver Fig. 2b), com ambas as camadas compreendendo prata (Ag). A segunda camada e o substrato compreendem sílica (SiO ₂ ) Conforme mostrado na Fig. 1c, a metassuperfície tem uma matriz de um par de orifícios retangulares (150 nm × 540 nm) e tem um período de 900 nm no x e y instruções. As espessuras das camadas metálica e dielétrica são 45 e 200 nm, respectivamente (ver Fig. 2d). A amostra foi preparada por litografia de nanoimpressão juntamente com técnicas de corrosão seca subsequentes [35]. Os detalhes da preparação da amostra são descritos em [26]. A Figura 3 mostra as imagens do microscópio eletrônico de varredura (SEM) da amostra preparada.

Um esquema do polarizador metassuperfície ( a ) que compreende três camadas ( b ) A metassuperfície tem uma matriz de par de orifícios retangulares com um período de 900 nm no x e y direções ( c ) As espessuras das camadas metálicas e dielétricas são 45 e 200 nm, respectivamente ( d )

A imagem SEM de a o polarizador metassuperfície e b sua imagem ampliada

Usamos um espectrofotômetro (V-7200, JASCO, Japão) para medir a transmitância da amostra para o x e y polarizações. A Figura 4 mostra os resultados medidos. As linhas azuis e verdes indicam a transmissão para o x e y polarizações, respectivamente. A linha azul que corresponde à alta transmitância é medida com uma alta relação S / R. No entanto, a linha verde correspondente à baixa transmitância sofre de uma baixa relação S / R, indicando que o polarizador possui uma alta taxa de extinção. Em particular, a linha verde tem sinais negativos em comprimentos de onda superiores a 1350 nm porque a intensidade da luz transmitida está abaixo do nível de ruído do espectrofotômetro. Portanto, usamos o sistema óptico descrito na seção anterior para medir a alta taxa de extinção.

Espectros de transmitância medidos pelo espectrofotômetro. As linhas azuis e verdes são os espectros de x e y polarizações, respectivamente

A Figura 5a mostra os espectros de transmitância medidos para o x e y polarizações. A linha azul que corresponde à alta transmitância tem um perfil espectral semelhante à transmitância medida pelo espectrofotômetro. A linha verde correspondente à baixa transmitância apresenta um mergulho claro em torno do comprimento de onda de 1625 nm, que não foi medido pelo espectrofotômetro. Dividindo a transmitância para o x polarização por isso para o y polarização, avaliamos o espectro da razão de extinção mostrado na Fig. 5b. O espectro da razão de extinção tem um valor de pico superior a 20.000 em torno do comprimento de onda de 1640 nm.

a Espectros de transmitância para o x (azul) e y polarizações (verdes) medidas pela configuração mostrada na Fig. 1. b O espectro da razão de extinção do polarizador metassuperficial

Para considerar a validade dos dados medidos, comparamos os espectros medidos com os resultados dos cálculos numéricos. Conforme mostrado na Fig. 6a, o espectro de alta transmitância foi consistente com os espectros medidos pelo espectrofotômetro. O espectro de baixa transmitância, que é exibido em uma escala logarítmica, tem uma queda clara em torno do comprimento de onda de 1640 nm. Esta característica concordou bem com a do espectro observado. O espectro da razão de extinção mostrado na Fig. 6b tem um pico de 15.000, que está próximo do valor observado. Assim, os espectros medidos de transmitância e taxa de extinção foram consistentes com os resultados do cálculo numérico, indicando que observamos com sucesso a alta taxa de extinção superior a 20.000.

Resultados do cálculo numérico de a transmitância e b espectros de taxa de extinção. As linhas azuis e verdes em a correspondem ao x e y polarizações, respectivamente

Seguindo a demonstração experimental da metassuperfície com alta razão de extinção, focamos na estabilidade à degradação no tempo, pois a metassuperfície compreende Ag, que está sujeito à degradação na atmosfera. A Figura 7 mostra a degradação da taxa de extinção ao longo do tempo. As linhas vermelha, verde e azul são os espectros da razão de extinção observados após 6, 7 e 9 dias após a deposição do metal, respectivamente. A linha vermelha tem um valor de pico superior a 20.000. Após um único dia de medição da linha vermelha, a taxa de extinção diminuiu, mas ainda tinha um valor de pico superior a 10.000. No entanto, dois dias após a medição da linha verde, a taxa de extinção degradou significativamente e teve um valor de pico de 500. A linha azul tem uma largura de linha alargada, indicando que um aumento na perda estaria envolvido nesta degradação. Assim, a taxa de extinção exibiu uma degradação drástica e o desempenho degradou uma ordem de magnitude. Também encontramos os picos deslocados para o azul dos espectros da taxa de extinção após a degradação. Um estudo de fator crucial envolvendo a degradação do desempenho é descrito.

Degradação da taxa de extinção com o tempo. As linhas vermelha, verde e azul são os espectros da razão de extinção para 6, 7 e 9 dias após a deposição do metal

A degradação prosseguiu rapidamente e as larguras das linhas dos espectros de extinção aumentaram, indicando que algumas mudanças estruturais estariam envolvidas neste processo de degradação. Portanto, investigamos a maneira pela qual a morfologia da superfície da nanoestrutura metálica afeta o desempenho do polarizador. Para descrever a morfologia, apresentamos dois modelos. Uma descreve a superfície por uma curva periódica com ruído branco gaussiano e a outra por nanopartículas distribuídas aleatoriamente.

Primeiro, investigamos o modelo usando a curva periódica. A Figura 8a descreve a superfície modelada. Introduzimos a rugosidade apenas na camada metálica inferior para economizar tempo de CPU e recursos de memória. Devido à superfície rugosa, a espessura efetiva da camada metálica varia. Portanto, variamos a espessura da camada inferior indicada pela seta verde na Fig. 8b. A Figura 9a, b mostra os espectros de transmitância e taxa de extinção desta estrutura, respectivamente. Mesmo na presença de rugosidade, o polarizador metassuperficial tem altas taxas de extinção da ordem de 10.000, indicando que a rugosidade não degradou significativamente o desempenho. Os cálculos numéricos também mostraram os espectros desviados para o vermelho da razão de extinção com a diminuição da espessura. Este desvio para o vermelho é elucidado pelas características espectrais de transmitância mostradas na Fig. 9a. A alta transmitância tem sensibilidade muito baixa em relação à variação na espessura do metal, enquanto a baixa transmitância tem a posição de mergulho deslocada para o vermelho com a diminuição da espessura. A posição de pico da taxa de extinção depende da queda da baixa transmitância, resultando no desvio para o vermelho. O desvio para o vermelho que apareceu no cálculo não está de acordo com a característica do desvio para o azul observada experimentalmente.

a Superfície rugosa modelada usando uma curva periódica com um ruído branco gaussiano. b A espessura da base indicada pela seta verde é variada no cálculo

a Transmitância e b espectros de razão de extinção do primeiro modelo mostrado na Fig. 8. A espessura da base da camada metálica inferior é variada de 40 a 55 nm com um passo de 5 nm

Em segundo lugar, investigamos o modelo pelas nanopartículas. A Figura 10a representa a superfície modelada, onde nanopartículas com raios de 15, 20 e 25 nm são distribuídas aleatoriamente na superfície da estrutura metálica inferior, conforme mostrado na Fig. 10b. Colocamos as nanopartículas em forma de hemisfério na superfície de acordo com números aleatórios uniformemente distribuídos. Sob a distribuição aleatória, algumas das partículas têm uma ligeira sobreposição espacial e o tamanho da malha entre as partículas torna-se extremamente consumidor de memória. Nesse caso, para economizar memória, deslocamos manualmente uma das partículas e diminuímos o tamanho da malha. Definimos a espessura da estrutura inferior em 40 nm. A Figura 11a, b mostra os espectros de transmitância e taxa de extinção desta estrutura, respectivamente. Semelhante ao primeiro modelo, o espectro da razão de extinção tem um valor de pico da ordem de 10.000 e não se degrada significativamente. O pico desviado para o vermelho também apareceu na presença das nanopartículas. Essas características também são as mesmas observadas no primeiro modelo, mas não concordam com o resultado experimental das características de degradação e do desvio para o azul.

a A vista superior e b visão aérea da superfície rugosa modelada usando nanopartículas distribuídas aleatoriamente

a Transmitância e b espectros de extinção do segundo modelo mostrado na Fig. 10

Neste estágio, mostramos numericamente que a variação na morfologia da superfície não degrada significativamente o desempenho do polarizador metassuperficial. Esta robustez da morfologia é atribuída ao princípio de Babinet. O princípio de Babinet não se refere à morfologia da superfície, mas se refere às telas das estruturas complementares. O polarizador de alto desempenho baseado neste princípio não é fortemente afetado pela morfologia, pois as telas são invariantes mesmo na presença de rugosidade superficial, resultando em robustez à morfologia. Portanto, como origem da degradação, devemos considerar outro efeito da morfologia da superfície. Aqui, enfocamos a perda metálica relacionada à morfologia. Com o aumento da rugosidade da superfície, a parte imaginária do Ag aumenta devido ao espalhamento da superfície e efeitos de contorno de grão [36, 37]. Este aumento na perda é explicado pela constante de amortecimento do modelo de Drude descrito como γ = ρ n e ² / m _e , onde ρ , n , e , e m _e são, respectivamente, a resistividade elétrica, a densidade do elétron, a carga do elétron e a massa efetiva do elétron. A resistividade consiste em dois termos. Um é a resistividade em massa e o outro é a superfície. A resistividade da superfície ρ _s é inversamente proporcional ao comprimento correlacional lateral ξ , a saber, ρ _s ∝ ξ ⁻¹ [38]. Com o aumento da rugosidade, o comprimento de correlação lateral ξ diminui, resultando em maior resistividade de superfície e perda metálica. Este mecanismo físico não foi incluído no cálculo porque uma condição de contorno periódica foi usada e uma estrutura periódica aproximada foi assumida. Consideramos os efeitos deste aumento na perda metálica sobre a taxa de extinção e modificamos a permissividade de Ag da seguinte forma:
$$ \ begin {array} {@ {} rcl @ {}} \ tilde {\ epsilon} _ {\ text {Ag}} =\ text {Re} \ left (\ epsilon _ {\ text {Ag}} \ right ) + C \ times \ text {Im} \ left (\ epsilon _ {\ text {Ag}} \ right) \ mathrm {i}, \ end {array} $$ (3)
onde ε _Ag é a permissividade de Ag obtida de [32], C é uma constante que representa o aumento da perda metálica e i denota uma unidade imaginária. Observe que a parte real da permissividade deve ser modificada seguindo o aumento na parte imaginária porque as partes real e imaginária são conectadas pela relação Kramers-Kronig. Neste estudo, modificamos apenas a parte imaginária para ter uma discussão qualitativa. Usando essa permissividade modificada, calculamos o espectro da razão de extinção. Este resultado é mostrado na Fig. 12, em que a constante C varia de 1 a 5. A taxa de extinção diminui drasticamente com o aumento da perda metálica. Além disso, a posição de pico do espectro exibiu a característica deslocada para o azul com o aumento da perda. Essas características da degradação drástica e do deslocamento para o azul concordam bem com as características observadas experimentalmente. A origem desse deslocamento para o azul é elucidada da seguinte forma. O valor de mergulho da baixa transmitância torna-se cada vez mais raso com o aumento da perda metálica. Como resultado, a contribuição do valor de pico da alta transmitância para a taxa de extinção aumenta. A posição do pico tem uma forte insensibilidade à perda metálica e está no comprimento de onda mais curto do que a posição do mergulho, resultando no desvio para o azul do espectro de extinção. Assim, descobrimos que o aumento da parte imaginária é um fator crucial responsável pela degradação.

Dependência da perda metálica dos espectros de extinção. As linhas pretas, vermelhas, azuis, verdes e magenta correspondem aos casos de C =1,2,3,4 e 5, respectivamente

Propomos que a taxa de extinção seja aumentada pela variação das espessuras das camadas metálicas complementares. A posição de pico da alta transmitância está localizada em um comprimento de onda mais curto do que a posição de mergulho da baixa transmitância. Para aumentar a taxa de extinção, essas posições de pico e mergulho devem estar próximas uma da outra. De acordo com o princípio de Babinet, o pico e o mergulho devem estar no mesmo comprimento de onda. No entanto, o princípio assume que as estruturas complementares constituem um condutor elétrico perfeito com espessura infinitamente fina, o que é difícil de validar na região óptica mesmo sob aproximação. Como resultado, as estruturas complementares têm diferentes comprimentos de onda de ressonância. Para ajustar os comprimentos de onda, consideramos as características dos modos próprios responsáveis pelas ressonâncias. A Figura 13a, b mostra os padrões de distribuição do campo elétrico e magnético nas posições de pico e mergulho da transmitância mostrada na Fig. 6, respectivamente. Essas distribuições de campo são descritas no z - x avião em y =0 sob a intensidade de luz incidente de 1 W. O modo próprio de alta transmitância tem uma característica de um dipolo elétrico na estrutura metálica superior, enquanto que o de baixa transmitância tem uma característica de loop magnético na estrutura inferior. O comprimento de onda de ressonância para a alta transmitância é determinado pela largura do orifício de ar no z - x avião. Este é um parâmetro fixo e impossível de ajustar. Por outro lado, o comprimento de onda de ressonância para a baixa transmitância é determinado pela seção transversal da estrutura inferior no z - x avião. Isso é ajustável variando a espessura do metal. Esses ajustes são consistentes com a dependência da espessura da transmitância de que a posição de pico da alta transmitância tem uma baixa sensibilidade para a espessura da camada metálica inferior, enquanto a posição de mergulho da baixa transmitância tem uma alta sensibilidade. Com base nessa análise, ajustamos o comprimento de onda da seguinte maneira. Com o aumento da espessura, a seção transversal aumenta e o comprimento de onda de ressonância da baixa transmitância muda para comprimentos de onda mais curtos. Como resultado, as posições de pico e mergulho tornam-se próximas e a taxa de extinção é aumentada. Para confirmar isso, calculamos a dependência dos espectros de transmitância e taxa de extinção na espessura. Neste cálculo, fixamos a espessura da camada metálica superior em 45 nm. A Figura 14a mostra os espectros de transmitância para o x e y polarizações. Com o aumento da espessura, a posição de mergulho da baixa transmitância muda para comprimentos de onda mais curtos e o mergulho se torna mais profundo. Por outro lado, a posição de pico da alta transmitância não é fortemente afetada pela variação da espessura, embora o valor de pico diminua em ± 5%. A Figura 14b mostra os espectros da razão de extinção. Quando a espessura é de 35 ou 40 nm, o mergulho da baixa transmitância torna-se mais raso do que o de 45 nm, resultando na menor taxa de extinção. Quando a espessura é de 50 ou 55 nm, quase não há realce. Isso ocorre porque o aprimoramento pelo ajuste das posições de pico e mergulho é cancelado pela diminuição do valor de pico da alta transmitância. Quando a espessura é de 60 ou 65 nm, há um claro aumento na taxa de extinção. Isso se deve à combinação do valor de mergulho mais profundo e ao aprimoramento pelo ajuste de posição. Como mostramos numericamente, um aumento adicional da taxa de extinção pode ser realizado ajustando as espessuras das estruturas metálicas complementares. Essas espessuras variáveis podem ser realizadas repetindo a deposição de metal. Primeiro, a deposição de metal com uma espessura de a é conduzido em um substrato padronizado. Em seguida, esfregando com um pano limpo, apenas a camada metálica superior é removida da superfície do substrato com espessura de metal de a . Posteriormente, deposição de metal com uma espessura de b é conduzido na amostra. Como resultado, as espessuras das camadas superior e inferior tornam-se b e a + b , respectivamente.

a Padrão de distribuição de campo elétrico no pico da alta transmitância mostrada na Fig. 6. b Padrão de distribuição do campo magnético no mergulho da baixa transmitância mostrada na Fig. 6. A pseudo cor indica a intensidade do campo vetorial

a Transmitância e b espectros de taxa de extinção quando as camadas metálicas complementares têm espessuras diferentes. A espessura da camada metálica superior é fixada em 45 nm, enquanto a da camada inferior é variada de 35 a 65 nm com um passo de 5 nm (veja a inserção em b )

Conclusões

Nós investigamos as características de degradação do polarizador metassuperficial de alto desempenho. A metassuperfície preparada exibiu uma alta taxa de extinção da ordem de 10.000. Observamos que o alto desempenho foi degradado gradualmente. Para esclarecer a origem dessa degradação, investigamos os efeitos da morfologia da superfície na taxa de extinção. Dois modelos foram apresentados para descrever a morfologia da superfície. Um modela uma superfície rugosa por uma combinação de uma curva periódica e um ruído branco gaussiano, enquanto o outro modela a superfície por nanopartículas distribuídas aleatoriamente. Ambos os modelos indicaram que o alto desempenho não se degradou pela rugosidade da superfície. Isso ocorre porque a alta taxa de extinção é governada pelo princípio de Babinet, resultando na robustez da morfologia da superfície. Também investigamos a relação entre a taxa de extinção e o aumento da perda metálica devido à rugosidade da superfície, que apresentou degradação drástica da taxa de extinção. The spectral feature of the blue-shift was also reproduced by the numerical calculation, indicating that the degradation is due to the increase in the metallic loss. From this result, we find that the metal deposition should be conducted to reduce the scattering and grain boundary losses that are related to the roughness. Throughout the numerical calculation, we have found that the low transmittance has a high sensitivity to the surface morphology, while the high transmittance does not have the high sensitivity. By utilizing these findings, we proposed that the extinction ratio can be enhanced by varying the thicknesses of the metallic layers. This study paves a way for the development of a metasurface with a high performance and stability toward time degradation.

Abreviações

BS:: Beam sampler
GLP:: Glan-laser prism
NDF:: Neural density filter
OPO:: Optical parametric oscillator
PhC:: Photonic crystal
SEM:: Microscópio eletrônico de varredura
YAG:: Yttrium iron garnet

Efeitos das variações de gravação na formação do canal Ge / Si e desempenho do dispositivo Microestrutura e Dopagem / Fotoluminescência Dependente da Temperatura da Matriz de Nanospears de ZnO preparada pelo Método Hidrotérmico

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias