Ultra-narrow Band Perfect Absorber dan Aplikasinya sebagai Sensor Plasmonic pada Daerah yang Terlihat

Hasil dan Diskusi

Kemudian, kita mulai diskusi dengan dimensi struktur berikut. Struktur memiliki periode kisi P = 580 nm dalam arah x. Ketinggian nanoribbon emas persegi dan nanoribbon emas segitiga masing-masing ditetapkan sebagai t ₁ = 45 nm dan t ₂ = 30 nm . Ketebalan lapisan dielektrik, film emas, dan substrat t ₃ = 10 nm, t ₄ = 25 nm , dan t ₅ = 165 nm , masing-masing. Lebar pita nano emas segitiga dan pita nano emas persegi adalah d = 75 nm dan w ₁ = dengan ₂ = dengan = 142nm , masing-masing. Gambar 3a menyajikan simulasi penyerapan, refleksi, dan spektrum transmisi dari struktur yang dirancang. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, efisiensi penyerapan dapat mencapai hingga 95%, dan kemiringan reflektifitas struktur di bawah 0,001 ditemukan pada 751.225 nm. FWHM adalah 1,82 nm, yang jauh lebih sempit daripada penyerap pita sempit yang dilaporkan sebelumnya di wilayah yang terlihat [24, 28, 34, 39].

a Spektrum serapan, refleksi, dan transmisi dari struktur yang diusulkan. b Distribusi medan listrik E struktur MDM pada puncak resonansi. c Distribusi medan magnet H struktur MDM pada puncak resonansi. d Spektrum refleksi dan absorpsi struktur MDM dan struktur kisi logam murni. e Distribusi medan listrik E struktur kisi logam murni pada puncak resonansi. f Distribusi medan magnet H struktur kisi logam murni pada puncak resonansi

Untuk menguraikan mekanisme fisik puncak serapan, distribusi medan listrik E dan medan magnet H pada puncak resonansi dihitung dan digambarkan pada Gambar 3b, c. Jelas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, amplitudo medan listrik di celah dapat mencapai nilai setinggi 35 kali lebih besar dari cahaya datang. Oleh karena itu, struktur yang diusulkan dapat mewujudkan tidak hanya penyerapan yang sempurna tetapi juga peningkatan medan listrik dalam celah nano, yang merupakan fenomena penting dalam aplikasi biosensing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3c, medan magnet paling terkonsentrasi di ruang antara dua nanoribbon emas dan beberapa menembus ke dalam lapisan dielektrik, yang menunjukkan efek kopling yang dihasilkan dari LSPR. Kemudian, untuk lebih memahami pengaruh lapisan dielektrik dan film emas pada FWHM ultra-sempit dan kinerja penyerapan tinggi, spektrum penyerapan dan refleksi dianalisis dan dibandingkan antara struktur MDM dan struktur kisi logam murni dengan yang sama. parameter dimensi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d. Jelas, struktur MDM memiliki FWHM yang lebih sempit dan reflektifitas penurunan resonansi yang lebih rendah. Medan listrik dan medan magnet struktur kisi logam disimulasikan dan disajikan pada Gambar. 3e, f, masing-masing. Jelas, dibandingkan dengan distribusi medan magnet struktur MDM, medan magnet struktur kisi logam hanya terletak pada permukaan nanoribbon emas segitiga tanpa medan magnet yang melewati logam, yang dapat digunakan untuk menjelaskan hasil perbandingan dari penyerapan antara struktur MDM dan struktur kisi logam. Selain itu, karena perilaku kopling dalam struktur, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, intensitas medan listrik antara dua nanoribbon emas dan film emas tipis sekitar 40 kali lebih besar daripada gelombang datang, yang jauh lebih besar daripada yang dilaporkan. di ref. [25].

Gambar 4a menunjukkan pengaruh konfigurasi polarisasi cahaya datang pada spektrum penyerapan penyerap metamaterial yang diusulkan. Terlihat bahwa struktur memiliki puncak serapan yang tajam pada konfigurasi TM, tetapi tidak pada konfigurasi TE. Jelas, LSPR tidak dapat dieksitasi oleh cahaya datang dengan konfigurasi TE, yang dapat dijelaskan dengan baik oleh struktur absorber yang asimetris. Selain itu, dalam sistem yang sebenarnya, karena hamburan permukaan dan efek batas butir dalam film emas tipis, konstanta redaman film emas tipis kemungkinan lebih tinggi daripada emas curah. Untuk memperhitungkan pengaruh konstanta redaman film emas tipis, Gambar 4b menunjukkan spektrum serapan yang dihitung dari konstanta redaman film emas adalah tiga dan lima kali lebih tinggi dari emas curah. Jelas, puncak penyerapan dengan amplitudo yang berbeda dan FWHM diamati. Hasilnya menunjukkan bahwa peningkatan kehilangan material logam tidak menguntungkan untuk lebih meningkatkan sifat penyerapan penyerap pita sempit yang diusulkan, yang konsisten dengan penelitian sebelumnya [17].

a Spektrum penyerapan struktur yang diusulkan di bawah konfigurasi polarisasi TE dan TM. b Spektrum serapan yang dihitung bergantung pada konstanta redaman film emas

Secara umum diketahui bahwa sifat-sifat penyerap metamaterial sangat dipengaruhi oleh bentuk geometris dan dimensi struktural struktur. Pertama, kami menyelidiki efek nanoribbon emas segitiga pada spektrum reflektansi dari struktur yang dirancang. Pita nano emas segitiga dari struktur dihilangkan atau diubah menjadi pita nano emas persegi dan semi-elips, masing-masing, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5c–e, dengan parameter lain tetap tidak berubah dalam simulasi. Spektrum refleksi dari ketiga struktur ini dianalisis dan dibandingkan dengan struktur aslinya masing-masing seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5f–h. Sangat mudah untuk mengamati bahwa struktur asli dapat mencapai FWHM yang lebih sempit dan kemiringan reflektifitas yang lebih rendah daripada tiga struktur lainnya. Untuk lebih memahami hasil ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5i–l, distribusi medan magnet (H) pada puncak resonansi dari keempat struktur ini masing-masing diplot dan warna menunjukkan intensitas medan magnet. Intensitas medan magnet struktur asli jelas lebih kuat dari tiga struktur lainnya. Ini berarti bahwa LSPR dapat tereksitasi lebih efisien dalam struktur aslinya, yang menghasilkan FWHM yang lebih sempit dan penurunan reflektifitas yang lebih rendah.

a–e Skema metamaterial yang diusulkan dengan struktur nano yang berbeda dari satu sel unit. f–h Spektrum refleksi dari struktur yang berbeda. i–l Distribusi medan magnet H pada puncak resonansi dari struktur yang sesuai

Dari Gambar. 5, kinerja optik struktur asli dengan penggunaan pita nano segitiga lebih unggul daripada struktur lainnya. Untuk membuat wawasan lebih lanjut tentang pengaruh nanoribbon segitiga pada kinerja optik, kami memberikan perhitungan dan analisis terperinci untuk struktur yang dimodifikasi yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, yang berisi nanoribbon trapesium dengan sudut yang sama θ ke nanoribbon segitiga dalam struktur aslinya. Pertama, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b, c, kami menyelidiki kinerja optik dari ketergantungan struktur yang dimodifikasi pada ketinggian h yang berbeda dari nanoribbon trapesium ketika sudut θ tetap tidak berubah. Jelas, ketika ketinggian h lebih dari 10 nm, kinerja optik struktur akan dipertahankan hampir tidak berubah, yang menunjukkan kinerja optik struktur kokoh dalam fabrikasi. Karena ketinggian h di bawah 5 nm, penurunan reflektifitas meningkat, yang dapat dijelaskan bahwa ketinggian h terlalu kecil sehingga akan menurunkan luas efektif eksitasi LSPR. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6d, e, kami juga menyelidiki kinerja optik dari ketergantungan struktur yang dimodifikasi pada sudut yang berbeda θ saat ketinggian h disetel sebagai 15 nm. Mudah untuk mengamati bahwa kinerja optik dari struktur yang dimodifikasi sedikit berubah dengan rentang sudut yang besar dari 35° hingga 68°. Namun, penurunan reflektifitas jelas meningkat pada sudut θ lebih kecil dari 30°, yang dapat dipahami bahwa sudut yang terlalu kecil θ dapat mengurangi efisiensi eksitasi LSPR. Jadi, dengan analisis terperinci terhadap pengaruh parameter sudut yang berbeda antara nanoribbon trapesium dan nanoribbon persegi pada kinerja optik, kinerja penyerapan sempurna dari struktur asli dikaitkan dengan eksitasi LSPR di sudut antara nanoribbon segitiga. dan pita nano persegi, yang sesuai dengan hasil medan magnet yang ditunjukkan pada Gambar 5i. Pada saat yang sama, struktur dapat mempertahankan kinerja optik yang baik dalam berbagai ketinggian h dan sudut θ , yang menunjukkan relaksasi besar pada ketahanan fabrikasi dan membuat struktur nano menjadi lebih realistis dalam sudut pandang eksperimental. Akhirnya, dengan mempertimbangkan proses fabrikasi dari struktur nano yang sebenarnya, Gambar 6f menunjukkan geometri struktur dengan kekasaran permukaan emas/dielektrik dan perlakuan pasivasi untuk semua sudut tajam. Perbandingan kinerja optik antara struktur yang dimodifikasi dan struktur asli dihitung dan digambarkan pada Gambar. 6g. Jelas, efek toleransi fabrikasi pada kinerja struktur nano sangat kecil, yang menunjukkan kinerja optik yang kuat dalam fabrikasi.

a Struktur yang dimodifikasi berisi nanoribbon trapesium dengan sudut yang sama θ ke nanoribbon segitiga. b , c Perbandingan spektrum refleksi antara struktur nano dengan ketinggian yang berbeda h , ketika θ tetap tidak berubah. d , e Perbandingan spektrum refleksi antara struktur nano dengan sudut yang berbeda θ , ketika ketinggian h = 15 nm. f Struktur yang dimodifikasi dengan kekasaran permukaan emas/dielektrik dan perlakuan pasif untuk semua sudut tajam. g Perbandingan spektrum refleksi antara struktur yang dimodifikasi dan struktur aslinya, ketika l disetel sebagai 3 nm

Kemudian, kami juga menyelidiki pengaruh dimensi struktur dan parameter material, dengan menggunakan metode FDTD, pada reflektifitas kemiringan, FWHM, dan panjang gelombang resonansi dari struktur yang dirancang. Beberapa parameter akan dipelajari termasuk indeks bias dielektrik, lebar nanoribbon emas w , lebar nanoribbon emas d , dan ketebalan nanoribbon emas t ₁ . Gambar 7 menunjukkan efek indeks bias lapisan dielektrik pada spektrum reflektansi struktur metamaterial. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, panjang gelombang resonansi bergeser merah dengan jelas dengan meningkatnya n _dielektrik , yang konsisten dengan prediksi model rangkaian LC. Seperti yang ditunjukkan pada Gbr. 5b, penurunan reflektifitas diturunkan terlebih dahulu kemudian meningkat saat n _dielektrik meningkat, sedangkan FWHM menjadi lebih sempit. FWHM dan kemiringan reflektifitas spektrum refleksi sangat bergantung pada kekuatan kopling antara nanoribbons dan film emas, menghasilkan kinerja optik yang berbeda dengan berbagai bahan dielektrik spacer dielektrik antara nanoribbon dan film emas. Penurunan reflektifitas adalah nilai minimum ketika indeks bias lapisan dielektrik kira-kira 1,3. Pada saat yang sama, FWHM adalah sekitar 1,85 nm, yang jauh lebih sempit daripada penyerap pita sempit yang dipublikasikan di wilayah yang terlihat [24, 28, 34, 39].

a Spektrum pantulan sebagai fungsi indeks bias lapisan dielektrik. b Reflektifitas penurunan resonansi dan FWHM sebagai fungsi indeks bias lapisan dielektrik

Gambar 8 menyajikan pengaruh lebar nanoribbon emas w pada spektrum refleksi dari struktur metamaterial. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8a, ketika lebar pita nano emas w berubah dari 140 menjadi 177 nm, pergeseran biru panjang gelombang resonansi, yang sesuai dengan hasil model rangkaian LC yang setara. Gambar 8b menunjukkan bahwa FWHM menjadi lebih sempit dan penurunan reflektifitas meningkat dengan meningkatnya w . Peningkatan penurunan reflektifitas dapat dihasilkan dari peningkatan area logam efektif untuk memantulkan cahaya yang datang, dengan meningkatnya w . Nilai minimum reflektifitas dip dan FWHM tidak dapat diperoleh secara bersamaan. Namun, dalam desain kami, nilai penurunan reflektifitas dan FWHM sedikit berubah dalam berbagai w (140~162 nm), yang cocok untuk aplikasi praktis.

a Spektrum pantulan sebagai fungsi dari lebar pita nano emas w . b Penurunan reflektifitas dan FWHM sebagai fungsi lebar nanoribbons emas w

Selain itu, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9a, penurunan reflektifitas dapat mempertahankan nilai yang lebih rendah saat lebar nanoribbon emas d adalah antara 55 dan 75 nm sementara jelas meningkat saat d melebihi 76 nm, yang dapat dijelaskan bahwa jarak yang terlalu jauh antara dua nanoribbon dapat mengurangi efisiensi eksitasi untuk LSPR, sehingga mengurangi efisiensi penyerapan cahaya yang datang. FWHM menjadi lebih sempit dengan meningkatnya d , dan ukuran optimal d adalah sekitar 75 nm. Dari Gbr. 9b, penurunan reflektifitas dapat mempertahankan nilai yang lebih rendah saat ketebalan nanoribbon emas t ₁ berubah dari 35 menjadi 50 nm sementara FWHM menjadi lebih sempit. Namun, ketika t ₁ meningkat dari 50 menjadi 60 nm, penurunan reflektifitas jelas meningkat. Kita dapat memahami hasilnya seperti ini, nanoribbon terlalu tebal yang akan meningkatkan pantulan cahaya yang datang. Gambar 9c menunjukkan bahwa nilai minimum penurunan resonansi diperoleh saat tinggi segitiga emas t ₂ adalah sekitar 30 nm. Dalam struktur ini, penurunan reflektifitas berada di bawah 0,025 saat tinggi segitiga emas berkisar antara 15 hingga 40 nm, yang bermanfaat untuk merancang struktur metamaterial karena kinerja ketahanan yang sangat baik.

a Penurunan reflektifitas dan FWHM sebagai fungsi dari lebar nanoribbon emas segitiga d . b Penurunan reflektifitas dan FWHM sebagai fungsi dari ketebalan nanoribbons emas t ₁ . c Reflektifitas penurunan resonansi dan FWHM sebagai fungsi dari tinggi segitiga emas t ₂

Secara umum diketahui bahwa panjang gelombang resonansi struktur metamaterial sangat bergantung pada indeks bias media lingkungan, yang telah banyak digunakan dalam aplikasi penginderaan. Gambar 10a menunjukkan bahwa panjang gelombang resonansi bergeser merah dengan jelas ketika indeks bias lingkungan meningkat, yang sesuai dengan prediksi model LC, dan penurunan reflektifitas dapat mempertahankan nilai yang sangat rendah pada saat yang bersamaan. Ketika RI meningkat dari 1,07 ke 1,12, panjang gelombang resonansi bergeser dari 733.828 ke 755.097 nm. Sensitivitas panjang gelombang yang dihitung (S ) kira-kira 425 nm/RIU, dan FWHM bisa sesempit 1,82 nm. Dengan demikian, FOM bisa mencapai 233,5. Sejauh yang kami tahu, FOM jauh lebih tinggi daripada sensor indeks bias plasmonik yang diterbitkan sebelumnya di wilayah yang terlihat [24, 28, 34, 39]. Sensor indeks bias plasmonik yang diusulkan menunjukkan linearitas yang baik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 10b.

a Spektrum pantulan sensor indeks bias plasmonik dengan berbagai indeks bias lingkungan. b Pergeseran panjang gelombang resonansi terhadap indeks bias sekitarnya

Dalam aplikasi praktis, biasanya diperlukan untuk mendeteksi perubahan intensitas relatif pada panjang gelombang tetap dengan berbagai indeks bias dari media sekitarnya, dan angka yang sesuai didefinisikan sebagai FOM* = max |(dI /dn )/Saya | [17]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11a, FOM* berubah dengan jelas dengan penurunan w , dan maksimum FOM* dapat mencapai 1,4 × 10 ⁵ di w sekitar 358 nm. Gambar 11b menunjukkan bahwa FOM meningkat dengan penurunan d dan maksimum FOM* diperoleh pada d = 75 nm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 11c, ketika ketebalan nanoribbon emas t ₁ adalah 35 nm, FOM* maksimum. Selain itu, Gambar 11d juga menunjukkan bahwa FOM* maksimum diperoleh ketika tinggi segitiga emas t ₂ adalah sekitar 30 nm. Karakteristik FOM dan FOM* dengan perubahan dimensi struktur diselidiki secara numerik, yang mungkin menawarkan panduan tertentu untuk merancang sensor plasmonik berkinerja tinggi.

a–d FOM dan FOM* sebagai fungsi lebar nanoribbon emas w , lebar nanoribbon emas segitiga d , ketebalan nanoribbons emas t ₁ , dan tinggi segitiga emas t ₂ , masing-masing