Metasurface Plasmonic Aktif Optik berdasarkan Hibridisasi In-Plane Coupling dan Out-of-Plane Coupling
Abstrak
Metasurfaces plasmonik telah menarik banyak perhatian dalam beberapa tahun terakhir karena banyak prospek aplikasi yang menjanjikan seperti switching polarisasi, peningkatan medan listrik lokal (FE), penyerapan hampir sempurna, penginderaan, perangkat cahaya lambat, dan nanoantenna. Namun, banyak masalah dalam aplikasi ini, seperti hanya kecepatan switching gigahertz dari sakelar elektro-optik, faktor kualitas rendah (Q) dari resonansi plasmonik, dan figure of merit (FOM) penginderaan yang relatif rendah, sangat membatasi pengembangan lebih lanjut dari metasurface plasmonic. . Selain itu, bekerja sebagai antena nano, juga merupakan tantangan untuk mewujudkan FE listrik lokal yang melebihi 100 dan penyerapan yang hampir sempurna di atas 99%. Di sini, masing-masing menggunakan metode elemen hingga dan metode domain waktu perbedaan hingga, kami pertama-tama melaporkan metasurface plasmonic yang dapat disetel secara optik berdasarkan hibridisasi kopling medan dekat dalam bidang dan kopling medan dekat di luar bidang, yang memberikan hasil yang baik solusi untuk masalah serius dan mendesak ini. Fenomena fisik transparansi yang diinduksi secara elektromagnetik diperoleh dengan interferensi destruktif antara dua mode plasmon. Pada saat yang sama, puncak penyerapan sempurna yang sangat tajam dengan faktor Q ultra tinggi (221,43) dicapai sekitar 1550 nm, yang dapat menghasilkan FOM ultra tinggi (214,29) dalam aplikasi penginderaan. Khususnya, dengan menggunakan CdO yang didoping indium, permukaan meta ini juga pertama kali ditunjukkan sebagai polarizer reflektif optik femtosecond di wilayah inframerah-dekat, yang memiliki rasio kepunahan polarisasi ultra-tinggi. Sementara itu, beroperasi sebagai antena nano, permukaan meta ini mencapai FE listrik lokal yang kuat secara simultan (|Elokasi |/|E0 |> 100) dan penyerapan hampir sempurna di atas 99,9% untuk pertama kalinya, yang akan menguntungkan berbagai aplikasi termasuk pemisahan air fotokatalitik dan penyerapan inframerah yang ditingkatkan permukaan.
Latar Belakang
Metasurfaces plasmonic, sebagai versi dua dimensi dari metamaterials, memiliki berbagai fenomena dan aplikasi yang menjanjikan termasuk switching polarisasi [1], beam rotator [2], resonansi Fano [3,4,5,6,7], nanoantennas [8] ,9,10], indeks bias negatif [11, 12], peredam hampir sempurna [13,14,15], dan selubung tembus pandang. Terutama, banyak perhatian telah diberikan untuk mempelajari fenomena transparansi yang diinduksi elektromagnetik (EIT) dan resonansi Fano berdasarkan metasurfaces plasmonik karena banyak aplikasi potensial seperti hamburan Raman yang ditingkatkan permukaan (SERS) [3], penyerapan inframerah yang ditingkatkan permukaan (SEIRA). ) [16], indeks bias penginderaan [17,18,19,20,21], dan penyimpanan informasi kuantum. Konsep resonansi EIT dan Fano keduanya awalnya ditemukan dalam sistem kuantum. EIT diperoleh dengan interferensi destruktif antara dua mode plasmon dalam sistem klasik. Kemudian, jika EIT dihasilkan ketika mode plasmon yang lebih sempit secara destruktif mengganggu mode plasmon yang lebih luas, spektrum yang dihasilkan akan memiliki bentuk garis Fano. Zhang dkk. pertama menyadari resonansi Fano dan EIT dalam struktur nano plasmonik dengan elemen terang dan gelap dalam satu bidang [22]. Namun, untuk sebagian besar metasurface plasmonik yang dilaporkan berdasarkan kopling plasmonik dalam bidang yang beroperasi di wilayah inframerah tampak atau dekat (NIR), kekuatan kopling ditentukan oleh ukuran celah yang akurat antara elemen resonansi, tetapi mencapai tepat, sub-10- Kesenjangan nm masih menjadi tantangan karena keterbatasan teknologi fabrikasi saat ini [8]. Tetapi struktur nano ini sangat bergantung pada jarak antar partikel yang kecil, yang tidak menguntungkan untuk produksi area yang luas. Berbeda dari metasurface berdasarkan in-plane coupling effect, Liu et al. eksperimental menunjukkan EIT plasmonik menggunakan susun vertikal dari elemen metamaterial untuk pertama kalinya [23]. Selanjutnya, sejumlah metamaterial (atau metasurfaces) berdasarkan desain planar atau vertikal dari struktur nano plasmonik baru-baru ini diusulkan dan didemonstrasikan untuk mencapai fenomena mirip EIT dan resonansi Fano [24,25,26,27,28,29,30,31 ,32,33,34,35]. Amin dkk. mendemonstrasikan bentuk garis spektral mirip Fano yang asimetris dan jendela EIT yang sempit sebagai respons dari resonator yang dibuat menggunakan bingkai emas dan patch graphene dalam satu bidang [17]. Namun, faktor kualitas resonansi Fano dalam struktur logam ini sangat rendah karena kehilangan optik pada logam yang menyebabkan perluasan signifikan dari resonansi plasmonik, yang juga merupakan masalah yang sangat umum dalam struktur nano plasmonik yang menggunakan logam [36,37,38, 39,40,41,42]. Sepengetahuan kami, faktor-Q dari resonansi Fano yang paling banyak dilaporkan di wilayah yang terlihat dan NIR umumnya lebih rendah dari 10 [36,37,38,39,40,41,42,43]. Baru-baru ini, Dayal et al. mendemonstrasikan metasurfaces metalik berbasis mode galeri bisikan yang mewujudkan resonansi plasmonik Fano Q tinggi (mencapai 79) pada frekuensi NIR [5]. Namun, resonansi Fano yang dilaporkan ini hanya dapat dicapai pada panjang gelombang tertentu, yang juga merupakan masalah umum lainnya yang secara serius membatasi perkembangan lebih lanjut dan penerapan resonansi Fano atau fenomena EIT. Manipulasi aktif resonansi Fano atau jendela EIT sangat diinginkan untuk banyak aplikasi praktis [19, 21, 35, 43]. Xia dkk. dirancang dan didemonstrasikan secara numerik sistem PIT merdu yang terdiri dari lapisan graphene yang melengkung secara sinusoidal dan planar, yang dapat menghindari salah satu pola dari lembaran graphene [44]. Pada tahun 2017, Yang dkk. eksperimental mencapai resonansi penyerapan yang sangat terkontrol dengan faktor kualitas tinggi, yang pertama kali ditunjukkan sebagai peralihan polarisasi optik femtosecond berdasarkan metasurface plasmonik di wilayah inframerah-tengah [1]. Selain itu, peningkatan medan listrik maksimum mencapai 41,8 juga diamati dalam pekerjaan ini. Diinginkan untuk menggunakan nanoantena plasmonik yang menghasilkan tidak hanya "titik panas" dengan peningkatan medan lokal yang besar tetapi juga penyerapan yang hampir sempurna. Meskipun kemajuan luar biasa dalam eksplorasi peningkatan peningkatan medan listrik lokal dan peningkatan penyerapan, mencapai peningkatan medan listrik lokal yang kuat (|Elokasi |/|E0 |> 100) dan penyerapan hampir sempurna (> 99%) secara bersamaan masih menjadi tantangan, yang akan menguntungkan berbagai aplikasi termasuk sensor plasmonik, pemisahan air fotokatalitik, SERS, dan SEIRA. Di sisi lain, kecuali untuk switching polarisasi yang dilaporkan oleh Yang et al. [1], sebagian besar perangkat selektif polarisasi tradisional, seperti pelat gelombang dan polarizer berdasarkan efek elektro-optik, baik statis atau beroperasi dengan kecepatan switching hanya gigahertz, yang dibatasi oleh elektronik yang diperlukan [45, 46]. Jadi, untuk fenomena atau penerapan efek EIT, resonansi Fano, dan nanoantenna plasmonik berdasarkan metasurface plasmonik, sebagian besar karya yang dilaporkan sebelumnya biasanya mengalami masalah serius dan mendesak ini:(i) perluasan resonansi plasmonik karena kehilangan optik yang besar dalam logam [5]; (ii) panjang gelombang operasi yang tidak dapat disesuaikan dari efek EIT atau resonansi Fano [35]; (iii) tantangan untuk mencapai peningkatan medan listrik lokal yang kuat (|Elokasi |/|E0 |> 100) dan penyerapan hampir sempurna (> 99%) secara bersamaan [8]; (iv) umumnya, hanya gigahertz kecepatan switching perangkat selektif polarisasi yang beroperasi di wilayah terlihat atau NIR [1].
Dalam karya ini, masing-masing menggunakan domain waktu perbedaan hingga (FDTD) dan metode elemen hingga (FEM), kami mengusulkan dan secara numerik mendemonstrasikan metasurface plasmonic yang aktif secara optik berdasarkan hibridisasi kopling dalam bidang dan sambungan di luar bidang. Dalam sistem metasurface ini, efek seperti EIT dapat dicapai dengan memecah simetri struktur, dan panjang gelombang operasi janda EIT dapat disetel dengan mengubah indeks bias lapisan CdO, yang dapat dikontrol secara optik dengan menyetel lampu pompa. [1]. Dalam spektrum refleksi mirip EIT ini, resonansi plasmonik faktor-Q tinggi diperoleh pada panjang gelombang 1550 nm, yang jauh lebih tinggi daripada karya yang dilaporkan sebelumnya [36,37,38,39,40,41,42,43 ]. Khususnya, karena independensi polarisasi metasurface, metasurface plasmonik ini menggunakan kadmium yang didoping-in juga dapat berfungsi sebagai sakelar polarisasi femtosecond untuk cahaya terpolarisasi TM pada 1550 nm. Dengan menyetel lampu pompa, kami secara spektral menggeser resonansi plasmonik, dan permukaan meta mencapai kedalaman modulasi besar dari pantulan cahaya terpolarisasi TM dari 0,003 hingga 60%, sambil mempertahankan refleksi hampir satu untuk gelombang terpolarisasi TE. Sepengetahuan kami, kedalaman modulasi yang begitu besar jauh lebih tinggi daripada sistem sakelar plasmonik yang dilaporkan sebelumnya [47,48,49,50,51,52,53,54,55]. Perhatikan bahwa sakelar polarisasi femtosecond pertama-tama ditunjukkan secara numerik berdasarkan metasurface plasmonic melalui hibridisasi kopling di dalam bidang dan di luar bidang. Pada saat yang sama, metasurface ini dapat mencapai penyerapan hampir sempurna di atas 99,9% dan peningkatan medan listrik maksimum mencapai 108 secara bersamaan, dan peningkatan listrik yang kuat dibatasi dalam area melingkar dengan diameter hanya 3 nm, yang sangat bermanfaat untuk satu deteksi molekul untuk banyak spektroskopi yang ditingkatkan permukaannya. Selain itu, karena sensitivitas perubahan indeks bias dan resonansi plasmonik ultra-tajam, permukaan meta ini juga dapat berfungsi sebagai sensor indeks refraktif figure of merit (FOM) ultra-tinggi.
Metode
Metasurface yang diusulkan secara skematis ditunjukkan pada Gambar. 1a. Gambar 1b menyajikan penampang satu unit sel metasurface dengan parameter geometris, yang terdiri dari dua kelompok batangan emas dan lapisan polimer. Setiap kelompok memiliki dua batangan emas yang dipisahkan oleh celah nano. Satu kelompok emas batangan ditempatkan pada lapisan polimer, dan kelompok emas batangan lainnya dibenamkan pada lapisan polimer. Array nanobar emas asimetris diatur secara berkala pada substrat emas tebal dengan periodisitas P = 1395 nm. Metasurface yang diusulkan diterangi oleh cahaya transversal-magnetik (TM) yang biasanya datang (komponen magnetik yang tegak lurus terhadap cahaya yang datang). Dalam perhitungan ini, untuk memastikan keandalan dan akurasi hasil simulasi, kami menggunakan metode FDTD dan FEM untuk menghitung sifat optik dan distribusi medan elektromagnetik dari metasurface yang diusulkan. Perhitungan FEM dilakukan oleh perangkat lunak komersial COMSOL MULTIPHYSICS. Kondisi batas periode diterapkan dalam x arah dan kami mengatur lapisan yang sangat cocok (PML) pada batas y arah. Ukuran mesh 0,8 nm di kedua x dan y arah. Permitivitas Au dijelaskan oleh model Drude, dan indeks bias polimer adalah 1,5 [36, 56, 57]. Latar belakang simulasi diasumsikan di udara dengan nudara = 1. Penyerapannya diberikan oleh A = 1 − R , karena substrat Au buram (T = 0) [58].
a Struktur skema dari metasurface yang diusulkan. b Penampang metasurface plasmonic dengan parameter geometris
Hasil dan Diskusi
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, kami menghitung dan menggambarkan spektrum refleksi dan penyerapan dari metasurface yang diusulkan sekitar 1550 nm pada kejadian normal di bawah cahaya terpolarisasi TM. Untuk spektrum serapan, ada dua puncak serapan berbeda yang terletak pada 1550 dan 1588 nm dengan efisiensi penyerapan yang hampir sempurna di atas 99,9%, masing-masing. Dari spektrum refleksi yang ditunjukkan pada Gambar. 2b, kami mengamati respons spektral mirip EIT dari metasurface ini dalam rentang panjang gelombang ini, dan hasil spektrum refleksi yang sama ditunjukkan masing-masing dengan menggunakan FDTD dan FEM. Spektrum refleksi dari metasurface yang diusulkan di bawah polarisasi TE (komponen listrik yang tegak lurus terhadap bidang insiden) juga disajikan pada Gambar. 2b dengan garis hitam, dan refleksi mendekati satu yang menunjukkan tidak ada penyerapan yang terjadi di metasurface ini untuk polarisasi TE. Ketergantungan polarisasi dari metasurface ini dapat dengan mudah dijelaskan dengan desain asimetris dari metasurface yang diusulkan. Oleh karena itu, metasurface ini berpasangan secara efisien untuk polarisasi TM dan tetap gelap untuk polarisasi TE.
a Spektrum serapan dan refleksi dari metasurface plasmonic ditunjukkan pada Gambar. 1. b Spektrum refleksi dari metasurface yang ditunjukkan pada Gambar. 1 dihitung dengan FDTD dan FEM, masing-masing. c Metasurface plasmonic terdiri dari dua batangan emas dengan jarak yang berbeda dari substrat emas. d Spektrum refleksi dari metasurface plasmonic ditunjukkan pada c
Untuk dengan mudah menjelaskan fenomena mirip EIT dari metasurface yang diusulkan pada Gambar. 2a, kami awalnya mempertimbangkan metasurface yang relatif sederhana tanpa nanoslit yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, yang terdiri dari dua nanobar emas dengan jarak yang berbeda dari substrat emas. Spektrum refleksi metasurface ini tanpa nanoslit dihitung dan digambarkan pada Gambar. 2d. Jelas, respons spektral seperti EIT dengan bentuk garis asimetris muncul, yang mungkin disebabkan oleh efek sambungan antara dua batangan emas. Kemudian, proses pemutusan simetri (Gbr. 3a-c) struktur diselidiki untuk memperjelas proses pembentukan yang mendasari jendela mirip EIT. Variasi spektrum reflektif dengan mengubah ∆d dihitung dan digambarkan pada Gambar. 3d. Untuk ∆d = 0, hanya ada satu penurunan refleksi sekitar 1653 nm di pita gelombang yang bekerja, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3e. Sebagai ∆d meningkat, kami melihat bahwa muncul respons spektral mirip EIT dengan dua penurunan refleksi (ωKiri dan ωKanan ). Jika semakin meningkat ∆d , ωKiri mode dapat ditingkatkan lebih lanjut, dan hasil yang dihitung ini menunjukkan bahwa ωKiri mode mungkin sangat relevan dengan nanobar emas A. Pada saat yang sama, dengan meningkatnya ∆d , panjang gelombang resonansi ωKiri mode menunjukkan sedikit pergeseran merah, dan panjang gelombang resonansi ωKanan mode tetap hampir tidak ada perubahan sekitar 1653 nm. Melalui analisis di atas, munculnya fenomena mirip EIT dapat berkontribusi pada asimetri struktur nano. Selain itu, untuk menginterpretasikan resonansi plasmonik pada 1395 nm dalam spektrum pantulan yang ditunjukkan pada Gambar 3d, g, spektrum pantulan dibandingkan antara metasurface yang dirancang dan struktur kisi logam (lihat sisipan dari Gambar 3g). Untuk struktur kisi logam, ada juga penurunan resonansi pada 1395 nm, yang dihasilkan dari eksitasi polariton plasmon permukaan (SPP) dari studi yang dilaporkan sebelumnya [58, 59]. Jadi, resonansi plasmonik metasurface ini pada 1395 nm disebabkan oleh eksitasi SPP.
a –c Proses pemutusan simetri dari metasurface plasmonic ditunjukkan pada Gambar. 2c. d Spektrum refleksi dari metasurface plasmonic dengan berbagai ∆d pada rentang panjang gelombang 1100-1800 nm. e Spektrum refleksi dari metasurface plasmonic dengan ∆d = 0 pada rentang panjang gelombang 1550–1800 nm. f Spektrum refleksi dari metasurface plasmonic dengan berbagai ∆d pada rentang panjang gelombang 1550-1800 nm. g Spektrum refleksi dari metasurface plasmonic dengan berbagai ∆d = 92 nm dan semua struktur logam pada rentang panjang gelombang 1100–1800 nm, masing-masing
Kemudian, kami juga masing-masing menyelidiki spektrum refleksi dari metasurface yang dibangun menggunakan sistem nanobar film-coupled hanya dengan nanobar emas A dan nanobar emas B, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, b. Saat dieksitasi dengan cahaya insiden TM secara terpisah, mode plasmon yang lebih sempit (ωA ) tereksitasi di metasurface dengan nanobar emas A, dan mode plasmon yang lebih luas (ωB ) diamati di metasurface dengan emas nanobar B. Untuk lebih jelas menggambarkan mekanisme fisik di balik dua mode plasmon ini, kami masing-masing menghitung distribusi medan magnet pada dua dips refleksi ini, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c, d. Panah merah menyajikan arus sedangkan peta warna menyajikan besarnya medan magnet. Untuk ωA mode yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, dapat diamati bahwa medan magnet terbatas pada celah antara nanobar emas A dan substrat emas. Selain itu, arus antiparalel diamati pada antarmuka logam internal atas dan bawah. Oleh karena itu, mode plasmon terutama terkait dengan resonansi magnetik yang disebabkan oleh arus yang bersirkulasi, dan energi cahaya yang datang dihamburkan oleh hilangnya ohmik logam, menyebabkan penurunan refleksi di ωA mode. Kemudian, untuk ωB mode pada Gambar. 4b, arus yang bersirkulasi berlawanan arah dengan arus ωA mode, yang juga dapat membangkitkan resonansi magnetik. Untuk sistem nanobar yang digabungkan film dengan nanobar emas A dan emas nanobar B, fenomena pada Gambar 5a juga dapat diperlakukan sebagai resonansi Fano ganda dengan dua kemiringan refleksi (ωKiri dan ωKanan ) karena bentuk garis asimetris [3]. Bentuk garis spektral seperti Fano yang asimetris dan jendela seperti EIT ini diperoleh dari interferensi destruktif antara mode plasmon yang lebih sempit (ωA ) ditunjukkan pada Gambar. 4a dan mode plasmon yang lebih luas (ωB ) ditunjukkan pada Gambar. 4b. Sepengetahuan kami, resonansi Fano pertama kali diamati dalam susunan terstruktur artifisial dari resonator berbentuk sama dengan posisi asimetris.
a Spektrum pantulan metasurface plasmonic dengan hanya nanobar emas A. b Spektrum refleksi dari metasurface plasmonic dengan hanya nanobar emas B. c Distribusi medan magnet terhitung H dari metasurface pada panjang gelombang resonansi ωA mode. d Distribusi medan magnet terhitung H dari metasurface pada panjang gelombang resonansi ωB mode. (Ketebalan emas A dan emas B adalah 92 nm; lebar emas A dan emas B adalah 92 nm; ketebalan polimer adalah 110 nm; periodenya 1395 nm)
a Spektrum refleksi dari metasurface plasmonic ditunjukkan pada Gambar. 2. b , c Distribusi medan magnet terhitung H dari metasurface pada panjang gelombang resonansi ωKiri mode dan ωKanan modus, masing-masing. d , e Distribusi medan listrik terhitung (|Elokasi |/|E0 |) permukaan meta pada panjang gelombang resonansi ωKiri mode danωKanan mode, masing-masing
Untuk mengeksplorasi lebih lanjut mekanisme fisik di balik dua resonansi plasmonik ini (ωKiri dan ωKanan ) ditunjukkan pada Gambar. 4c, medan magnet H dan medan listrik |Elokasi |/|E0 | distribusi pada panjang gelombang dari dua resonansi ini dihitung dan digambarkan pada Gambar. 5. Di satu sisi, menurut Gambar. 5b, c, medan magnet terutama terlokalisasi pada lapisan dielektrik antara nanobar emas dan substrat emas, yang adalah fitur utama dari sambungan tidak rata antara emas batangan dan substrat Au. Jelas, distribusi medan yang berbeda diamati untuk dua resonansi yang tereksitasi pada dua puncak serapan. Untuk ωKiri mode, medan magnet dilokalisasi di celah antara nanobar emas A dan substrat emas, menunjukkan bahwa ωKiri mode ini terkait erat dengan sambungan luar bidang antara nanobar emas A dan substrat emas, yang serupa tetapi tidak sama dengan medan magnet ωA mode pada Gambar. 4c karena sambungan antara ωA mode dan ωB mode. UntukωKanan mode, medan magnet dilokalisasi di celah nano antara nanobar emas B dan substrat. Oleh karena itu, ωKanan mode ini terutama berkontribusi pada sambungan di luar bidang antara nanobar emas B dan substrat emas. Di sisi lain, medan listrik sangat ditingkatkan dan terlokalisasi di area yang sangat kecil di tepi emas batangan. Kemudian, selain fenomena fisik EIT, metasurface ini juga dapat diperlakukan sebagai plasmonic nanoantennas (PNs), membatasi cahaya insiden ruang bebas ke wilayah sub-panjang gelombang dengan peningkatan medan lokal, yang merupakan penelitian yang sangat penting dan mendasar untuk sistem nanofotonik. Di sini, faktornya |Elokasi |/|E0 | didefinisikan untuk mengevaluasi kinerja peningkatan medan listrik lokal PN. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5d, e, peningkatan medan listrik lokal dari metasurface dapat mencapai setinggi 75. Namun, meskipun peningkatan medan listrik lokal dicapai dengan menggunakan sistem nanobar yang digabungkan film, menurut Gambar 4c, masih ada cukup banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk mewujudkan penyerapan yang hampir sempurna, yang menghasilkan kedalaman modulasi yang kecil. Dari penelitian sebelumnya [8], kita tahu bahwa mencapai peningkatan medan listrik lokal yang besar dan penyerapan yang hampir sempurna akan menguntungkan berbagai aplikasi, termasuk sensor plasmonik, pemisahan air fotokatalitik, SERS, dan SEIRA. Selain itu, struktur metasurface ini menunjukkan linewidth yang relatif lebih luas. Karena faktor Q resonansi plasmonik didefinisikan sebagai Q = λ/lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM), resonansi yang lebih luas akan menghasilkan resonansi plasmonik Q yang lebih rendah. Oleh karena itu, FWHM yang luas dan kedalaman modulasi yang kecil dari resonansi tersebut dapat menghambat aplikasi seperti penginderaan indeks bias, pengalihan polarisasi, dan memperlambat cahaya, di mana respons spektral yang tajam diinginkan.
Untuk secara bersamaan mewujudkan peningkatan medan listrik lokal yang besar, penyerapan yang hampir sempurna, dan resonansi faktor Q yang tinggi, di sini kami memperkenalkan konsep hibridisasi kopling plasmon di luar bidang dan kopling plasmon dalam bidang dalam karya ini. Jelas, dibandingkan dengan metasurface nanobar yang digabungkan film berdasarkan pada out-of-plane coupling, metasurface yang diusulkan pada Gambar. 1 ini memiliki sifat penyerapan yang unggul seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Khususnya, FWHM dari resonansi plasmonik pada 1550 nm adalah 7 nm , menghasilkan faktor-Q (Q = λ /FWHM = 1550 nm/7 nm) dari 221,43, yang jauh lebih tinggi daripada karya yang dilaporkan sebelumnya [36,37,38,39,40,41,42]. Kemudian, untuk mendapatkan wawasan fisik lebih lanjut tentang resonansi Fano Q tinggi dan penyerapan sempurna yang muncul dari permukaan meta asli pada Gambar. 1, kami memplot simulasi distribusi medan magnet dan listrik pada panjang gelombang resonansi 1550 nm (ω 1 ) dan 1588 nm (ω2 ), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Jelas, medan magnet terutama terletak di celah antara batangan emas dan substrat emas, dan sebagian medan magnet disebarkan ke nanosilt antara dua nanobar emas. Berbeda dari medan listrik yang hanya dihasilkan dari sambungan di luar bidang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5d, e, medan listrik dari metasurface yang diusulkan ini juga sangat terlokalisasi dalam area ultrakecil di antara dua batangan emas menurut Gambar 6c, d, yang menandakan sambungan plasmon permukaan lokal (LSP) yang kuat antara dua nanobar emas. Gambar 6c menunjukkan bahwa peningkatan medan listrik maksimum pada panjang gelombang resonansi dapat mencapai setinggi 108, sekitar 1,4 kali dibandingkan dengan satu-satunya metasurface yang digabungkan film yang ditunjukkan pada Gambar 5d, yang jauh lebih tinggi daripada nanoantenna yang dilaporkan sebelumnya [21 , 60,61,62,63,64,65]. Khususnya, kita dapat dengan jelas mengamati bahwa "titik panas" ultra-kecil yang ditampilkan oleh peningkatan listrik yang kuat dibatasi dalam area melingkar dengan diameter hanya 3 nm. Dengan demikian, sistem metasurface hibridisasi ini telah terbukti secara bersamaan memiliki penyerapan superior, peningkatan listrik lokal yang besar, dan resolusi lateral yang kecil, yang sangat membantu untuk menyelidiki sifat akurat molekul tunggal untuk banyak spektroskopi yang ditingkatkan permukaan, karena kemampuannya mendukung baik kopling LSP maupun di luar bidang.
a , b Distribusi medan magnet yang dihitung H dari metasurface pada panjang gelombang resonansi masing-masing 1550 dan 1588 nm. c , d Distribusi medan listrik terhitung (|Eloc |/|E0 |) dari metasurface pada panjang gelombang resonansi masing-masing 1550 dan 1588 nm
Dari hasil analisis pada Gambar. 2b, kita mengetahui bahwa metasurface berpasangan secara efisien untuk polarisasi TM dan tetap gelap untuk polarisasi TE, karena desain asimetris, yang memiliki aplikasi potensial dalam sakelar polarisasi. Kemudian, mengingat indeks bias PVA (poli(vinil alkohol) dapat diubah dengan perubahan daya pompa [36, 56, 57], panjang gelombang operasi resonansi plasmonik umumnya dapat diubah dengan memvariasikan indeks bias lapisan dielektrik. Kemudian, Gambar 7a,b mengilustrasikan bahwa metasurface yang diusulkan memang dapat bekerja sebagai sakelar polarisasi, yang didasarkan pada polarizer reflektif yang mengandung resonansi yang dapat disetel untuk cahaya terpolarisasi TM dengan mengubah indeks bias PVA. Jelas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b, tanpa stimulus eksternal, cahaya terpolarisasi TM diserap sepenuhnya pada panjang gelombang 1550 nm (status "mati"), dan permukaan meta ini dapat sepenuhnya memantulkan cahaya terpolarisasi TM pada panjang gelombang 1565 nm (kondisi "on") Dengan stimulus eksternal, resonansi Fano untuk gelombang terpolarisasi TM digeser ke 1565 nm (status "mati"), dan permukaan meta ini menjadi sepenuhnya reflektif untuk cahaya terpolarisasi TM pada kondisi 1550 nm ("on"). pada Gambar 7b, metasurface ini dapat nyata mengubah nilai refleksi dari 0,009 menjadi 98% pada 1550 nm, dan kedalaman modulasi yang begitu besar jauh lebih tinggi daripada sistem sakelar plasmonik yang dilaporkan sebelumnya. Di sisi lain, menurut Gambar. 7b, pantulan cahaya datang tetap dekat dengan satu dan tanpa stimulus eksternal untuk polarisasi TE (keadaan "on"). Oleh karena itu, metasurface ini dapat mewujudkan sakelar polarisasi untuk cahaya terpolarisasi TM berdasarkan polarizer reflektif dengan rasio pemadaman 11.000 (RTE /RTM = 0.99/0.00009 = 11.000) pada 1550 nm. Kami juga memberikan perhitungan tentang efek sudut polarisasi φ pada spektrum refleksi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c. Jelas, kinerja penyerapan secara bertahap akan memburuk pada panjang gelombang resonansi dengan meningkatnya φ , yang dapat dijelaskan dengan bahwa medan listrik yang datang E dapat diuraikan menjadi cahaya terpolarisasi TE dan TM dan cahaya terpolarisasi TE dipantulkan. Berdasarkan hasil yang dihitung pada Gambar. 7c, polarisasi keluaran yang diproyeksikan dari metasurface, dengan dan tanpa pompa, pada 1550 dan 1588 nm diplot pada Gambar. 7d.
a Struktur skema dari metasurface yang diusulkan dengan lampu pompa. b Spektrum refleksi dari metasurface yang diusulkan dengan cahaya insiden terpolarisasi TM dan TE, dengan dan tanpa cahaya pompa. c Spektrum refleksi dari metasurface yang diusulkan dengan berbagai sudut polarisasi. d Polarisasi keluaran yang diproyeksikan dari metasurface, dengan dan tanpa pompa, pada 1550 dan 1588 nm
CdO yang didoping dalam adalah salah satu jenis bahan plasmonik yang dapat disetel secara optik, dan sakelar polarisasi femtosecond yang beroperasi pada 2,8 m berdasarkan film CdO yang terfotoeksitasi telah ditunjukkan secara eksperimental dalam literatur terbaru [1]. Untuk lebih meningkatkan kapasitas merdu dari struktur EIT kami, kami menyelidiki sifat optik dari metasurface yang diusulkan menggunakan CdO [1]. Struktur skema dari metasurface berbasis CdO dengan parameter geometris digambarkan pada Gambar. 8a. Indeks bias MgO dan CdO diperoleh dari referensi [1, 66], masing-masing. Menurut Gambar. 8b, kami menunjukkan spektrum refleksi dengan dan tanpa pompa sekitar 1568 nm. Dalam keadaan "aktif" statis, metasurface yang diusulkan adalah polarizer yang mencerminkan gelombang terpolarisasi TE dan sepenuhnya menyerap gelombang terpolarisasi TM pada panjang gelombang 1568 nm. Dalam keadaan "mati" statis, permukaan meta yang diusulkan menjadi reflektif untuk polarisasi TM dan TE pada 1568 nm, dan resonansi untuk gelombang terpolarisasi TM bergeser ke 1581 nm, karena perubahan indeks bias CdO yang didoping-in oleh rangsangan eksternal. Khususnya, polarizer reflektif ini dapat mencapai rasio pemadaman yang sangat besar pada 1568 nm untuk cahaya terpolarisasi TM karena R yang sangat rendah menit ditunjukkan pada Gambar. 8b. Rasio kepunahan yang sangat besar dari metasurface berbasis CdO menjadikannya platform yang baik untuk kontrol polarisasi aktif. Perhatikan bahwa, indeks bias CdO dapat disetel dengan mengubah daya pompa, yang juga dapat mewujudkan kontrol aktif dari panjang gelombang operasi dari efek mirip EIT. Selain itu, kita dapat menemukan bahwa lampu pompa tidak memiliki pengaruh terhadap bahan lain (termasuk emas, MgO), yang telah ditunjukkan oleh eksperimen dalam referensi ini [1, 36, 56, 57].
a Schematic structure of the CdO-based metasurface with pump light. b The reflection spectra of the CdO-based metasurface with TM- and TE-polarized incident light, with and without pump light
Besides, for the sensitivity of refractive index from the above analysis, the proposed metasurface also can be applied to detect the change of refractive index of surrounding environment. In many previously reported works about refractive index sensing, the light intensity of reflection/transmission wave is usually measured when the surrounding refractive index is variable with a specific operating wavelength. Then, to demonstrate the sensing property of this metasurface, Fig. 9 presents that the double plasmonic resonances are red-shifted with the increasing of surrounding refractive index changes. With the variation of the surrounding refractive index, the sensitivity(S) can reach S = 1500 nm/RIU. Then, the FWHM of the reflection dip at ω1 and ω2 is 7 and 7.5 nm respectively, which indicate that this metasurface can operate as an ultra-high FOM(S/FWHM1 = 214.29) refractive index sensor in the near infrared region. The FOM = 214.29 is much higher than those of most previously reported plasmonic refractive index sensor [58, 67,68,69,70].
a Reflection spectra of the proposed metasurface with varying refractive index of surrounding environment. b Resonant wavelengths of the proposed metasurface as a function of the surrounding refractive index
Kesimpulan
In this work, a novel optically tunable hybridized metasurface is proposed and exploited to generate the EIT-like phenomena around 1550 nm, which hybridizes the in-plane near-field coupling between gold nanobars and the out-of-plane near-field between gold nanobars and substrate. For the traditional design of EIT-like metamaterials, two different shaped resonators, in planar or vertical arrangement, are working as bright mode and dark mode respectively, which can induce EIT effect by bright-dark mode coupling. However, in this structure, the two individual bright modes mainly result from the two same shaped resonators with different positions, which is neither a planar structure nor a vertical structure. The resulting two fundamental plasmon modes of the hybridized system are also investigated in detail. By introducing indium-doped CdO, the operating wavelength of the EIT-like phenomenon can be tuned optically. At the same time, this metasurface is firstly demonstrated to be a femtosecond polarization switch for TM-polarized light at 1550 nm, which can realize an extinction ratio (RTE /RTM ) much higher than that of previously reported polarization switches. Besides, operating as plasmonic nanoantennas, this metasurface also achieves a strong local field enhancement (|Eloc |/|E0 |> 100) and a near-perfect absorption (> 99%) simultaneously. Owing to these above advantages, this proposed metasurface is a promising candidate for femtosecond polarization switching, plasmonic nanoantennas, and high FOM refractive index sensor.
