Peningkatan Penyerapan Pita Lebar Tidak Sensitif pada Grafena Menggunakan Metasurface Beralur Banyak
Abstrak
Penyerap pita lebar graphene yang tidak peka terhadap sudut yang mencakup seluruh spektrum yang terlihat ditunjukkan secara numerik, yang dihasilkan dari beberapa sambungan resonansi dipol listrik dan magnet dalam alur logam yang sempit. Hal ini dicapai dengan mengintegrasikan lembaran graphene dengan metasurface multi-alur yang dipisahkan oleh spacer polimetil metakrilat (PMMA), dan efisiensi penyerapan rata-rata 71,1% dapat diwujudkan dalam kisaran spektral dari 450 hingga 800 nm. Lokasi puncak penyerapan graphene dapat disetel oleh kedalaman alur, dan bandwidth penyerapan dapat dikontrol secara fleksibel dengan menyesuaikan jumlah dan kedalaman alur. Selain itu, peningkatan penyerapan cahaya broadband graphene kuat terhadap variasi parameter struktur, dan sifat penyerapan yang baik dapat dipertahankan bahkan sudut datang ditingkatkan hingga 60°.
Latar Belakang
Grafena telah ditunjukkan sebagai kandidat yang baik untuk perangkat optoelektronik karena sifat elektronik, mekanik, dan optiknya yang luar biasa [1,2,3]. Untuk banyak aplikasi seperti deteksi foto dan sel surya, penyerapan graphene yang kuat diinginkan untuk menghasilkan sejumlah besar pasangan lubang elektron dan menghasilkan arus foto yang besar [4, 5]. Dari rentang terahertz hingga inframerah menengah, graphene berperilaku seperti logam dan dapat berfungsi sebagai penyerap yang baik karena respons plasmoniknya yang kuat [6,7,8]. Sebaliknya, di daerah yang terlihat dan dekat-inframerah, graphene menunjukkan penyerapan hampir panjang gelombang-independen sekitar 2,3% pada kejadian normal [9], yang secara serius membatasi aplikasi lebih lanjut dalam deteksi fotolistrik.
Dalam beberapa tahun terakhir, berbagai pendekatan telah disarankan untuk meningkatkan penyerapan cahaya graphene di daerah yang terlihat dan inframerah dekat, dan mekanisme fisik di balik peningkatan penyerapan graphene termasuk efek epsilon-near-zero [10], resonansi rongga [11, 12,13], reflektansi total yang dilemahkan [14], resonansi mode terpandu [15,16,17,18], kopling kritis [19,20,21], resonansi Fano [22, 23], resonansi plasmonik [24,25] ,26], dan resonansi magnetik [27,28,29]. Sayangnya, bandwidth dari absorber tersebut umumnya sempit karena sifat resonansinya. Baru-baru ini, ditunjukkan bahwa bandwidth penyerapan graphene dapat diperpanjang dengan meningkatkan saluran penyerapan cahaya [30,31,32,33,34,35]. Di satu sisi, dengan menggunakan patch resonator [30] atau array nanodisk Ag [31], peningkatan penyerapan cahaya dual-band graphene dapat dicapai. Lebih banyak saluran penyerapan cahaya graphene dapat diwujudkan dengan meningkatkan ketebalan pandu gelombang [32], dan peningkatan penyerapan broadband graphene dimungkinkan dengan menggunakan beberapa array nanodisk Ag [33]. Di sisi lain, saluran penyerapan sudut graphene dapat ditingkatkan dengan menggunakan konfigurasi refleksi-total yang dilemahkan [34], dan penyerapan graphene yang ditingkatkan seperti sisir yang rapat dapat diperoleh dengan eksitasi resonansi mode terpandu dari satu- kristal fotonik dimensi [35]. Dalam aplikasi nyata, peningkatan kopling graphene cahaya dalam rentang spektral yang luas sangat penting untuk perangkat seperti fotodetektor dan fotovoltaik. Namun, hanya ada sedikit penelitian tentang peningkatan penyerapan pita lebar graphene di wilayah yang terlihat dan dekat-inframerah, dan sangat diinginkan penyerap broadband sudut-sensitif dari graphene yang mencakup seluruh wilayah yang terlihat.
Dalam karya ini, penyerap broadband graphene sudut-tidak sensitif baru yang mencakup seluruh wilayah yang terlihat diusulkan dengan mengintegrasikan lembaran graphene dengan metasurface multi-alur. Pita penyerapan graphene yang ditingkatkan telah muncul dari beberapa kopling resonansi dipol listrik dan magnet yang terkurung dalam rongga alur. Pita penyerapan graphene dapat dikontrol secara fleksibel dengan menyesuaikan jumlah dan kedalaman alur. Efisiensi penyerapan yang tinggi dapat dipertahankan bahkan jika parameter struktur dan sudut datang diubah secara signifikan.
Metode
Gambar 1 menunjukkan diagram skema dari metasurface multi-alur yang diterangi oleh gelombang bidang TM (vektor medan magnet terletak di sepanjang y -axis) untuk peningkatan penyerapan broadband graphene yang tidak sensitif terhadap sudut. Sel satuan struktur terdiri dari lembaran graphene planar dan film perak berpola dengan lima alur yang dipisahkan oleh spacer polimetil metakrilat (PMMA). Lapisan PMMA berfungsi sebagai lapisan penyangga yang mengontrol sambungan antara graphene dan film perak berpola, dan juga dapat dengan mudah dipindahkan ke permukaan multi-alur dengan aplikasi spin-coating. Periode sel satuan adalah Λ , ketebalan pengatur jarak PMMA adalah t , ketebalan lapisan perak bawah adalah D , dan substratnya adalah silika. Geometri alur digambarkan dengan lebarnya w dan kedalamannya. Lebar kelima alur itu sama, dan kedalamannya d1 , d2 , d3 , d4 , dan d5 , masing-masing. Indeks bias PMMA adalah 1,49 [36], dan indeks bias kompleks film perak diambil dari Palik [37]. Lembaran graphene planar terdiri dari N lapisan graphene monolayer, dan ketebalan lembaran graphene adalah 3,4 nm sebagai N = 10 [11, 27]. Grafena lapisan tunggal dimodelkan sebagai permukaan yang sangat tipis dengan konduktivitas permukaan σg dihitung dari rumus Kubo [38, 39]. Pada suhu yang terbatas, dapat dibagi menjadi kontribusi intra dan interband:
dimana e dan ħ masing-masing adalah muatan dasar dan konstanta Planck tereduksi. kB adalah konstanta Boltzmann, μc adalah potensial kimia, Γ = 1/2τ adalah tingkat hamburan fenomenologis, dan τ adalah waktu relaksasi momentum. Parameter fisik graphene ditetapkan sebagai μc = 0,15 eV, T = 300 K, dan τ = 0,50 ps.
Dalam simulasi, metode finite-difference time-domain (FDTD) (solusi FDTD Lumerical) diadopsi untuk menghitung sifat penyerapan metasurface multi-alur berbasis graphene. Kondisi batas periodik (PBC) digunakan dalam x arah, sementara batas di z arah diadopsi sebagai lapisan yang sangat cocok (PML). Reflektifitas (R ) dan transmisivitas (T ) diperoleh dengan dua monitor di bagian atas dan bawah struktur. Lapisan perak bawah dipilih agar cukup tebal secara optik (D = 100 nm) untuk mencegah transmisi cahaya; oleh karena itu, penyerapan total (A ) dari struktur dapat direduksi menjadi A = 1–R . Penyerapan graphene (Ag ) dapat dihitung sebagai [24]:
dimana Pnaik (λ ) dan Pbawah (λ ) adalah daya yang melalui bidang atas dan bawah dari lembaran graphene pada panjang gelombang λ , masing-masing. Pdi (λ ) mewakili kekuatan insiden pada panjang gelombang λ . Dalam simulasi, Pdi (λ ) adalah kekuatan sumber cahaya, dan dua monitor daya dimasukkan di bidang atas dan bawah graphene untuk mendapatkan Pnaik (λ ) dan Pbawah (λ ). Kekuatan ini diekstraksi dari total medan dalam simulasi FDTD.
Hasil dan Diskusi
Gambar 2 menunjukkan respons spektral dari metasurface multi-alur tanpa dan dengan graphene. Parameter struktur, seperti jumlah alur, kedalaman dan lebar alur, dan ketebalan spacer PMMA, dioptimalkan untuk mendapatkan peningkatan penyerapan pita lebar di wilayah yang terlihat. Seperti dapat dilihat pada Gambar. 2a, metasurface multi-alur tanpa graphene dapat berfungsi sebagai penyerap plasmonik, dan penyerapan cahaya dapat ditingkatkan di wilayah yang terlihat karena efek plasmon permukaan dari film perak berstruktur nano. Lihat Gbr. 2b untuk metasurface multi-alur dengan graphene, dan penyerapan cahaya dapat ditingkatkan secara signifikan di seluruh wilayah yang terlihat. Rata-rata penyerapan struktur total mencapai 92,7% pada rentang panjang gelombang 400-800 nm, yang sebanding dengan banyak peredam plasmonik, baik dalam efisiensi penyerapan dan bandwidth penyerapan [40,41,42,43]. Menariknya, energi cahaya terutama dihamburkan dalam graphene daripada di perak. Efisiensi penyerapan graphene secara signifikan ditingkatkan di wilayah panjang gelombang yang diperpanjang, dan efisiensi penyerapan rata-rata mencapai 71,1% dalam rentang spektral dari 450 hingga 800 nm. Namun, karena mode plasmon permukaan hanya dapat dirangsang oleh polarisasi TM, tidak ada peningkatan penyerapan yang jelas untuk metasurface multi-alur di bawah iluminasi gelombang TE (lihat File tambahan 1:Gambar S1).
a Spektrum metasurface multi-alur tanpa graphene. b Spektrum serapan struktur total, grafena, dan perak untuk metasurface beralur banyak dengan grafena. Parameternya adalah Λ = 300 nm, t = 5 nm, dengan = 30 nm, D = 100 nm, d1 = 20 nm, d2 = 35 nm, d3 = 50 nm, d4 = 80 nm, d5 = 90 nm, N = 10, dan θc = 0°
Untuk mendapatkan wawasan tentang efek peningkatan penyerapan broadband graphene di bawah iluminasi gelombang TM, distribusi medan listrik dan magnet dari struktur untuk panjang gelombang yang berbeda diselidiki. Seperti yang dapat dilihat pada Gambar. 3, medan listrik sangat terkonsentrasi dan ditingkatkan di sekitar sudut alur logam, dan arahnya hampir sejajar dengan x -sumbu, sesuai dengan mode resonansi dipol listrik [44, 45]. Sebaliknya, medan magnet sangat ditingkatkan di rongga alur logam, dan arahnya tegak lurus dengan xoz -pesawat, sesuai dengan mode resonansi dipol magnetik [26, 46]. Kopling elektromagnetik dari resonansi dipol listrik dan magnet dalam alur logam sangat meningkatkan interaksi graphene cahaya, menghasilkan peningkatan penyerapan cahaya graphene. Perhatikan lokasi peningkatan medan terutama terkonsentrasi di alur dangkal untuk panjang gelombang pendek, dan bergeser ke alur yang lebih dalam saat panjang gelombang meningkat; sehingga beberapa kopling resonansi dipol listrik dan magnet dapat didukung untuk struktur multi-alur dengan kedalaman alur yang berbeda, menghasilkan penyerapan cahaya broadband graphene yang mencakup seluruh wilayah yang terlihat.
Distribusi normal medan listrik dan magnet dari sel satuan struktur pada panjang gelombang 450 nm untuk (a ) dan (b ); 600 nm untuk (c ) dan (d ); 750 nm untuk (e ) dan (f ). Area dasbor putih yang disisipkan adalah tampilan alur yang diperbesar, dan panah merah menunjukkan arah medan listrik. Parameter strukturnya sama seperti pada Gambar. 2
Untuk mengidentifikasi lebih lanjut lokasi puncak penyerapan graphene dari metasurface multi-alur, dipelajari sifat resonansi dari struktur beralur tunggal. Untuk struktur beralur tunggal yang ditunjukkan pada sisipan Gambar 4b, panjang gelombang resonansi rongga alur di bawah polarisasi TM diberikan sebagai [47]:
dimana M adalah nomor mode, dan M = 1 dalam perhitungan; neff adalah indeks bias efektif rongga alur, yang dapat setara dengan indeks bias mode pandu gelombang logam-isolator-logam (MIM). Hanya mode dasar TM0 dapat didukung karena lebar alur jauh lebih kecil dari panjang gelombang, dan yang sesuai neff dapat ditentukan dengan menggunakan dispersi mode genap dari pandu gelombang MIM [48]:
dimana εd dan εm adalah konstanta dielektrik PMMA dan perak, masing-masing; k0 adalah vektor gelombang cahaya datang, β adalah konstanta propagasi mode pandu gelombang MIM, dan neff = β /k0 .
Respon penyerapan graphene untuk struktur beralur tunggal seperti yang ditunjukkan pada gambar inset. a Respon penyerapan graphene sebagai fungsi dari kedalaman alur. b Hasil FDTD lokasi puncak serapan graphene sebagai fungsi kedalaman alur, dan hasil teoritis panjang gelombang resonansi sebagai fungsi kedalaman alur. Parameternya adalah Λ = 300 nm, t = 5 nm, N = 10, dan dengan = 30 nm
Seperti dapat dilihat pada Gambar. 4a, untuk struktur beralur tunggal, efisiensi penyerapan graphene meningkat seiring dengan bertambahnya kedalaman alur, dan puncak penyerapan graphene juga bergeser ke panjang gelombang yang lebih panjang. Seperti dapat dilihat pada Gambar. 4b, lokasi puncak serapan graphene sesuai dengan hasil teoritis dari panjang gelombang resonansi rongga alur. Kemiringan hasil FDTD adalah 8,48, yang mendekati kemiringan hasil teoretis 10,46. Menurut Persamaan. (5), lokasi puncak serapan graphene bergeser merah dengan bertambahnya kedalaman alur, dan menutupi seluruh wilayah yang terlihat karena kedalaman alur bervariasi dalam kisaran 20–90 nm. Oleh karena itu, lokasi puncak penyerapan graphene dapat disetel oleh kedalaman alur, dan penyerapan pita lebar graphene dapat diwujudkan jika beberapa alur dengan kedalaman alur yang berbeda diintegrasikan ke dalam sel satuan struktur, yang selanjutnya memverifikasi mekanisme fisik dari penyerapan cahaya broadband graphene untuk metasurface multi-alur. Namun, untuk periode yang tetap dan lebar alur yang tetap, bukan berarti semakin banyak jumlah alur, semakin baik kinerja penyerapan graphene (lihat File tambahan 1:Gambar S2). Dengan demikian, kinerja penyerapan graphene dapat dikontrol secara fleksibel dengan menyesuaikan jumlah dan kedalaman alur untuk konfigurasi multi-alur.
Untuk mengevaluasi lebih lanjut kinerja penyerapan graphene yang terintegrasi dengan metasurface multi-alur, pertama-tama kami menyelidiki pengaruh ketebalan lapisan spacer pada penyerapan cahaya graphene. Seperti dapat dilihat pada Gambar. 5, respons penyerapan graphene kuat terhadap variasi ketebalan lapisan pengatur jarak, dan pita serapan yang luas dapat dipertahankan karena ketebalan lapisan pengatur jarak ditingkatkan dari 5 nm menjadi 20 nm . Ketika ketebalan lapisan spacer meningkat, pita penyerapan graphene bergeser ke panjang gelombang yang lebih panjang karena peningkatan ketebalan optik struktur. Selain itu, karena lapisan pengatur jarak memiliki fungsi lapisan penyangga, yang mengontrol sambungan elektromagnetik antara alur logam dan grafena, efisiensi penyerapan rata-rata dari grafena menurun dengan bertambahnya ketebalan lapisan pengatur jarak.
Respon penyerapan graphene sebagai fungsi dari ketebalan lapisan spacer untuk struktur multi-alur, dan parameter lainnya sama seperti pada Gambar. 2
Gambar 6 menunjukkan pengaruh jumlah graphene monolayer dan lebar alur terhadap penyerapan cahaya graphene, dan dapat dilihat bahwa kinerja penyerapan graphene kuat terhadap variasi keduanya N dan dengan . Pada Gambar. 6a, penyerapan cahaya graphene dapat ditingkatkan secara luar biasa karena jumlah graphene monolayer ditingkatkan menjadi 10; namun, peningkatan penyerapan secara keseluruhan melambat untuk N> 10 dan menjadi jenuh sebagai N meningkat menjadi 30. Penyerapan cahaya graphene tidak selalu meningkat dengan bertambahnya jumlah graphene monolayer, dan fenomena serupa juga dapat diamati pada kisi-kisi pandu gelombang-resonansi berbasis graphene [49]. Pada Gambar. 6b, dapat dilihat bahwa pita serapan bergeser kebiruan seiring dengan bertambahnya lebar alur, dan penyerapan rata-rata mencapai maksimum pada nilai desain w = 30 nm untuk struktur total dan graphene di wilayah yang terlihat. Karena kopling elektromagnetik dari resonansi dipol listrik dan magnet terutama terbatas pada alur, penyimpangan dari nilai desain lebar alur dengan ± 10 nm akan sangat mempengaruhi kinerja penyerapan metasurface multi-alur.
a Respon penyerapan graphene sebagai fungsi dari jumlah graphene monolayer. b Spektrum serapan struktur total dan graphene sebagai fungsi lebar alur dengan N = 10. Parameter lainnya sama seperti pada Gambar 2
Kami juga menyelidiki kekokohan sudut dari penyerap graphene yang diusulkan yang terintegrasi dengan metasurface multi-alur. Pada Gambar. 7, seseorang dapat menemukan bahwa respons penyerapan graphene kuat terhadap variasi sudut datang. Dapat dihitung bahwa efisiensi penyerapan rata-rata 61,5% dapat dicapai bahkan pada θc = 60 ° dalam kisaran spektral 450-800 nm, dan pita serapan dipertahankan hampir sama meskipun sudut datang berubah secara signifikan. Ini karena peningkatan penyerapan pita lebar graphene yang terintegrasi dengan metasurface multi-alur berasal dari kopling resonansi dipol listrik dan magnet di rongga alur, yang hampir kebal terhadap variasi sudut datang. Performa penyerapan sudut tidak sensitif sangat penting karena kinerja penyerapan sebagian besar peredam berbasis graphene umumnya bergantung pada sudut datang [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25, 28,29,30,31,32,33,34,35]. Berbeda dari peredam berbasis graphene sebelumnya, struktur yang diusulkan memiliki pita serapan yang luas dan kinerja sudut-sensitif secara bersamaan, yang sangat diinginkan di berbagai bidang seperti peredam omnidirectional.
Respon penyerapan graphene sebagai fungsi dari sudut datang untuk struktur multi-alur, dan parameter lainnya sama seperti pada Gambar. 2
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, penyerap broadband graphene yang tidak sensitif terhadap sudut yang terintegrasi dengan metasurface multi-alur diusulkan dan properti penyerapan cahayanya diselidiki secara numerik. Pita serapan graphene mencakup seluruh wilayah yang terlihat, dan efisiensi penyerapan rata-rata 71,1% dapat diwujudkan dalam rentang spektral dari 450 hingga 800 nm. Pita penyerapan graphene yang diperpanjang telah muncul dari beberapa kopling resonansi dipol listrik dan magnet yang terkurung dalam rongga alur, dan mekanismenya dapat diverifikasi dengan menggunakan struktur beralur tunggal. Lokasi puncak penyerapan graphene dapat disetel oleh kedalaman alur, dan bandwidth penyerapan graphene dapat dikontrol secara fleksibel dengan menyesuaikan jumlah dan kedalaman alur. Sifat penyerapan pita lebar graphene hampir tidak terpengaruh oleh variasi ketebalan lapisan spacer, jumlah graphene monolayer, dan lebar alur. Secara khusus, spektrum penyerapan cahaya graphene tetap hampir sama bahkan pada sudut yang besar. Gagasan menggunakan metasurface multi-alur untuk memperluas pita interaksi antara cahaya dan graphene juga dapat diadopsi di wilayah inframerah-dekat dan perangkat optoelektronik berbasis graphene lainnya.
