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

Peningkatan Penyerapan Multiband dan Broadband Grafena Monolayer pada Frekuensi Optik dari Beberapa Resonansi Dipol Magnetik dalam Metamaterial

Abstrak

Telah diketahui dengan baik bahwa graphene monolayer tersuspensi memiliki efisiensi penyerapan cahaya yang lemah sekitar 2,3% pada kejadian normal, yang tidak menguntungkan untuk beberapa aplikasi dalam perangkat optoelektronik. Dalam karya ini, kami akan mempelajari peningkatan penyerapan multiband dan broadband secara numerik dari graphene monolayer di seluruh spektrum yang terlihat, karena beberapa resonansi dipol magnetik dalam metamaterial. Sel satuan dari metamaterial terdiri dari monolayer graphene yang diapit di antara empat nanodisk Ag dengan diameter berbeda dan SiO2 spacer pada substrat Ag. Hibridisasi plasmon medan dekat antara nanodisk Ag individu dan substrat Ag membentuk empat mode dipol magnetik independen, yang menghasilkan peningkatan penyerapan multiband graphene monolayer pada frekuensi optik. Ketika panjang gelombang resonansi dari mode dipol magnetik disetel untuk mendekati satu sama lain dengan mengubah diameter nanodisk Ag, peningkatan penyerapan broadband dapat dicapai. Posisi pita serapan dalam graphene monolayer juga dapat dikontrol dengan memvariasikan ketebalan SiO2 spacer atau jarak antara nanodisk Ag. Penyerap cahaya graphene yang dirancang kami mungkin menemukan beberapa aplikasi potensial dalam perangkat optoelektronik, seperti fotodetektor.

Latar Belakang

Grafena, suatu lapisan tunggal atom karbon yang tersusun rapat dalam kisi sarang lebah dua dimensi (2D), pertama kali dipisahkan dari grafit secara eksperimental pada tahun 2004 [1]. Sejak itu, graphene telah menarik perhatian besar dalam komunitas ilmiah, sebagian karena sifat elektronik dan optiknya yang luar biasa, termasuk kecepatan pembawa yang cepat, konduktivitas yang dapat disetel, dan transparansi optik yang tinggi [2]. Sebagai salah satu jenis material 2D yang muncul, graphene memiliki potensi yang menjanjikan di berbagai bidang mulai dari optoelektronik [3,4,5,6] hingga plasmonik [7,8,9,10], hingga metamaterial [11,12,13] ,14,15], dll. Karena struktur pita kerucutnya yang unik dari fermion Dirac, graphene yang ditangguhkan dan tidak didoping menunjukkan penyerapan universal sekitar 2,3% dalam daerah inframerah-terlihat dan dekat, yang terkait dengan konstanta struktur halus di lembaran atom monolayer [16, 17]. Efisiensi penyerapan optik sangat mengesankan, mengingat ketebalan graphene hanya sekitar 0,34 nm. Namun, masih terlalu rendah untuk digunakan pada perangkat optoelektronik seperti fotodetektor dan sel surya, yang membutuhkan nilai penyerapan yang jauh lebih tinggi untuk pengoperasian yang efisien.

Untuk mengatasi masalah ini, berbagai mekanisme fisik [18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38 ,39,40,41,42,43] untuk meningkatkan penyerapan graphene di wilayah yang terlihat telah diusulkan, yang mencakup lokalisasi foton yang kuat pada lapisan cacat dalam kristal fotonik satu dimensi (1D) [18, 28, 33, 38 ], refleksi internal total [19, 20, 23, 27], resonansi plasmon permukaan [21, 22, 30, 31, 33], orde difraksi cepat berlalu dr ingatan dari susunan nanopartikel logam [34], dan kopling kritis untuk resonansi mode terpandu [25, 26, 32, 34, 35, 37, 39,40,41]. Selain peningkatan penyerapan dalam graphene, mencapai penyerapan cahaya multiband dan broadband dalam graphene juga penting untuk beberapa perangkat optoelektronik berbasis graphene dari sudut pandang praktis. Tapi, itu masih merupakan tantangan, seperti yang ditunjukkan dalam laporan terbaru [44,45,46]. Saat ini, pendekatan yang berbeda telah diusulkan untuk memperluas bandwidth penyerapan graphene dalam rentang frekuensi yang luas dari THz [44,45,46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57, 58,59,60,61,62] dan inframerah [63,64,65] untuk frekuensi optik [19, 23, 29, 31, 34,35,36, 38,39,40, 43]. Terutama, pendekatan multi-resonator terbukti menjadi metode yang sangat efektif untuk mengatasi keterbatasan bandwidth penyerapan graphene di daerah THz dan inframerah [45, 46, 62, 63]. Dalam pendekatan multi-resonator, beberapa resonator dengan panjang gelombang bawah yang dalam dengan ukuran berbeda dikemas secara erat, yang dapat memperpanjang bandwidth penyerapan ketika frekuensi resonansinya saling tumpang tindih. Namun, sejauh yang kami ketahui, hingga saat ini hanya ada beberapa laporan tentang pendekatan multi-resonator semacam itu untuk mendapatkan penyerapan cahaya multiband dan broadband graphene di wilayah yang terlihat.

Dalam karya ini, dengan menggunakan pendekatan multi-resonator yang serupa, kami akan secara numerik menunjukkan peningkatan penyerapan multiband dan broadband dari graphene monolayer di seluruh rentang panjang gelombang yang terlihat, yang muncul dari satu set resonansi dipol magnetik dalam metamaterial. Sel satuan metamaterial terdiri dari monolayer graphene yang diapit di antara empat nanodisk Ag dengan diameter berbeda dan SiO2 spacer pada substrat Ag. Hibridisasi plasmon medan dekat antara nanodisk Ag individu dan substrat Ag membentuk empat mode dipol magnetik independen, yang menghasilkan peningkatan penyerapan empat pita graphene monolayer. Ketika mode dipol magnetik disetel untuk tumpang tindih secara spektral dengan mengubah diameter nanodisk Ag, peningkatan penyerapan broadband tercapai. Posisi pita serapan dalam graphene monolayer juga dapat dikontrol dengan memvariasikan ketebalan SiO2 spacer atau jarak antara nanodisk Ag.

Metode/Eksperimental

Metamaterial yang dirancang untuk peningkatan penyerapan multiband dan broadband graphene pada frekuensi optik secara skematis ditunjukkan pada Gambar. 1. Sel unit metamaterial terdiri dari monolayer graphene yang diapit di antara empat nanodisk Ag dengan diameter berbeda dan SiO2 spacer pada substrat Ag. Kami menghitung spektrum refleksi dan penyerapan, dan distribusi medan elektromagnetik dengan paket perangkat lunak komersial "EastFDTD, versi 5.0," yang didasarkan pada metode domain waktu perbedaan hingga (FDTD) (www.eastfdtd.com). Dalam perhitungan numerik kami, indeks bias SiO2 adalah 1,45, dan permitivitas relatif tergantung-frekuensi Ag diambil dari data eksperimen [66]. Di bawah pendekatan fase acak, konduktivitas permukaan kompleks σ dari graphene adalah jumlah dari suku intraband σ dalam dan istilah antar band σ antar [67, 68], yang dinyatakan sebagai berikut:

$$ {\sigma}_{\namaoperator{int}\mathrm{ra}}=\frac{ie^2{k}_BT}{\pi {\mathrm{\hslash}}^2\left(\omega + i/\tau \right)}\left(\frac{E_f}{k_BT}+2 In\left({e}^{-\kern0.5em \frac{E_f}{k_BT}}+1\right)\ kanan),{\sigma}_{\operatorname{int}\mathrm{er}}=\frac{ie^2}{4\pi \mathrm{\hslash}} Di\left(\frac{2E{}_f -\left(\omega +i/\tau \right)\mathrm{\hslash}}{2E{}_f+\left(\omega +i/\tau \right)\mathrm{\hslash}}\kanan), $$ (1)

Skema metamaterial untuk peningkatan penyerapan multiband dan broadband graphene pada frekuensi optik, yang terdiri dari monolayer graphene yang diapit di antara empat nanodisk Ag dan SiO2 spacer pada substrat Ag. Parameter geometris p x dan p y adalah periode larik di sepanjang x dan y arah, masing-masing; t adalah ketebalan SiO2 pengatur jarak; d 1 , d 2 , d 3 , dan d 4 adalah diameter dari empat nanodisk Ag (d 1 > d 2 > d 3 > d 4 ); h adalah ketinggian nanodisk Ag. E di , H di , dan K di adalah medan listrik, medan magnet, dan vektor gelombang dari cahaya datang, yang berada di sepanjang x , y , dan z sumbu, masing-masing

dimana ω adalah frekuensi cahaya datang, e adalah muatan elektron, ħ adalah konstanta Planck yang berkurang, E f adalah energi Fermi (atau potensial kimia), τ adalah waktu relaksasi elektron-fonon, k B adalah konstanta Boltzmann, T adalah suhu dalam K, dan i adalah satuan imajiner. Grafena memiliki tensor permitivitas relatif anisotropik ε g dinyatakan sebagai

$$ {\varepsilon}_g=\left(\begin{array}{ccc}1+ i\sigma /\left({\omega \varepsilon}_0{t}_g\right)&0&0\\ {}0&1+ i\sigma /\left({\omega \varepsilon}_0{t}_g\right)&0\\ {}0&0&1\end{array}\right), $$ (2)

dimana ε 0 adalah permitivitas ruang hampa, dan t g adalah ketebalan lembaran graphene.

Hasil dan Diskusi

Gambar 2 menunjukkan spektrum serapan yang dihitung dari graphene, Ag, dan metamaterial total pada kejadian normal. Seseorang dapat dengan jelas melihat empat puncak serapan, yang panjang gelombang resonansinya λ 1 = 722.9 nm, λ 2 = 655.7 nm, λ 3 = 545,5 nm, dan λ 4 = 468,8 nm. Pada empat puncak serapan, serapan cahaya dalam graphene dapat mencapai masing-masing setinggi 65,7, 61,2, 68,4, dan 64,5%. Dibandingkan dengan graphene monolayer tersuspensi yang efisiensi penyerapannya hanya 2,3% pada frekuensi optik [16, 17], graphene monolayer dalam metamaterial yang dirancang kami memiliki peningkatan penyerapan lebih dari 26 kali. Hal ini juga terlihat jelas pada Gambar. 2 bahwa cahaya yang diserap terutama dihamburkan dalam graphene daripada di Ag. Selain itu, penyerapan total pada puncak ketiga melebihi 98,5%, sangat mirip dengan banyak dilaporkan penyerap sempurna gelombang elektromagnetik metamaterial [69,70,71,72,73,74,75], yang memiliki banyak aplikasi potensial seperti sel surya [76 ,77,78,79,80,81].

Spektrum serapan kejadian normal dari graphene monolayer (lingkaran merah), Ag (segitiga hijau), dan metamaterial total (kotak hitam) dalam rentang panjang gelombang dari 450 hingga 800 nm. Parameter geometris dan fisik:p x = p y = 400 nm, d 1 = 140 nm, d 2 = 110 nm, d 3 = 80 nm, d 4 = 50 nm, h = 50 nm, t = 30 nm, E f = 0,50 eV, τ = 0,50 ps, B = 300 K, t g = 0,35 nm

Untuk menemukan asal-usul fisik di atas empat puncak penyerapan, Gambar. 3 dan 4 plot distribusi medan listrik dan magnet pada panjang gelombang resonansi λ 1 , λ 2 , λ 3 , dan λ 4 . Pada panjang gelombang resonansi λ 1 , medan listrik terutama terkonsentrasi di dekat tepi kiri dan kanan disk nano Ag pertama dengan diameter d 1 (lihat Gambar. 3a), dan medan magnet sangat terbatas dalam SiO2 wilayah di bawah nanodisk Ag pertama (lihat Gbr. 4a). Distribusi medan seperti itu sesuai dengan eksitasi mode dipol magnetik [82,83,84,85,86], yang melangkah dari hibridisasi plasmon medan dekat antara nanodisk Ag pertama dan substrat Ag. Pada panjang gelombang resonansi λ 2 , λ 3 , dan λ 4 , medan elektromagnetik memiliki sifat distribusi yang sama, tetapi terlokalisasi di sekitar nanodisk Ag kedua, ketiga, dan keempat dengan diameter d 2 , d 3 , dan d 4 , masing-masing. Singkatnya, eksitasi dari empat mode dipol magnet independen menyebabkan munculnya empat puncak penyerapan pada Gambar. 2.

(a )-(d ) Intensitas medan listrik ternormalisasi yang sesuai (E /E di ) pada bidang xoz melintasi pusat pengatur jarak SiO untuk panjang gelombang resonansi , , , dan berlabel pada Gambar. 2. Panah merah menunjukkan arah medan, dan warna menunjukkan kekuatan medan

Sama seperti pada Gambar. 3, tetapi untuk intensitas medan magnet yang dinormalisasi (H /H di ) 2

Dalam metamaterial kami yang dirancang, hibridisasi plasmon medan dekat antara nanodisk Ag individu dan substrat Ag membentuk empat mode dipol magnet independen, yang menghasilkan peningkatan penyerapan multiband dari graphene monolayer dalam rentang panjang gelombang yang terlihat dari 450 hingga 800 nm, dengan penyerapan rata-rata efisiensi melebihi 50% (lihat Gambar 2). Panjang gelombang resonansi dari setiap mode dipol magnetik dapat dengan mudah disetel dengan mengubah diameter nanodisk Ag yang sesuai. Jika diameter nanodisk Ag divariasikan untuk puncak penyerapan pada Gambar. 2 untuk mendekati satu sama lain, pita absorpsi tinggi yang luas dari graphene monolayer akan terbentuk. Untuk mendemonstrasikan hal ini, Gambar 5a menyajikan spektrum serapan kejadian normal dari graphene monolayer, ketika diameter d 1 , d 2 , d 3 , dan d 4 dari empat nanodisk Ag masing-masing sama dengan 110, 90, 70, dan 50 nm. Dalam hal ini, peningkatan penyerapan pita lebar dalam rentang panjang gelombang dari 450 hingga 650 nm dicapai dengan desain spektral pada puncak serapan yang tumpang tindih, dengan efisiensi penyerapan terendah (tertinggi) lebih dari 50% (73%). Agar diameter nanodisk Ag ditingkatkan secara bertahap, pita serapan tinggi yang lebar ini digeser merah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b, c.

(a )-(d ) Spektrum serapan kejadian normal yang sesuai dari graphene monolayer dalam rentang panjang gelombang dari 450 hingga 800 nm dengan diameter empat nanodisk Ag bervariasi, tetapi parameter lainnya sama seperti pada Gambar. 2

Selain diameter nanodisk Ag, kita dapat menyetel posisi pita serapan dalam graphene monolayer dengan mengubah ketebalan t dari SiO2 pengatur jarak. Gambar 6 menunjukkan spektrum serapan kejadian normal dalam graphene monolayer, untuk t ditingkatkan dari 25 menjadi 45 nm. Dengan meningkatnya t , pita absorpsi dalam graphene monolayer akan memiliki pergeseran biru yang jelas, karena hibridisasi plasmon medan dekat antara nanodisk Ag individu dan substrat Ag menjadi lebih lemah dan dengan demikian mode dipol magnetik bergeser biru [83].

(a )-(d ) Spektrum serapan kejadian normal yang sesuai dari graphene monolayer dengan ketebalan SiO2 spacer meningkat dari 25 menjadi 40 nm dalam langkah 5 nm. Diameter nanodisk Ag adalah d1 =140 nm, d2 =120 nm, d3 =100 nm, d4 =80 nm, dan parameter lainnya sama seperti pada Gambar 2

Dalam perhitungan di atas, titik koordinat dari empat nanodisk Ag adalah (±p x /4, ±p y /4), jadi jarak pusat l antara nanodisk Ag tetangga terdekat adalah 200 nm. Dengan memvariasikan l , kita juga dapat menyetel posisi pita serapan dalam graphene monolayer. Gambar 7 memberikan spektrum serapan kejadian normal dalam graphene monolayer, untuk l diturunkan dari 220 menjadi 160 nm. Dengan berkurangnya l , pita absorpsi dalam graphene monolayer sedikit bergeser ke biru, karena interaksi plasmon di antara nanodisk Ag.

Sama seperti pada Gambar 6, tetapi untuk jarak pusat l antara nanodisk Ag tetangga terdekat dikurangi dari 220 menjadi 160 nm

Kesimpulan

Dalam karya ini, kami telah menyelidiki peningkatan penyerapan multiband dan broadband secara numerik dari graphene monolayer pada frekuensi optik dari beberapa resonansi dipol magnetik dalam metamaterial. Sel satuan dari metamaterial terdiri dari monolayer graphene yang diapit di antara empat nanodisk Ag dengan diameter berbeda dan SiO2 spacer pada substrat Ag. Hibridisasi plasmon medan dekat antara nanodisk Ag individu dan substrat Ag membentuk empat mode dipol magnetik independen, yang menghasilkan peningkatan penyerapan multiband dari graphene monolayer dalam rentang panjang gelombang yang terlihat. Ketika mode dipol magnetik disetel untuk tumpang tindih secara spektral dengan mengubah diameter nanodisk Ag, peningkatan penyerapan broadband tercapai. Posisi pita serapan dalam graphene monolayer juga dapat dikontrol, dengan memvariasikan ketebalan SiO2 spacer atau jarak antara nanodisk Ag. Hasil numerik mungkin memiliki beberapa aplikasi potensial dalam perangkat optoelektronik, seperti fotodetektor.

Singkatan

1D:

Satu dimensi

2D:

Dua dimensi

FDTD:

Domain waktu beda hingga


bahan nano

  1. Grafena di pengeras suara dan earphone
  2. Preparasi dan Sifat Magnetik dari Nanopartikel Spinel FeMn2O4 Kobalt-Doped
  3. Penataan Ulang Atom Sumur Kuantum Ganda Berbasis GaN dalam Gas Campuran H2/NH3 untuk Meningkatkan Sifat Struktural dan Optik
  4. Broadband Perfect Absorber dengan Monolayer MoS2 dan Hexagonal Titanium Nitrida Nano-disk Array
  5. Kemampuan Keamanan Hayati dan Antibakteri Grafena dan Grafena Oksida In Vitro dan In Vivo
  6. Efek Kopling Polariton Plasmon Permukaan dan Resonansi Dipol Magnet pada Metamaterial
  7. Evaluasi Struktur Grafena/WO3 dan Grafena/CeO x Sebagai Elektroda untuk Aplikasi Superkapasitor
  8. Persiapan Polietilena/Grafena Nanokomposit In situ Polimerisasi dengan Berat Molekul Ultra Tinggi melalui Struktur Spherical dan Sandwich Dukungan Grafena/Sio2
  9. Material dan Sifat Optik Titik Kuantum Karbon Fluoresen yang Dibuat dari Jus Lemon melalui Reaksi Hidrotermal
  10. Sifat Optik Film ZnO Al-Doped di Daerah Inframerah dan Aplikasi Penyerapannya