Peningkatan Performa Tinggi Polarizer Metasurface Melalui Analisis Numerik Karakteristik Degradasi

Hasil dan Diskusi

Gambar 2a menggambarkan skema polarizer metasurface tiga lapis. Lapisan pertama memiliki struktur pelengkap untuk lapisan ketiga (lihat Gambar 2b), dengan kedua lapisan terdiri dari perak (Ag). Lapisan kedua dan substrat terdiri dari silika (SiO₂ ). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1c, permukaan meta memiliki susunan pasangan lubang persegi panjang (150 nm × 540 nm) dan memiliki periode 900 nm di x dan y arah. Ketebalan lapisan logam dan dielektrik masing-masing adalah 45 dan 200 nm (lihat Gambar 2d). Sampel disiapkan dengan litografi nanoimprint ditambah dengan teknik etsa kering berikutnya [35]. Rincian preparasi sampel dijelaskan dalam [26]. Gambar 3 menunjukkan gambar mikroskop elektron pemindaian (SEM) dari sampel yang disiapkan.

Skema polarizer metasurface (a ) yang terdiri dari tiga lapisan (b ). Metasurface memiliki susunan pasangan lubang persegi panjang dengan periode 900 nm di x dan y petunjuk arah (c ). Ketebalan lapisan logam dan dielektrik masing-masing adalah 45 dan 200 nm (d )

Gambar SEM dari a polarizer metasurface dan b gambar yang diperbesar

Kami menggunakan spektrofotometer (V-7200, JASCO, Jepang) untuk mengukur transmitansi sampel untuk x dan y polarisasi. Gambar 4 menunjukkan hasil yang diukur. Garis biru dan hijau menunjukkan transmisi untuk x dan y polarisasi, masing-masing. Garis biru yang sesuai dengan transmitansi tinggi diukur dengan rasio S/N yang tinggi. Namun, garis hijau yang sesuai dengan transmitansi rendah menderita rasio S/N yang rendah, sehingga menunjukkan bahwa polarizer memiliki rasio pemadaman yang tinggi. Secara khusus, garis hijau memiliki sinyal negatif pada panjang gelombang lebih dari 1350 nm karena intensitas cahaya yang ditransmisikan berada di bawah tingkat kebisingan spektrofotometer. Oleh karena itu, kami menggunakan sistem optik yang dijelaskan di bagian sebelumnya untuk mengukur rasio kepunahan yang tinggi.

Spektrum transmitansi diukur dengan spektrofotometer. Garis biru dan hijau adalah spektrum untuk x dan y polarisasi, masing-masing

Gambar 5a menunjukkan spektrum transmitansi terukur untuk x dan y polarisasi. Garis biru yang sesuai dengan transmitansi tinggi memiliki profil spektral yang sama dengan transmitansi yang diukur dengan spektrofotometer. Garis hijau yang sesuai dengan transmitansi rendah memiliki kemiringan yang jelas di sekitar panjang gelombang 1625 nm, yang tidak diukur dengan spektrofotometer. Dengan membagi transmitansi untuk x polarisasi dengan itu untuk y polarisasi, kami mengevaluasi spektrum rasio kepunahan yang ditunjukkan pada Gambar. 5b. Spektrum rasio kepunahan memiliki nilai puncak melebihi 20.000 di sekitar panjang gelombang 1640 nm.

a Spektrum transmisi untuk x (biru) dan y polarisasi (hijau) diukur dengan pengaturan yang ditunjukkan pada Gambar 1. b Spektrum rasio kepunahan dari metasurface polarizer

Untuk mempertimbangkan validitas data terukur, kami membandingkan spektrum terukur dengan hasil perhitungan numerik. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 6a, spektrum transmitansi tinggi konsisten dengan spektrum yang diukur dengan spektrofotometer. Spektrum transmitansi rendah, yang ditampilkan dalam skala logaritmik, memiliki kemiringan yang jelas di sekitar panjang gelombang 1640 nm. Fitur ini sangat sesuai dengan spektrum yang diamati. Spektrum rasio kepunahan ditunjukkan pada Gambar. 6b memiliki puncak 15.000, yang dekat dengan nilai yang diamati. Dengan demikian, spektrum transmitansi dan rasio kepunahan yang diukur konsisten dengan hasil perhitungan numerik, yang menunjukkan bahwa kami telah berhasil mengamati rasio kepunahan yang tinggi melebihi 20.000.

Hasil perhitungan numerik dari a transmisi dan b spektrum rasio kepunahan. Garis biru dan hijau di a sesuai dengan x dan y polarisasi, masing-masing

Mengikuti demonstrasi eksperimental metasurface dengan rasio kepunahan tinggi, kami fokus pada stabilitas terhadap degradasi waktu karena metasurface terdiri dari Ag, yang tunduk pada degradasi di atmosfer. Gambar 7 menunjukkan degradasi waktu dari rasio kepunahan. Garis merah, hijau, dan biru adalah spektrum rasio kepunahan yang diamati berturut-turut setelah 6, 7, dan 9 hari setelah pengendapan logam. Garis merah memiliki nilai puncak melebihi 20.000. Setelah satu hari pengukuran garis merah, rasio kepunahan menurun tetapi masih memiliki nilai puncak melebihi 10.000. Namun, dua hari setelah pengukuran garis hijau, rasio kepunahan menurun secara signifikan dan memiliki nilai puncak 500. Garis biru memiliki lebar garis yang melebar, menunjukkan bahwa peningkatan kerugian akan terlibat dalam degradasi ini. Dengan demikian, rasio kepunahan menunjukkan penurunan drastis dan kinerja menurun satu urutan besarnya. Kami juga menemukan puncak pergeseran biru dari spektrum rasio kepunahan setelah degradasi. Sebuah studi tentang faktor penting yang melibatkan penurunan kinerja dijelaskan.

Degradasi waktu dari rasio kepunahan. Garis merah, hijau, dan biru merupakan spektrum rasio kepunahan selama 6, 7, dan 9 hari setelah pengendapan logam

Degradasi berlangsung cepat, dan lebar garis spektrum kepunahan meluas, menunjukkan bahwa beberapa perubahan struktural akan terlibat dalam proses degradasi ini. Oleh karena itu, kami menyelidiki cara di mana morfologi permukaan struktur nano logam mempengaruhi kinerja polarizer. Untuk menggambarkan morfologi, kami memperkenalkan dua model. Satu menggambarkan permukaan dengan kurva periodik dengan white noise Gaussian dan yang lainnya dengan nanopartikel yang didistribusikan secara acak.

Pertama, kami menyelidiki model menggunakan kurva periodik. Gambar 8a menggambarkan permukaan yang dimodelkan. Kami memperkenalkan kekasaran hanya di lapisan logam bawah untuk menghemat waktu CPU dan sumber daya memori. Karena permukaan yang kasar, ketebalan efektif lapisan logam bervariasi. Oleh karena itu, kami memvariasikan ketebalan lapisan bawah yang ditunjukkan oleh panah hijau pada Gambar. 8b. Gambar 9a, b masing-masing menunjukkan spektrum transmisi dan rasio kepunahan dari struktur ini. Bahkan di hadapan kekasaran, polarizer metasurface memiliki rasio kepunahan tinggi dari urutan 10.000, menunjukkan bahwa kekasaran tidak secara signifikan menurunkan kinerja. Perhitungan numerik juga menunjukkan spektrum pergeseran merah dari rasio kepunahan dengan penurunan ketebalan. Pergeseran merah ini dijelaskan oleh fitur spektral transmisi yang ditunjukkan pada Gambar. 9a. Transmisi tinggi memiliki sensitivitas yang sangat rendah dalam kaitannya dengan variasi ketebalan logam, sedangkan transmisi rendah memiliki posisi red-shifted dip dengan penurunan ketebalan. Posisi puncak rasio kepunahan tergantung pada kemiringan transmitansi rendah, yang menghasilkan pergeseran merah. Pergeseran merah yang muncul dalam perhitungan tidak sesuai dengan fitur pergeseran biru yang diamati secara eksperimental.

a Permukaan kasar dimodelkan menggunakan kurva periodik dengan white noise Gaussian. b Ketebalan dasar yang ditunjukkan oleh panah hijau bervariasi dalam perhitungan

a Transmisi dan b spektrum rasio kepunahan model pertama ditunjukkan pada Gambar. 8. Ketebalan dasar lapisan logam bawah bervariasi dari 40 hingga 55 nm dengan langkah 5 nm

Kedua, kami menyelidiki model dengan nanopartikel. Gambar 10a menggambarkan permukaan model, di mana nanopartikel dengan jari-jari 15, 20, dan 25 nm didistribusikan secara acak pada permukaan struktur logam bawah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10b. Kami menempatkan nanopartikel berbentuk belahan bumi di permukaan sesuai dengan angka acak yang terdistribusi secara merata. Di bawah distribusi acak, beberapa partikel memiliki sedikit tumpang tindih spasial dan ukuran mesh antara partikel menjadi sangat memakan memori. Dalam hal ini, untuk menghemat memori, kami secara manual menggeser salah satu partikel dan menurunkan ukuran mesh. Kami mengatur ketebalan struktur bawah menjadi 40 nm. Gambar 11a, b masing-masing menunjukkan spektrum transmisi dan rasio kepunahan dari struktur ini. Mirip dengan model pertama, spektrum rasio kepunahan memiliki nilai puncak orde 10.000, dan tidak terdegradasi secara signifikan. Puncak pergeseran merah juga muncul di hadapan nanopartikel. Fitur-fitur ini juga sama dengan yang diamati pada model pertama, tetapi tidak sesuai dengan hasil eksperimen karakteristik degradasi dan pergeseran biru.

a Tampilan atas dan b pandangan mata burung dari permukaan kasar yang dimodelkan menggunakan nanopartikel yang didistribusikan secara acak

a Transmisi dan b spektrum kepunahan model kedua ditunjukkan pada Gambar. 10

Pada tahap ini, kami telah menunjukkan secara numerik bahwa variasi morfologi permukaan tidak secara signifikan menurunkan kinerja polarizer metasurface. Kekokohan morfologi ini dikaitkan dengan prinsip Babinet. Prinsip Babinet tidak mengacu pada morfologi permukaan tetapi mengacu pada layar struktur pelengkap. Polarizer berperforma tinggi berdasarkan prinsip ini tidak terlalu terpengaruh oleh morfologi karena saringan tidak berubah bahkan dengan adanya kekasaran permukaan, sehingga menghasilkan kekokohan morfologi. Oleh karena itu, sebagai asal degradasi, kita perlu mempertimbangkan efek lain dari morfologi permukaan. Di sini, kami fokus pada kehilangan logam yang terkait dengan morfologi. Dengan meningkatnya kekasaran permukaan, bagian imajiner Ag meningkat karena efek hamburan permukaan dan batas butir [36, 37]. Peningkatan kerugian ini dijelaskan oleh konstanta redaman model Drude yang digambarkan sebagai γ =ρ n e ² /m _e , di mana ρ , n , e , dan m _e berturut-turut adalah resistivitas listrik, kerapatan elektron, muatan elektron, dan massa elektron efektif. Resistivitas terdiri dari dua istilah. Salah satunya adalah resistivitas massal dan yang lainnya adalah permukaan. Resistivitas permukaan ρ _s berbanding terbalik dengan panjang korelasi lateral ξ , yaitu, ρ _s ξ ⁻¹ [38]. Dengan meningkatnya kekasaran, panjang korelasi lateral ξ menurun, sehingga menghasilkan resistivitas permukaan yang lebih tinggi dan kehilangan logam. Mekanisme fisik ini tidak termasuk dalam perhitungan karena kondisi batas periodik digunakan dan struktur periodik kasar diasumsikan. Kami mempertimbangkan efek dari peningkatan kehilangan logam ini pada rasio kepunahan dan memodifikasi permitivitas Ag sebagai berikut:

dimana ε _Ag adalah permitivitas Ag yang diperoleh dari [32], C adalah konstanta yang mewakili peningkatan kehilangan logam, dan i menunjukkan unit imajiner. Perhatikan bahwa bagian nyata dari permitivitas harus dimodifikasi mengikuti kenaikan bagian imajiner karena bagian nyata dan imajiner dihubungkan oleh hubungan Kramers-Kronig. Dalam penelitian ini, kami hanya memodifikasi bagian imajiner untuk melakukan diskusi kualitatif. Dengan menggunakan permitivitas yang dimodifikasi ini, kami menghitung spektrum rasio kepunahan. Hasil ini ditunjukkan pada Gambar. 12, di mana konstanta C bervariasi dari 1 sampai 5. Rasio kepunahan menurun drastis dengan peningkatan kehilangan logam. Selain itu, posisi puncak spektrum menunjukkan fitur pergeseran biru dengan peningkatan kerugian. Fitur-fitur dari degradasi drastis dan pergeseran biru ini sangat cocok dengan fitur-fitur yang diamati secara eksperimental. Asal usul pergeseran biru ini dijelaskan sebagai berikut. Nilai dip transmitansi rendah menjadi semakin dangkal dengan meningkatnya kehilangan logam. Akibatnya, kontribusi dari nilai puncak transmitansi tinggi terhadap rasio kepunahan meningkat. Posisi puncak memiliki ketidakpekaan yang kuat terhadap kehilangan logam dan berada pada panjang gelombang yang lebih pendek daripada posisi dip, menghasilkan pergeseran biru dari spektrum kepunahan. Jadi, kami telah menemukan bahwa peningkatan bagian imajiner merupakan faktor penting yang bertanggung jawab atas degradasi.

Ketergantungan kehilangan logam dari spektrum kepunahan. Garis hitam, merah, biru, hijau, dan magenta sesuai dengan kasus C =1,2,3,4, dan 5, masing-masing

Kami mengusulkan bahwa rasio kepunahan ditingkatkan dengan memvariasikan ketebalan lapisan logam pelengkap. Posisi puncak dari transmitansi tinggi terletak pada panjang gelombang yang lebih pendek daripada posisi dip dari transmitansi rendah. Untuk meningkatkan rasio kepunahan, posisi puncak dan kemiringan ini harus saling berdekatan. Menurut prinsip Babinet, puncak dan kemiringan harus berada pada panjang gelombang yang sama. Namun, prinsip tersebut mengasumsikan bahwa struktur pelengkap terdiri dari konduktor listrik sempurna dengan ketebalan yang sangat tipis, yang sulit untuk divalidasi di wilayah optik bahkan di bawah perkiraan. Akibatnya, struktur komplementer memiliki panjang gelombang resonansi yang berbeda. Untuk menyesuaikan panjang gelombang, kami mempertimbangkan karakteristik mode eigen yang bertanggung jawab atas resonansi. Gambar 13a, b menunjukkan pola distribusi medan listrik dan magnet masing-masing pada posisi puncak dan dip dari transmitansi yang ditunjukkan pada Gambar 6. Distribusi bidang ini digambarkan dalam z x pesawat di y =0 di bawah intensitas cahaya datang 1 W. Mode eigen dari transmitansi tinggi memiliki karakteristik dipol listrik di struktur logam atas, sedangkan transmisi rendah memiliki karakteristik loop magnetik di struktur bawah. Panjang gelombang resonansi untuk transmitansi tinggi ditentukan oleh lebar lubang udara di z x pesawat. Ini adalah parameter tetap dan tidak mungkin untuk disesuaikan. Di sisi lain, panjang gelombang resonansi untuk transmitansi rendah ditentukan oleh penampang struktur bawah di z x pesawat. Ini dapat disesuaikan dengan memvariasikan ketebalan logam. Penyesuaian ini konsisten dengan ketergantungan ketebalan transmitansi bahwa posisi puncak transmitansi tinggi memiliki sensitivitas rendah terhadap ketebalan lapisan logam bawah sedangkan posisi dip dari transmitansi rendah memiliki sensitivitas tinggi. Berdasarkan analisis ini, kami menyesuaikan panjang gelombang sebagai berikut. Dengan peningkatan ketebalan, penampang meningkat dan panjang gelombang resonansi dari transmitansi rendah bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek. Akibatnya, posisi puncak dan kemiringan menjadi dekat dan rasio kepunahan ditingkatkan. Untuk mengkonfirmasi ini, kami menghitung ketergantungan spektrum transmisi dan rasio kepunahan pada ketebalan. Dalam perhitungan ini, kami menetapkan ketebalan lapisan logam atas menjadi 45 nm. Gambar 14a menunjukkan spektrum transmitansi untuk x dan y polarisasi. Dengan bertambahnya ketebalan, posisi dip dari transmitansi rendah bergeser ke panjang gelombang yang lebih pendek dan dip menjadi lebih dalam. Di sisi lain, posisi puncak transmitansi tinggi tidak terlalu dipengaruhi oleh variasi ketebalan meskipun nilai puncak menurun 5%. Gambar 14b menunjukkan spektrum rasio kepunahan. Ketika ketebalan 35 atau 40 nm, kemiringan transmitansi rendah menjadi lebih dangkal daripada 45 nm, menghasilkan rasio kepunahan yang lebih rendah. Ketika ketebalannya 50 atau 55 nm, hampir tidak ada peningkatan. Hal ini karena peningkatan dengan penyesuaian posisi puncak dan dip dibatalkan oleh penurunan nilai puncak transmitansi tinggi. Ketika ketebalannya adalah 60 atau 65 nm, ada peningkatan yang jelas dalam rasio kepunahan. Hal ini disebabkan kombinasi dari nilai dip yang lebih dalam dan peningkatan dengan penyesuaian posisi. Seperti yang telah kami tunjukkan secara numerik, peningkatan lebih lanjut dari rasio kepunahan dapat diwujudkan dengan menyesuaikan ketebalan struktur logam pelengkap. Ketebalan yang bervariasi seperti itu dapat diwujudkan dengan deposisi logam yang berulang. Pertama, pengendapan logam dengan ketebalan a dilakukan pada substrat berpola. Kemudian, dengan menyeka dengan kain bersih, hanya lapisan logam atas yang dihilangkan dari permukaan substrat dengan ketebalan logam a . Selanjutnya, pengendapan logam dengan ketebalan b dilakukan pada sampel. Akibatnya, ketebalan lapisan atas dan bawah menjadi b dan a +b , masing-masing.

a Pola distribusi medan listrik pada puncak transmitansi tinggi ditunjukkan pada Gambar 6. b Pola distribusi medan magnet pada penurunan transmitansi rendah ditunjukkan pada Gambar 6. Warna semu menunjukkan intensitas medan vektor

a Transmisi dan b spektrum rasio kepunahan ketika lapisan logam komplementer memiliki ketebalan yang berbeda. Ketebalan lapisan logam atas ditetapkan menjadi 45 nm, sedangkan lapisan bawah bervariasi dari 35 hingga 65 nm dengan langkah 5 nm (lihat sisipan di b )