Filtros de cor da metassuperfície usando configurações de alumínio e niobato de lítio

Resumo

Dois projetos de filtros coloridos de metassuperfície (MCFs) usando configurações de alumínio e niobato de lítio (LN) são propostos e estudados numericamente. Eles são designados como metassuperfície de alumínio sintonizável (TAM) e metassuperfície de LN sintonizável (TLNM), respectivamente. As configurações de MCFs são compostas por metasuperfícies suspensas acima de camadas de espelho de alumínio para formar um ressonador Fabry-Perot (F-P). As ressonâncias de TAM e TLNM são deslocadas para o vermelho com faixas de sintonia de 100 nm e 111 nm, respectivamente, alterando a lacuna entre a camada de espelho inferior e a metassuperfície superior. Além disso, os dispositivos propostos exibem absorção perfeita com largura de banda ultra-estreita abrangendo toda a faixa espectral visível, compondo os parâmetros geométricos correspondentes. Para aumentar a flexibilidade e aplicabilidade dos dispositivos propostos, TAM exibe alta sensibilidade de 481,5 nm / RIU e TLNM exibe alta figura de mérito (FOM) de 97,5 quando os dispositivos são expostos em ambiente circundante com diferentes índices de refração. A adoção da metassuperfície baseada em LN pode aumentar os valores de FWHM e FOM em 10 e 7 vezes em comparação com os da metassuperfície baseada em Al, o que melhora muito o desempenho óptico e exibe grande potencial em aplicações de detecção. Esses projetos propostos fornecem uma abordagem eficaz para sensores e filtros de cor de alta eficiência ajustáveis ​​usando metamaterial baseado em LN.

Introdução

Recentemente, o progresso da pesquisa de metamateriais avançou em direção à realização de metassuperfícies sintonizáveis ​​que permitem o controle em tempo real sobre suas propriedades geométricas e ópticas, criando assim oportunidades excepcionais no campo de metamateriais ativamente sintonizáveis. Foi relatado que abrangem o visível [1,2,3,4,5,6], infravermelho (IR) [7,8,9,10,11,12] e terahertz (THz) [12,13, 14,15,16,17,18,19,20,21] intervalos espectrais. Como as propriedades ópticas únicas nas metassuperfícies dependem da interação entre a luz incidente e a nanoestrutura, as propriedades desejáveis ​​podem ser alcançadas adaptando adequadamente a forma, o tamanho e a composição da estrutura. As metassuperfícies permitiram a manipulação de entidades de campo próximo, permitindo, assim, a reconfiguração de características intrigantes como resposta magnética [1, 22], absorção quase perfeita [14, 15, 23], transparência [17, 19], engenharia de fase [18, 20, 21, 24], sensoriamento MIR e imagem térmica [10], modulação de ressonância [9] para muitos tipos de filtros [1,2,3,4,5] e sensores [6,7,8,12,13,14 ] formulários.

Até o momento, há muitos mecanismos de ajuste ativos relatados para melhorar a flexibilidade da metassuperfície. A maioria dos projetos está nas faixas espectrais IR [10,11,12, 25,26,27] e THz [28,29,30,31]. Embora tenha havido várias abordagens relatadas para metassuperfícies ativamente sintonizáveis ​​na faixa espectral visível, como alongamento mecânico [32], força eletrostática [33], ressonância de Mie [34], cristal líquido [35], material de mudança de fase [36,37 , 38] e material eletro-óptico [39, 40] No entanto, o número de estudos sobre metassuperfícies ativamente sintonizáveis ​​na faixa espectral visível é limitado. Entre os mecanismos de sintonia de métodos eletro-ópticos, a metassuperfície sintonizável baseada em grafeno recentemente atraiu uma grande atenção para os pesquisadores [41,42,43]. Além disso, o niobato de lítio (LN) é um dos materiais mais importantes, considerado o “silício da fotônica”. As abordagens da metassuperfície no LN têm atraído grande atenção devido à sua ampla janela de transparência, grande coeficiente eletro-óptico de segunda ordem até 30 pm / V e grande compatibilidade com circuitos fotônicos integrados [44]. Devido à sua grande susceptibilidade não linear de segunda ordem, o índice de refração do LN pode ser ajustado linearmente pela aplicação de um campo elétrico nele [44]. A incorporação do LN no design da metassuperfície abre as possibilidades para filtros de cores ultrassensíveis com sintonia eletro-óptica ativa. Os métodos de ajuste ativo mencionados acima são altamente dependentes das propriedades não lineares do material natural. Eles geralmente carecem de características desejáveis, como grande faixa de ajuste e desempenho uniforme em toda a faixa de ajuste ou exigindo alta tensão de acionamento, o que limita severamente suas aplicações. Entre esses métodos, metamateriais ativamente ajustáveis ​​usando tecnologia de sistemas microeletromecânicos (MEMS) são amplamente estudados devido às características geométricas do metamaterial que podem ser modificados diretamente [26, 29]. Metamateriais ajustáveis ​​baseados em MEMS frequentemente utilizam uma cavidade de Fabry-Perot (F-P) e, em seguida, alteram a lacuna entre duas camadas estruturais para ajustar a ressonância [37, 45]. Essas estruturas podem produzir largura de banda estreita de absorção ou transmissão com uma grande faixa de sintonia, o que as torna desejáveis ​​para aplicações de próxima geração.

Neste estudo, dois projetos de filtros de cores de metassuperfície (MCFs) são apresentados. Eles são metassuperfície baseada em Al sintonizável (TAM) e metassuperfície baseada em LN sintonizável (TLNM) usando simulações baseadas no domínio de tempo de diferença finita da Solução Numérica (FDTD) para investigar suas características ópticas na faixa espectral visível. A direção de propagação da luz incidente é definida como perpendicular ao x - y plano nas simulações numéricas. O ângulo de polarização da luz incidente é definido como 0 e isso significa que o vetor elétrico oscila ao longo do x - direção do eixo como polarização TM. Condições de contorno periódicas também são adotadas no x e y direções e condições de contorno de camada perfeitamente correspondida (PML) são assumidas em ambos z instruções. A intensidade da reflexão é calculada por um monitor configurado acima do dispositivo. Os dispositivos propostos exibem tunabilidades ativas e grandes intervalos de sintonia. TAM e TLNM exibem absorção de banda ultra estreita quase perfeita, abrangendo toda a faixa espectral visível. Para a aplicação de detecção ambiental, TAM exibe alta sensibilidade enquanto TLNM exibe alto FOM. Esses projetos podem ser potencialmente usados ​​em telas de alta resolução, sensores de índice de refração e dispositivos adaptativos na faixa espectral visível.

Designs e métodos

A Figura 1a mostra os desenhos esquemáticos de TAM e TLNM propostos. Eles são compostos de metassuperfícies retangulares suspensas de Al e LN elípticas em substrato de Si revestido com uma camada de espelho de Al no topo. A lacuna entre a camada inferior do espelho de Al e a metassuperfície superior pode ser ajustada usando a tecnologia MEMS para formar uma cavidade F-P entre essas duas camadas. As dimensões geométricas correspondentes são o comprimento do furo retangular na metassuperfície de Al e dois eixos do furo elíptico na metassuperfície LN ao longo de x -direcção ( D _x ) e y -direcção ( D _y ), os períodos ao longo de x -direcção ( P _x ) e y -direcção ( P _y ), a espessura da metassuperfície ( t ), e a lacuna entre a metassuperfície e a camada de espelho inferior ( g ) Aqui, definimos as razões dos períodos e os comprimentos da metassuperfície retangular de Al e da metassuperfície elíptica LN ao longo de x -direcção e y -direcção como K _x = P _x / D _x e K _y = P _y / D _y , respectivamente, para descobrir as respostas eletromagnéticas eficazes em toda a faixa espectral visível.

a Desenhos esquemáticos de TAM e TLNM. b - d Os espectros de reflexão de TAM com diferentes ( b ) D _x , ( c ) K _x , e ( d ) K _y valores

A Figura 1b-d mostra os espectros de reflexão de TAM alterando D _x , K _x e K _y valores, respectivamente. Na Fig. 1b, os parâmetros são mantidos tão constantes quanto D _y =200 nm, g =450 nm e K _x = K _y =1,2. Os espectros de absorção quase perfeitos são mantidos mudando D _x valores de 110 nm a 200 nm. A ressonância está no comprimento de onda de 535 nm. A Figura 1c mostra os espectros de reflexão de TAM com diferentes K _x valores. Outros parâmetros são mantidos constantes como D _x = D _y =200 nm, g =450 nm e K _y =1,2. As ressonâncias são quase mantidas constantes na faixa de comprimento de onda de 530 nm a 540 nm. A Figura 1d mostra os espectros de reflexão de TAM com diferentes K _y valores. Os outros parâmetros são mantidos constantes como D _x = D _y =200 nm, g =450 nm e K _x =1,2. Alterando K _y valores de 1,1 a 1,5, as ressonâncias são deslocadas para o azul com uma faixa de comprimento de onda variável de menos de 60 nm. Estes resultados indicam que os impactos de D _x , K _x e K _y valores no comprimento de onda ressonante do TAM são bastante menores, o que significa que o TAM proposto possui uma alta tolerância de desvio de fabricação para as variações de D _x , K _x e K _y valores. Nas discussões a seguir, K _x e K _y são mantidos constantes como 1,2 e D _x está definido para ser igual a D _y para investigar a sintonia ativa dos dispositivos TAM e TLNM propostos.

Resultados e discussões

Para aumentar a flexibilidade e aplicabilidade do dispositivo proposto, a metassuperfície é projetada para ser suspensa de modo a deixar uma lacuna entre ela e a camada de espelho inferior para formar um ressonador FP e, como resultado, a luz incidente ficará presa neste gap e então absorvido pelo dispositivo. Em relação ao D _y e g os valores são os principais fatores que contribuem para a mudança do comprimento de onda ressonante, a absorção quase perfeita de TAM pode ser ajustada em toda a faixa espectral visível emparelhando D _y eg valores de g conforme mostrado na Fig. 2a. Quatro pares de D _y e g os valores são escolhidos para investigar a capacidade de ajuste do TAM. Eles são ( D _y , g ) =(160 nm, 355 nm), (200 nm, 450 nm), (240 nm, 540 nm), (280 nm, 645 nm), respectivamente. Ao compor de D _y e g valores, a absorção perfeita pode ser realizada em diferentes comprimentos de onda de 433,9 nm, 533,5 nm, 629,8 nm e 740,9 nm. As imagens coloridas inseridas na Fig. 2a são as cores visíveis correspondentes dos espectros de reflexão para olhos humanos calculados usando funções de correspondência RGB CIE para imitar as cores reais nas superfícies do dispositivo. A relação de ressonâncias e D _y os valores são resumidos e plotados na Fig. 2b. As ressonâncias são deslocadas para o vermelho linearmente, abrangendo toda a faixa espectral visível, aumentando D _y valores de 150 nm a 290 nm. O coeficiente de correção correspondente é 0,99401. Ele mostra uma ótima sintonia para o dispositivo TAM proposto. A frequência ressonante de um ressonador F-P pode ser determinada por [46]
$$ {v} _q =\ frac {qc} {2g} $$ (1)
a Espectros de reflexão de TAM com diferentes D _y e g valores. b A relação de ressonâncias e D _y valores

onde q é o índice de modo, g é o comprimento da cavidade F-P, e c =c ₀ / n , onde c ₀ é a velocidade da luz no vácuo e n é o índice de refração do meio. Isso indica que a frequência ressonante pode ser sintonizada movendo a metassuperfície suspensa verticalmente neste projeto proposto, ou seja, alterando o g valor.

A Figura 3 mostra os espectros de reflexão de TAM com diferentes g valores nas condições de D _y =200 nm (Fig. 3a) e D _y =250 nm (Fig. 3b), respectivamente. Na Fig. 3a, as ressonâncias são deslocadas para o vermelho do comprimento de onda de 490 nm para 590 nm, alterando g valores de 410 nm a 510 nm. O intervalo de sintonia é de 100 nm. A largura total mais estreita na metade do máximo (FWHM) de ressonância é 29,9 nm para g =470 nm. Na Fig. 3b, as ressonâncias são deslocadas para o vermelho do comprimento de onda de 580 nm para 691 nm, alterando g valores de 490 nm a 610 nm. O intervalo de sintonia é 111 nm. O FWHM mais estreito de ressonância é 31,8 nm para g =530 nm. O intervalo de sintonia é 2 vezes comparado ao relatado na referência [39] e melhor do que aqueles relatados nas referências anteriores [37, 38, 40]. A Figura 3c, d mostra as relações correspondentes de ressonâncias e g valores da Fig. 3a, b, respectivamente. As ressonâncias são deslocadas para o vermelho linearmente em 9,2 nm por incremento de 10 nm de g valor conforme mostrado na Fig. 3c, e por 9,0 nm por incremento de 10 nm de g valor conforme mostrado na Fig. 3d. As faixas de sintonia são 90,5 nm e 110,7 nm, respectivamente. Todos os espectros de reflexão são absorções quase perfeitas. Os coeficientes de correção correspondentes são 0,99950 e 0,99969, respectivamente. Tais projetos de TAM proposta podem servir como um filtro de cor ultrassensível ou ser usados ​​em várias aplicações de detecção.

Espectros de reflexão de TAM com diferentes g valores nas condições de a D _y =200 nm, b D _y =250 nm. c, d As relações de ressonâncias e g valores de a e b , respectivamente

Para melhorar o desempenho do TAM em termos de FWHM e a faixa de comprimento de onda de sintonia, mantendo a absorção quase perfeita, o TLNM é proposto e apresentado como mostrado na Fig. 1a. É porque a padronização das nanoestruturas sempre sofre o efeito de canto e o desvio de fabricação que o padrão geométrico é projetado como orifício elíptico. Os parâmetros de D _x e D _y representam os comprimentos do macro-eixo e do eixo menor ao longo de x- e y -direcções, respectivamente, enquanto K _x e K _y os parâmetros são mantidos constantes como 1,2 e D _x o valor é 110 nm. A Figura 4a mostra os espectros de reflexão de TLNM com quatro combinações de D _y e g valores. t o valor é mantido constante como 200 nm. O TLNM exibe a característica de absorção perfeita com uma largura de banda ultra estreita abrangendo toda a faixa espectral visível. Os valores FWHM dos espectros de reflexão são de 3 nm. Tal FWHM ultra-estreito é contribuído pela ressonância F-P, que pode ser determinada por
$$ \ mathrm {FWHM} =\ frac {\ lambda_q ^ 2} {2 \ pi g} \ frac {1-R} {\ sqrt {R}} $$ (2)
a Espectros de reflexão de TLNM com diferentes D _y e g valores. b A relação de ressonâncias e D _y valores

onde λ _q é o comprimento de onda ressonante, o subscrito q é o índice de modo, g é o comprimento da cavidade F-P, e R é a refletância das superfícies do ressonador F-P entre a metassuperfície de Al inferior e a metassuperfície de Al / LN no topo. O valor FWHM pode ser reduzido como resultado da maior intensidade de reflexão de TLNM, o que significa que o desempenho óptico pode ser bastante melhorado usando material LN. A relação de ressonâncias e D _y os valores na Fig. 4a são resumidos como mostrado na Fig. 4b. As ressonâncias são deslocadas para o vermelho linearmente, abrangendo de 427 nm a 673 nm, aumentando D _y valores de 250 nm a 500 nm, e o coeficiente de correção correspondente é 0,97815. Portanto, demonstra uma sintonia linear do dispositivo proposto.

A metassuperfície elíptica LN suspensa é móvel, que pode ser modificada diretamente para alcançar a sintonia óptica usando a tecnologia MEMS. A Figura 5a, b mostra os espectros de reflexão de TLNM com diferentes g valores sob duas condições de D _y =350 nm, t =210 nm, e D _y =450 nm, t =280 nm, respectivamente. Na Fig. 5a, aumentando g valores de 390 nm a 570 nm, as ressonâncias são desviadas para o vermelho de 465,9 nm para 553,5 nm. Na Fig. 5b, aumentando g valores de 540 nm a 780 nm, as ressonâncias são desviadas para o vermelho de 613,6 nm para 731,2 nm. A Figura 5c, d mostra as relações correspondentes de ressonâncias, g valores, e os valores FWHM correspondentes da Fig. 5a, b, respectivamente. As ressonâncias são deslocadas para o vermelho de forma bastante linear. Os coeficientes de correção correspondentes são 0,99864 e 0,99950 para dois casos, respectivamente. Para o caso de D _y =350 nm, t =210 nm, a faixa de sintonia é 87,6 nm e o valor FWHM médio é 3 nm, conforme mostrado na Fig. 5c. Enquanto para o caso de D _y =450 nm, t =280 nm, a faixa de sintonia é 117,6 nm e o valor FWHM médio é 4 nm, conforme mostrado na Fig. 5d. Pode ser visto que o valor FWHM mais estreito é 1,5 nm no comprimento de onda de 466 nm, como mostrado na Fig. 5a, e que é 3,2 nm, no comprimento de onda de 615 nm, como mostrado na Fig. 5b. Eles são comparados com os resultados dos projetos TAM propostos, os valores FWHM de TLNM são melhorados 10 vezes, pelo menos mantendo a absorção perfeita. É uma grande melhoria do desempenho óptico usando a metassuperfície LN. Esses resultados indicam que o TLNM pode ser potencialmente usado em muitas aplicações, como filtros de cores ultrassensíveis, absorvedores, detectores e sensores de acordo com essas características extraordinárias de banda ultra estreita, absorção perfeita e grande faixa de sintonia.

Espectros de reflexão de TLNM. Os parâmetros são otimizados para o intervalo máximo ajustável nas condições de a D _y =350 nm, t =210 nm, b D _y =450 nm, t =280 nm. c , d As relações de ressonâncias, g valores e valores FWHM correspondentes de a e b , respectivamente

Para investigar melhor se os dispositivos TAM e TLNM podem ser implantados em aplicações práticas, por exemplo, sensores de ambiente, eles são expostos no ambiente circundante com diferentes índices de refração do ambiente ( n ) A Figura 6 mostra os espectros de reflexão de TAM exposto no ambiente circundante com diferentes índices de refração de 1,0 a 1,3. As dimensões geométricas do TAM são mantidas tão constantes quanto D _x =110 nm, D _y =200 nm e g =450 nm. Existem duas ressonâncias deslocadas para o vermelho com intervalos de sintonia de 84,6 nm ( ω ₁ ) e 172,1 nm ( ω ₂ ) As relações de ressonâncias e n os valores estão resumidos na Fig. 6b. As sensibilidades são calculadas como 246,7 nm / RIU e 481,5 nm / RIU, e as figuras de mérito correspondentes (FOMs) são 11 e 14 para a primeira ressonância ( ω ₁ ) e segunda ressonância ( ω ₂ ), respectivamente. Essas sensibilidades mais altas são causadas pelo estreito FWHM de ressonâncias, que são 21,6 nm ( ω ₁ ) e 34 nm ( ω ₂ ) Essas características são bastante adequadas para aplicações de detecção pragmática.

a Espectros de reflexão de TAM expostos no ambiente circundante com diferentes índices de refração ( n ) b A relação de ressonâncias e n valores

No entanto, a desvantagem é que a intensidade de reflexão de ω ₁ é relativamente alto e o de ω ₂ aumenta para mais de 20% como n aumenta para 1,3. Para superar esta limitação, o TLNM é projetado para possuir as propriedades ópticas estáveis ​​devido às caracterizações da metassuperfície de LN. A Figura 7 mostra os espectros de reflexão de TLNM expostos no ambiente circundante com diferentes n valores nas condições de D _y =350 nm, t =210 nm, g =490 nm, e D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm como mostrado na Fig. 7a, b, respectivamente. Na Fig. 7a, as ressonâncias de TLNM com D _y =350 nm, t =210 nm, g =490 nm são desviados para o vermelho com uma faixa de sintonia de 58,4 nm aumentando n valores de 1,0 a 1,2. Enquanto as ressonâncias de TLNM sob as condições de D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm são desviados para o vermelho com uma faixa de sintonia de 78,2 nm aumentando n valores de 1,0 a 1,2. Nesses dois casos, o TLNM exibe uma absorção quase perfeita, onde a flutuação da intensidade de reflexão é inferior a 5%. Os espectros de reflexão são mais estáveis ​​do que os do TAM. As relações de ressonâncias e n os valores são plotados na Fig. 7c, d para os dois casos, respectivamente. Para a condição de TLNM com D _y =350 nm, t =210 nm, g =490 nm, a sensibilidade e o valor FWHM médio são 291,4 nm / RIU e 3 nm, respectivamente. O FOM correspondente é calculado como 97, conforme mostrado na Fig. 7c. Para a condição de TLNM com D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm, a sensibilidade e o valor FWHM médio são 390,3 nm / RIU e 4 nm, respectivamente. O FOM correspondente é calculado como 97,5, conforme mostrado na Fig. 7d, que é aumentado 7 vezes em comparação com o TAM mostrado na Fig. 6. Isso significa que o TLNM mostra melhor desempenho de detecção para ser usado nas aplicações de sensores ambientais.

Os espectros de reflexão de TLNM expostos no ambiente circundante com diferentes índices de refração ( n ) nas condições de a D _y =350 nm, t =210 nm, g =490 nm, b D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm. c , d As relações de ressonâncias, n valores e valores FWHM correspondentes, respectivamente

Conclusão

Em conclusão, apresentamos dois projetos de filtros de cor sintonizáveis ​​de alta eficiência baseados em metassuperfícies retangulares de Al suspenso e LN elíptico em substrato de Si revestido com uma camada de espelho de Al no topo. Alterando diferentes composições de D _x , g , e t valores de TAM e TLNM, as respostas eletromagnéticas podem realizar absorção perfeita com ultra-alta eficiência abrangendo toda a faixa espectral visível. Aumentando g valores, as ressonâncias de TAM e TLNM podem ser ajustados 110,7 nm e 117,6 nm, respectivamente. Para a aplicação de detecção ambiental, TAM exibe ultra-alta sensibilidade de 481,5 nm / RIU e TLNM exibe ultra-alto valor de FOM de 97,5. O FWHM do TLNM é aprimorado 10 vezes no máximo e o FOM pode ser aprimorado 7 vezes em comparação com os do TAM. De acordo com as características acima mencionadas de banda ultra-estreita, especialmente FWHM de 3 nm para TLNM, absorção perfeita e uma grande faixa de sintonia que raramente são relatadas no espectro visível simultaneamente pela implantação de metassuperfície de Al ou LN, indica que os dispositivos propostos podem ser potencialmente usado em muitas aplicações, como filtros de cor ultrassensíveis com alta pureza de cor, alta resolução para técnicas de exibição e imagem, absorvedores sintonizáveis ​​de alta eficiência desejáveis ​​em óptica integrada, sensores de índice de refração, etc. Entre essas aplicações, o TLNM exibe um desempenho com FOM mais alto e FWHM mais estreito, enquanto TAM possui uma sensibilidade mais alta para sensores de índice de refração.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados gerados ou analisados ​​durante este estudo estão incluídos neste artigo publicado.

Abreviações

MCFs:

Filtros de cor da metassuperfície

LN:

Niobato de lítio

TAM:

Metassuperfície ajustável de alumínio

TLNM:

Metassuperfície do LN ajustável

F-P:

Fabry-Perot

FOM:

Figura de mérito

IR:

Infravermelho

THz:

Terahertz

FDTD:

Domínio do tempo de diferença finita

PML:

Camada perfeitamente combinada

Heterojunção 2D / 2D do esquema R Ti3C2 MXene / MoS2 Nanofolhas para desempenho fotocatalítico aprimorado Absorvente solar assistido por semicondutor nanoantena para captura de luz de banda ultralarga