Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel

Abstrak

Kami mengusulkan dan secara numerik menyelidiki penyerap ultra-narrowband sempurna dengan lebar pita serap hanya 1,82 nm dan efisiensi serap melebihi 95% di wilayah visibel. Kami menunjukkan bahwa serapan ultra-narrowband sempurna disebabkan oleh efek coupling yang diinduksi oleh resonansi plasmamon permukaan lokal. Pengaruh dimensi struktur terhadap performa optik juga diselidiki, dan struktur optimal diperoleh dengan reflectivitas sangat rendah (0,001) pada cengkeram resonansi. Penyerap sempurna dapat dioperasikan sebagai sensor indeks bias dengan sensitivitas sekitar 425 nm/RIU dan figure of merit (FOM) mencapai 233,5, yang sangat meningkatkan akurasi sensor plasmamonik di wilayah visibel. Selain itu, figure of merit (FOM*) yang sesuai untuk sensor ini juga dihitung untuk menggambarkan performa deteksi perubahan intensitas pada frekuensi tetap, yang dapat mencapai 1,4 × 10⁵. Karena performa sensing yang tinggi, struktur metamaterial ini memiliki potensi besar dalam binding biologis, detektor fototerkonstruksi, aplikasi kimia, dan sebagainya.

Latar Belakang

Dalam beberapa tahun terakhir, metamaterial plasmamonik berdasarkan resonansi plasmamon permukaan lokal (LSPR) telah mencapai kemajuan signifikan karena properti elektromagnetis dan aplikasi yang menjanjikan seperti resonator monopola [1,2,3,4,5,6,7,8], peningkatan transmisi cahaya [9,10,11,12,13], dan sensor plasmamonik [14,15,16,17,18,19,20,21]. Untuk penyerap metamaterial, mengurangi absorpsi gelombang elektromagnetis adalah menguntungkan, sementara kerugian optik intrinsik logam perlu dipertimbangkan dengan hati-hati dalam desain perangkat lainnya. Penyerap metamaterial sempurna pertama diusulkan dan divisualisasikan oleh Landy [22]. Setelah itu, penyerap metamaterial sempurna telah berkembang pesat [23,24,25,26,27,28,29,30,31], yang dapat secara umum diklasifikasikan sebagai penyerap narrowband dan broadband sesuai kebutuhan aplikasi yang berbeda. Secara umum, penyerap broadband dapat digunakan untuk penahan energi sementara penyerap narrowband digunakan untuk sensor dan detektor fotomonokromatik.

Dalam aplikasi sensing, sensor indeks bias plasmamonik berdasarkan penyerap narrowband telah menarik perhatian besar. Sejauh ini, banyak jenis sensor indeks bias plasmamonik yang bekerja di wilayah inframerah dan terahertz telah dilaporkan termasuk mikro-ruang hibrid [32, 33], nanodisk [34], metasurface tipe jaringan [24], grating logam [28], dan lain-lain [35,36,37]. Perhatikan bahwa, dibandingkan dengan sensor plasmamonik yang bekerja di inframerah, terahertz, dan mikrogelombang, sensor yang bekerja di band visibel dapat mewujudkan periodicitas struktur metamaterial yang lebih kecil, yang dapat meningkatkan pemanfaatan perangkat ini dalam banyak aplikasi praktis, seperti kimia dan biologi [38]. Sayangnya, sensor indeks bias plasmamonik di wilayah visibel yang sebelumnya dipublikasikan umumnya memiliki FOM yang relatif rendah, yang akan sangat menghambat perkembangan dan aplikasi lebih lanjut. Dalam studi teoretis, pada 2015, Zhou et al. secara teoretis mengusulkan sensor indeks bias di wilayah visibel menggunakan struktur grating logam subpanjang gelombang dengan S sebesar 300 nm/RIU, tetapi FOM hanya 2 [28]. Liu et al. merancang sensor multiramai dengan rongga plasmonik sub-panjang gelombang dalam dan menunjukkan FOM sebesar 58 [34]. Dengan upaya Liu et al., sensor indeks bias dengan FWHM minimum mencapai 3 nm dan FOM sebesar 68,57 diperoleh melalui struktur plasmonik dengan metasurface tipe jaringan [24]. Dalam studi eksperimental, pada 2014, Emiko dan Tetsu secara eksperimental menunjukkan sensor LSPR berdasarkan struktur Au nanostar tunggal dengan S sebesar 665 nm/RIU dan FWHM hingga 40 nm [39]. Cho et al. melaporkan demonstrasi eksperimental sensor indeks bias plasmamonik dengan S mencapai 378 nm/RIU [40]. Baik dalam teori maupun eksperimen, banyak peneliti telah berusaha keras untuk meningkatkan FOM sensor indeks bias yang bekerja di wilayah visibel. Namun, masih merupakan tantangan besar untuk merancang sensor indeks bias plasmamonik dengan FOM tinggi di wilayah visibel, yang sangat membatasi aplikasinya.

Untuk sensor, sangat bermakna untuk meningkatkan FOM. Misalnya, dalam bidang biologi, FOM yang lebih tinggi dari sensor indeks bias berarti performa yang lebih kuat dalam deteksi molekul. FOM sensor dalam karya ini dapat mencapai 233,5, yang jauh lebih tinggi dari sensor indeks bias plasmamonik yang dipublikasikan di wilayah visibel [24, 28, 34]. Sensor plasmamonik ini didasarkan pada struktur periodik logam-dielektrik-logam (MDM). Kemudian, struktur ini juga dapat beroperasi sebagai penyerab plasmamonik ultra-narrowband sempurna dengan efisiensi serap di atas 95% dan FWHM hanya 1,82 nm di wilayah visibel. Kami juga menyelidiki pengaruh dimensi struktur dan parameter material terhadap properti optik metamaterial. Selain itu, kami menunjukkan bahwa, dibandingkan struktur MDM umum, penggunaan nanoribbon segitiga dalam struktur membantu meningkatkan performa serapan. Dan sementara itu, mekanisme serapan juga diselidiki dan dianalisis secara detail. Mempertimbangkan pembuatan struktur yang diusulkan, nanoribbon segitiga dapat diproduksi dengan banyak metode, seperti litografi sinar elektron [41], cetak [42], dan litografi imprin [43]. Diharapkan karya kami akan menjadi pedoman untuk desain sensor plasmamonik.

Metode

Gambar 1 mengilustrasikan potongan silang satu sel unit untuk struktur metamaterial yang diusulkan. Struktur terdiri dari dua array nanoribbon emas pada lapisan logam tipis yang dilemparkan di antara lapisan dielektrik dan substrat, dan terdapat nanoribbon segitiga emas di antara nanoribbon emas. Dalam simulasi kami, permitivitas emas dikarakterisir oleh model Drude. Dielektrik lapisan tengah dan substrat diatur sebagai NaF (n = 1,3) dan MgF₂ (n = 1,4), masing-masing. Kami menggunakan metode Finite-Difference Time-Domain (FDTD) dua dimensi untuk menghitung transmisi dan reflektasi struktur yang diusulkan dan serapan seluruh struktur didefinisikan sebagai A = 1 − R − T. Kami menetapkan kondisi batas periodik di arah x, dan gelombang TM (transverse magnetic) jatuh secara normal pada struktur dengan polarisasi di sepanjang arah x.

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel
Skematis struktur metamaterial satu sel unit yang diusulkan

Seperti yang kita ketahui, model rangkaian LC setara banyak digunakan untuk memprediksi secara kualitatif resonansi magnetik yang diinduksi oleh LSPR untuk penyerap sempurna [44,45,46]. Untuk kenyamanan diskusi tentang model LC, skematis struktur penyerab metamaterial digambarkan dalam Gambar 2a. Dan model LC setara ditunjukkan dalam Gambar 2b. Di sini, kapasitansi celah antara nanoribbon dalam sel unit yang berdekatan dapat diekspresikan sebagai C_g = ε_0 t_1/(P − d − 2w), di mana ε_0 adalah permitivitas dielektrik lingkungan sekitar. Kapasitansi C_m = c_1 ε_3 ε_0(2w + d)/t_3 digunakan untuk mewakili kapasitansi antara nanoribbon dan film emas, di mana c_1 adalah koefisien karena distribusi muatan yang tidak seragam pada permukaan logam dan ε_3 adalah permitivitas lapisan dielektrik [44,45,46]. Induktansi saling nanoribbon emas dan film emas diberikan oleh L_m = 0,5μ_0(2w + d)t_3, di mana μ_0 adalah permeabilitas lingkungan sekitar. Untuk mengakomodasi kontribusi muatan yang melayang dalam nanoribbon emas dan film emas, induktansi kinetik diberikan oleh L_e = (2w + d)/(γ ε_0 t_1 ω_p²), di mana γ adalah koefisien yang mengakomodasi area penampang efektif nanoribbon emas dan ω_p adalah frekuensi plasma emas [44,45,46]. Kemudian, impedansi total untuk model rangkaian LC setara dapat diekspresikan sebagai

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel
a Skematis struktur penyerab metamaterial. b Skematis model rangkaian LC setara untuk struktur Gambar 6a
$$Z_{tot}=\frac{i\omega(L_m+L_e)}{1-\omega^2 C_g(L_m+L_e)}-\frac{2i}{\omega C_m}+i\omega(L_m+L_e)$$ (1)

Panjang gelombang resonansi dapat diperoleh ketika Z_tot = 0.

$$\lambda_r=2\pi c_0\left(\frac{C_m C_g(L_m+L_e)}{C_m+C_g-\sqrt{C_m^2+C_g^2}}\right)^{1/2}$$ (2)

Coupling antara nanoribbon dalam sel unit yang berdekatan sangat lemah karena celah besar (P − d − 2w) antara nanoribbon. Pengaruh C_g dapat diabaikan ketika C_g kurang dari 5% dari C_m. Dengan demikian, dalam situasi ini, panjang gelombang resonansi dapat disederhanakan menjadi

$$\lambda_r\approx 2\pi c_0\sqrt{(L_m+L_e)C_m}$$ (3)

di mana L_m = 0,5μ_0(2w + d)t_3, L_e = (2w + d)/(γ ε_0 t_1 ω_p²), dan C_m = c_1 ε_3 ε_0(2w + d)/t_3. Dalam model rangkaian LC, pengaruh dimensi struktur terhadap panjang gelombang resonansi dapat diprediksi secara kualitatif oleh Eq. (3). Mudah diamati bahwa panjang gelombang resonansi λ_r akan meningkat dengan permitivitas (ε_3) lapisan dielektrik yang lebih besar, karena peningkatan C_m. Demikian pula, lebar w yang lebih besar akan menyebabkan nilai L_m, L_e, dan C_m yang lebih besar, menghasilkan perpindahan merah panjang gelombang resonansi. Peningkatan permitivitas (ε_0) lingkungan sekitar akan menghasilkan nilai L_m C_m yang lebih besar, sementara istilah lain L_e C_m independen terhadap ε_0 dalam Eq. (3). Dengan demikian, panjang gelombang resonansi akan meningkat seiring peningkatan ε_0.

Hasil dan Pembahasan

Kemudian, kami memulai diskusi dengan dimensi struktur berikut. Struktur memiliki periodicitas jaringan P = 580 nm di arah x. Tinggi nanoribbon persegi emas dan nanoribbon segitiga emas masing-masing diatur sebagai t_1 = 45 nm dan t_2 = 30 nm. Ketebalan lapisan dielektrik, film emas, dan substrat adalah t_3 = 10 nm, t_4 = 25 nm, dan t_5 = 165 nm, masing-masing. Lebar nanoribbon segitiga emas dan nanoribbon persegi emas adalah d = 75 nm dan w_1 = w_2 = w = 142 nm, masing-masing. Gambar 3a menyajikan spektral serapan, refleksi, dan transmisi yang disimulasikan dari struktur yang dirancang. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3a, efisiensi serapan dapat mencapai hingga 95%, dan cengkeram refleksi struktur di bawah 0,001 ditemukan pada 751,225 nm. FWHM adalah 1,82 nm, yang jauh lebih sempit dibandingkan penyerab narrowband yang sebelumnya dilaporkan di wilayah visibel [24, 28, 34, 39].

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel
a Spektral serapan, refleksi, dan transmisi struktur yang diusulkan. b Distribusi medan listrik E dari struktur MDM pada puncak resonansi. c Distribusi medan magnet H dari struktur MDM pada puncak resonansi. d Spektral refleksi dan serapan struktur MDM dan struktur grating logam murni. e Distribusi medan listrik E dari struktur grating logam murni pada puncak resonansi. f Distribusi medan magnet H dari struktur grating logam murni pada puncak resonansi

Untuk menguraikan mekanisme fisik dari puncak serapan, distribusi medan listrik E dan medan magnet H pada puncak resonansi dihitung dan digambarkan dalam Gambar 3b, c. Jelas, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b, amplitudo medan listrik dalam celah dapat mencapai nilai setinggi 35 kali lebih besar dari cahaya insiden. Dengan demikian, struktur yang diusulkan dapat mewujudkan serapan sempurna serta peningkatan medan listrik dalam celah nanoslit, yang merupakan fenomena penting dalam aplikasi sensing biologis. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3c, sebagian besar medan magnet terkonsentrasi di ruang antara dua nanoribbon emas dan sebagian menembus lapisan dielektrik, yang menunjukkan efek coupling yang diinduksi oleh LSPR. Kemudian, untuk lebih memahami pengaruh lapisan dielektrik dan film emas terhadap FWHM ultra-sempit dan performa serapan tinggi, spektral serapan dan refleksi dianalisis dan dibandingkan antara struktur MDM dan struktur grating logam murni dengan parameter dimensi yang sama, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3d. Jelas, struktur MDM memiliki FWHM yang lebih sempit dan reflectivitas cengkeram resonansi yang lebih rendah. Medan listrik dan magnet struktur grating logam disimulasikan dan disajikan dalam Gambar 3e, f, masing-masing. Jelas, dibandingkan dengan distribusi medan magnet struktur MDM, medan magnet struktur grating logam hanya terletak pada permukaan nanoribbon segitiga emas tanpa medan magnet melewati logam, yang dapat digunakan untuk menjelaskan hasil perbandingan serapan antara struktur MDM dan struktur grating logam. Selain itu, karena perilaku coupling dalam struktur, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b, intensitas medan listrik antara dua nanoribbon emas dan film emas tipis sekitar 40 kali lebih besar dari gelombang insiden, yang jauh lebih besar dari yang dilaporkan dalam ref. [25].

Gambar 4a menunjukkan efek konfigurasi polarisasi cahaya insiden pada spektral serapan penyerab metamaterial yang diusulkan. Terlihat bahwa struktur memiliki puncak serapan yang tajam dalam konfigurasi TM, tetapi tidak dalam konfigurasi TE. Jelas, LSPR tidak dapat diinduksi oleh cahaya insiden dengan konfigurasi TE, yang dapat dijelaskan dengan baik oleh struktur asosimetris penyerab. Selain itu, dalam sistem aktual, karena efek pencaran permukaan dan batas kristal dalam film emas tipis, konstanta redaman film emas tipis kemungkinan lebih tinggi daripada emas massa. Untuk mengakomodasi pengaruh konstanta redaman film emas tipis, Gambar 4b menunjukkan spektral serapan yang dihitung dengan konstanta redaman film emas tiga dan lima kali lebih tinggi daripada emas massa. Jelas, puncak serapan dengan amplitudo dan FWHM yang berbeda diamati. Hasilnya menunjukkan bahwa kerugian material logam yang meningkat tidak menguntungkan untuk meningkatkan lebih lanjut properti serapan penyerab narrowband yang diusulkan, yang sejalan dengan penelitian sebelumnya [17].

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel
a Spektral serapan struktur yang diusulkan di bawah konfigurasi polarisasi TE dan TM. b Spektral serapan yang dihitung tergantung pada konstanta redaman film emas

Secara umum diketahui bahwa properti penyerab metamaterial sangat dipengaruhi oleh bentuk geometris dan dimensi struktur struktur. Pertama, kami menyelidiki efek nanoribbon segitiga emas pada spektral refleksi struktur yang dirancang. Nanoribbon segitiga emas struktur dihapus atau diubah menjadi nanoribbon persegi dan semi-elips, masing-masing, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5c–e, dengan parameter lainnya tetap tidak berubah dalam simulasi. Spektral refleksi ketiga struktur ini dianalisis dan dibandingkan dengan struktur asli seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5f–h, masing-masing. Mudah diamati bahwa struktur asli dapat mencapai FWHM yang lebih sempit dan cengkeram refleksi yang lebih rendah dibandingkan tiga struktur lainnya. Untuk lebih memahami hasil ini, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5i–l, distribusi medan magnet (H) pada puncak resonansi dari keempat struktur ini masing-masing digambarkan dan warna menunjukkan intensitas medan magnet. Intensitas medan magnet struktur asli jelas lebih kuat dari tiga struktur lainnya. Ini berarti LSPR dapat diinduksi lebih efisien dalam struktur asli, yang menghasilkan FWHM yang lebih sempit dan cengkeram refleksi yang lebih rendah.

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel
a–e Skematis struktur metamaterial yang diusulkan dengan berbagai struktur nano satu sel unit. f–h Spektral refleksi struktur yang berbeda. i–l Distribusi medan magnet H pada puncak resonansi struktur yang sesuai

Dari Gambar 5, performa optik struktur asli dengan penggunaan nanoribbon segitiga lebih unggul dibandingkan struktur lainnya. Untuk mendapatkan wawasan lebih dalam mengenai pengaruh nanoribbon segitiga terhadap performa optik, kami memberikan perhitungan dan analisis detail untuk struktur modifikasi yang ditunjukkan dalam Gambar 6a, yang berisi nanoribbon trapesium dengan sudut θ yang sama dengan nanoribbon segitiga dalam struktur asli. Pertama, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6b, c, kami menyelidiki performa optik struktur modifikasi tergantung pada berbagai tinggi h nanoribbon trapesium ketika sudut θ tetap tidak berubah. Jelas, ketika tinggi h lebih dari 10 nm, performa optik struktur akan tetap hampir tidak berubah, yang menunjukkan bahwa performa optik struktur kuat dalam pembuatan. Sebagai tinggi h di bawah 5 nm, cengkeram refleksi meningkat, yang dapat dijelaskan bahwa tinggi h terlalu kecil sehingga akan menurunkan area efektif ekitasi LSPR. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6d, e, kami juga menyelidiki performa optik struktur modifikasi tergantung pada berbagai sudut θ ketika tinggi h diatur 15 nm. Mudah diamati bahwa performa optik struktur modifikasi berubah sedikit dengan rentang sudut besar 35° hingga 68°. Namun, cengkeram refleksi meningkat jelas pada sudut θ lebih kecil dari 30°, yang dapat dipahami bahwa sudut θ terlalu kecil dapat mengurangi efisiensi ekitasi LSPR. Dengan demikian, melalui analisis detail mengenai pengaruh parameter berbeda sudut antara nanoribbon trapesium dan nanoribbon persegi terhadap performa optik, performa serapan sempurna struktur asli disebabkan oleh ekitasi LSPR di sudut antara nanoribbon segitiga dan nanoribbon persegi, yang sejalan dengan hasil medan magnet yang ditunjukkan dalam Gambar 5i. Pada saat yang sama, struktur dapat mempertahankan performa optik yang baik dalam rentang besar tinggi h dan sudut θ, yang menunjukkan pengurangan yang besar terhadap ketahanan pembuatan dan membuat struktur nano menjadi lebih realistis dari sudut pandang eksperimental. Akhirnya, mempertimbangkan proses pembuatan struktur nano aktual, Gambar 6f menunjukkan geometri struktur dengan kekasaran permukaan emas/dielektrik dan perlakuan pasivasi untuk semua sudut tajam. Perbandingan performa optik antara struktur modifikasi dan struktur asli dihitung dan digambarkan dalam Gambar 6g. Jelas, efek toleransi pembuatan terhadap performa struktur nano sangat kecil, yang menunjukkan performa optik yang kuat dalam pembuatan.

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel
a Struktur modifikasi yang berisi nanoribbon trapesium dengan sudut θ yang sama dengan nanoribbon segitiga. b, c Perbandingan spektral refleksi antara struktur nano dengan berbagai tinggi h, ketika θ tetap tidak berubah. d, e Perbandingan spektral refleksi antara struktur nano dengan berbagai sudut θ, ketika tinggi h = 15 nm. f Struktur modifikasi dengan kekasaran permukaan emas/dielektrik dan perlakuan pasivasi untuk semua sudut tajam. g Perbandingan spektral refleksi antara struktur modifikasi dan struktur asli, ketika l diatur 3 nm

Kemudian, kami juga menyelidiki efek dimensi struktur dan parameter material, dengan menggunakan metode FDTD, terhadap reflectivitas cengkeram, FWHM, dan panjang gelombang resonansi struktur yang dirancang. Beberapa parameter akan diteliti 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 spektral refleksi struktur metamaterial. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7a, panjang gelombang resonansi bergeser merah jelas seiring peningkatan n_dielectric, yang konsisten dengan prediksi model rangkaian LC. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5b, reflectivitas cengkeram menurun pertama kali kemudian meningkat ketika n_dielectric ditingkatkan, sementara FWHM menjadi lebih sempit. FWHM dan reflectivitas cengkeram spektral refleksi sangat bergantung pada kekuatan coupling antara nanoribbon dan film emas, yang menghasilkan performa optik yang berbeda dengan berbagai bahan dielektrik dari pemisah dielektrik antara nanoribbon dan film emas. Reflectivitas cengkeram adalah nilai minimum ketika indeks bias lapisan dielektrik sekitar 1,3. Pada saat yang sama, FWHM sekitar 1,85 nm, yang jauh lebih sempit dibandingkan penyerab narrowband yang dipublikasikan di wilayah visibel [24, 28, 34, 39].

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel
a Spektral refleksi sebagai fungsi indeks bias lapisan dielektrik. b Reflectivitas cengkeram resonansi dan FWHM sebagai fungsi indeks bias lapisan dielektrik

Gambar 8 menyajikan pengaruh lebar nanoribbon emas w pada spektral refleksi struktur metamaterial. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8a, ketika lebar nanoribbon emas w berubah dari 140 hingga 177 nm, panjang gelombang resonansi bergeser biru, yang sejalan dengan hasil model rangkaian LC setara. Gambar 8b menunjukkan bahwa FWHM menjadi lebih sempit dan reflectivitas cengkeram meningkat seiring peningkatan w. Peningkatan reflectivitas cengkeram mungkin disebabkan oleh peningkatan area logam efektif untuk memantulkan cahaya insiden, dengan peningkatan w. Nilai minimum reflectivitas cengkeram dan FWHM tidak dapat diperoleh secara bersamaan. Namun, dalam desain kami, kedua nilai reflectivitas cengkeram dan FWHM berubah sedikit dalam rentang w yang luas (140~162 nm), yang menguntungkan untuk aplikasi praktis.

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel
a Spektral refleksi sebagai fungsi lebar nanoribbon emas w. b Reflectivitas cengkeram dan FWHM sebagai fungsi lebar nanoribbon emas w

Selain itu, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9a, reflectivitas cengkeram dapat mempertahankan nilai rendah ketika lebar nanoribbon emas d antara 55 dan 75 nm sementara meningkat jelas ketika d melebihi 76 nm, yang dapat dijelaskan bahwa jarak terlalu besar antara dua nanoribbon dapat mengurangi efisiensi ekitasi LSPR, sehingga mengurangi efisiensi serapan cahaya insiden. FWHM menjadi lebih sempit seiring peningkatan d, dan ukuran optimal d sekitar 75 nm. Dari Gambar 9b, reflectivitas cengkeram dapat mempertahankan nilai rendah ketika ketebalan nanoribbon emas t_1 berubah dari 35 hingga 50 nm sementara FWHM menjadi lebih sempit. Namun, ketika t_1 meningkat dari 50 hingga 60 nm, reflectivitas cengkeram meningkat jelas. Kami dapat memahami hasil ini seperti ini, nanoribbon terlalu tebal sehingga akan meningkatkan refleksi cahaya insiden. Gambar 9c menunjukkan bahwa nilai minimum cengkeram resonansi diperoleh ketika tinggi nanoribbon segitiga emas t_2 sekitar 30 nm. Dalam struktur ini, reflectivitas cengkeram telah di bawah 0,025 ketika tinggi emas segitiga berkisar dari 15 hingga 40 nm, yang menguntungkan untuk merancang struktur metamaterial karena performa ketahanan yang luar biasa.

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel
a Reflectivitas cengkeram dan FWHM sebagai fungsi lebar nanoribbon segitiga emas d. b Reflectivitas cengkeram dan FWHM sebagai fungsi ketebalan nanoribbon emas t_1. c Reflectivitas cengkeram resonansi dan FWHM sebagai fungsi tinggi emas segitiga t_2

Secara umum diketahui bahwa panjang gelombang resonansi struktur metamaterial sangat bergantung pada indeks bias medium lingkungan, yang telah banyak digunakan dalam aplikasi sensing. Gambar 10a menunjukkan bahwa panjang gelombang resonansi bergeser merah jelas ketika indeks bias lingkungan meningkat, yang sejalan dengan prediksi model LC, dan reflectivitas cengkeram dapat mempertahankan nilai yang sangat rendah pada saat yang sama. Ketika RI meningkat dari 1,07 hingga 1,12, panjang gelombang resonansi bergeser dari 733,828 hingga 755,097 nm. Sensitivitas panjang gelombang (S) yang dihitung sekitar 425 nm/RIU, dan FWHM dapat sempit hingga 1,82 nm. Dengan demikian, FOM dapat mencapai 233,5. Sejauh kami ketahui, FOM jauh lebih tinggi dari sensor indeks bias plasmamonik yang sebelumnya dipublikasikan di wilayah visibel [24, 28, 34, 39]. Sensor indeks bias plasmamonik yang diusulkan menunjukkan linearitas yang baik, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10b.

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel
a Spektral refleksi sensor indeks bias plasmamonik dengan berbagai indeks bias lingkungan. b Pergeseran panjang gelombang resonansi terhadap indeks bias lingkungan sekitar

Dalam aplikasi praktis, biasanya diperlukan untuk mendeteksi perubahan intensitas relatif pada panjang gelombang tetap dengan berbagai indeks bias medium lingkungan, dan figure of merit yang sesuai didefinisikan sebagai FOM* = max |(dI/dn)/I| [17]. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11a, FOM* berubah jelas dengan menurunnya w, dan maksimum FOM* dapat mencapai 1,4 × 10⁵ pada w sekitar 358 nm. Gambar 11b menunjukkan bahwa FOM meningkat dengan menurunnya d dan maksimum FOM* diperoleh pada d = 75 nm. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11c, ketika ketebalan nanoribbon emas t_1 adalah 35 nm, FOM* maksimum. Selain itu, Gambar 11d juga menunjukkan bahwa maksimum FOM* diperoleh ketika tinggi emas segitiga t_2 sekitar 30 nm. Karakteristik FOM dan FOM* dengan perubahan dimensi struktur secara numerik diselidiki, yang dapat memberikan pedoman tertentu untuk merancang sensor plasmamonik berkinerja tinggi.

Penyerap Sempurna Ultra-Narrowband dengan Efisiensi 95% untuk Sensing Plasmamonik Rentang Visibel
a–d FOM dan FOM* sebagai fungsi lebar nanoribbon emas w, lebar nanoribbon segitiga emas d, ketebalan nanoribbon emas t_1, dan tinggi emas segitiga t_2, masing-masing

Kesimpulan

Ringkasan, kami mengusulkan dan secara numerik menunjukkan penyerab ultra-narrowband hampir sempurna dengan serapan mencapai 95% di wilayah visibel. Kami lebih lanjut melakukan analisis detail mengenai pengaruh bentuk geometris dan dimensi struktur terhadap properti optik struktur metamaterial dengan menggunakan metode FDTD dua dimensi. Dengan menggunakan dimensi struktur yang dioptimalkan, struktur ini menunjukkan reflectivitas cengkeram rendah hingga 0,001 dengan FWHM 1,82 nm pada insiden normal di wilayah visibel. Selain itu, kami juga menunjukkan kemampuan sensingnya. Sensitivitasnya sekitar 425 nm/RIU dan FOM dapat mencapai 233,5. Ini jauh lebih baik dari sensor yang sebelumnya dilaporkan di wilayah visibel [24, 28, 34, 39]. Karena performa sensing yang tinggi, struktur metamaterial ini dapat diterapkan dalam binding biologis, detektor fototerkonstruksi, aplikasi kimia, dan sebagainya.

Singkatan

FDTD:

Finite-Difference Time-Domain

FOM:

Figure of Merit

FWHM:

Full Width at Half Maximum

LSPR:

Resonansi Plasmamon Permukaan Lokal

MDM:

Logam-Dielektrik-Logam

S:

Sensitivitas

TM:

Transverse Magnetic


bahan nano

  1. Logam Molibdenum dan Legolanya: Aplikasi Utama di Seluruh Industri
  2. Kalibrasi Sensor Dijelaskan: Definisi, Metode, dan Aplikasi Utama
  3. Cara Kerja Sensor Jarak dan Aplikasi Utamanya
  4. Sensor Kamera Sony IMX586: Cara Kerja dan Fitur Unggulan
  5. Memahami Load Cell: Cara Kerja Sensor Bobot dan Spesifikasi Utama
  6. Sensor Virtual: Cara Kerja dan Aplikasi Utama
  7. Sensor Tegangan: Cara Kerja dan Aplikasi Utama dalam Sistem Tenaga Modern
  8. Sensor Lambda (Oksigen): Fungsi, Operasi, dan Aplikasi Otomotif Utama
  9. Memahami Sensor IMU: Fungsionalitas dan Aplikasi dalam Teknologi Modern
  10. Melacak Evolusi Gerigian Band: Inovasi Kunci dan Dampak Industri