Desain Jarak Diskrit Sempit Penyerap Metamaterial Terahertz Dual-/Triple-Band
Abstrak
Berbagai macam desain struktur telah diusulkan untuk mencapai peredam metamaterial multi-band. Namun, jarak diskrit frekuensi yang berdekatan dari beberapa peredam cukup besar, yang pasti akan mengabaikan sejumlah besar informasi yang tersembunyi di daerah penyerapan off-resonansi. Di sini, jarak diskrit sempit penyerap terahertz dual-band berdasarkan dua pasang strip Au/lapisan dielektrik yang didukung oleh film Au dirancang. Dua absorptivitas hampir 100% dari puncak resonansi yang memiliki jarak diskrit hanya 0,30 THz direalisasikan. Jarak diskrit relatif perangkat adalah 13,33%, dan nilai ini dapat disesuaikan melalui perubahan panjang strip Au. Selanjutnya, kami menyajikan dua jarak diskrit sempit dari penyerap triple-band melalui penumpukan satu pasang lagi strip Au dan lapisan dielektrik. Hasil membuktikan bahwa dua jarak diskrit hanya 0,14 THz dan 0,17 THz dalam mode penyerapan yang berdekatan dari dua yang pertama dan dua yang terakhir dicapai, masing-masing; jarak relatif diskrit masing-masing adalah 6,57% dan 7,22%, jauh dari laporan sebelumnya. Jarak diskrit yang sempit (atau nilai jarak diskrit relatif yang rendah) dari peredam multi-pita memiliki banyak aplikasi dalam penyelidikan beberapa informasi tersembunyi dalam frekuensi yang sangat dekat.
Pengantar
Penyerap sempurna metamaterial (disingkat MPA) sebagai bagian penting dari perangkat penyerapan optik telah menarik banyak kegiatan penelitian karena mereka memiliki banyak keunggulan dibandingkan yang lain, seperti penyerapan ~ 100%, ketebalan lapisan dielektrik yang sangat tipis, bandwidth penyerapan yang sempit, dan kebebasan. desain struktur pola [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12]. Konsep desain pertama MPA [13], terdiri dari struktur sandwich resonator cincin listrik, lapisan dielektrik isolasi, dan strip logam, dipresentasikan oleh kelompok peneliti dari Boston College pada tahun 2008. Puncak resonansi dengan tingkat penyerapan lebih tinggi dari 88% pada frekuensi 11.5 GHz dapat diperoleh secara eksperimental. Ketebalan dielektrik perangkat hanya sekitar 1/35 dari panjang gelombang penyerapan, yang jauh lebih kecil dari perangkat penyerapan sebelumnya. KKL dengan fitur-fitur ini berpotensi digunakan dalam bolometer, penginderaan, deteksi, dan pencitraan. Namun, sudut penerimaan yang sempit, sensitivitas polarisasi, dan respons penyerapan pita tunggal adalah kelemahan dari KKL yang disajikan.
Untuk mengatasi masalah ini [14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24], banyak karya telah disarankan untuk mengembangkan wide-angle, polarization-insensitive, multiple-band dan bahkan broadband. KKL melalui optimalisasi desain struktur yang wajar. Misalnya, MPA optik sudut lebar berdasarkan susunan tumpukan 1 dimensi dari struktur resonansi disarankan dalam ref. [18]. Resonator cincin logam bersarang didemonstrasikan untuk mendapatkan penyerapan resonansi pita ganda [19,20,21,22,23]. Dalam proses pengembangan dan penelitian perangkat penyerapan, MPA multi-band, yang dapat digunakan untuk beberapa deteksi barang berbahaya (dinamit, detonator, dan alkohol), pencitraan spektroskopi (berbagai jenis pisau yang dikendalikan), penginderaan, dan bolometer selektif, telah menerima perhatian yang luar biasa [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30].
Secara umum, tiga jenis metode dapat digunakan untuk mencapai KKL multi-band. Metode pertama, biasanya disebut sebagai metode konstruksi coplanar, dibentuk oleh beberapa ukuran resonator yang berbeda dalam struktur unit super [19,20,21,22,23,24,25,26]. Yang kedua disebut metode tumpuk vertikal, terdiri dari tumpukan alternatif dari beberapa dimensi diskrit elemen [27,28,29,30]. Yang ketiga adalah kombinasi dari dua metode pertama [31, 32]. Meskipun pendekatan ini dapat berkembang dan mengembangkan KKL multi-band, jarak diskrit dari frekuensi resonansi dari puncak serapan yang berdekatan cukup besar. Jarak diskrit yang besar dalam dua frekuensi yang berdekatan pasti akan mengabaikan banyak informasi yang tersembunyi di area off-resonansi, yaitu area diskrit. Oleh karena itu, untuk menghindari hilangnya informasi, jarak diskrit yang besar dari KKL multi-pita harus diatasi. Meskipun jarak diskrit KKL multi-pita dapat dikurangi melalui optimasi struktur yang sesuai, area penyerapan off-resonansinya relatif besar (lebih besar dari 60%), mereka harus disebut KKL broadband [33,34,35,36 ,37,38,39,40], bukan KKL multi-band. Seperti yang diketahui semua orang, MPA multi-band dan broadband pada dasarnya berbeda dalam aplikasinya. Oleh karena itu, perlu untuk memastikan tingkat penyerapan yang rendah (kurang dari 60%) dari area yang tidak beresonansi dalam optimasi untuk pengurangan jarak diskrit.
Bahkan, jarak diskrit relatif harus lebih bermakna daripada jarak diskrit karena dapat mencerminkan informasi sebenarnya dari dua frekuensi yang berdekatan. Jarak diskrit relatif (△) dari dua puncak yang berdekatan dapat didefinisikan sebagai = 2(f2f1 )/(f1 + f2 ), di mana f1 dan f2 adalah frekuensi dari dua puncak yang berdekatan. Untuk menjamin> 0, frekuensi f2 harus lebih tinggi dari f1 . Menurut definisi ini, nilai minimum KKL multi-pita sebelumnya biasanya tidak kurang dari 50% [19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30], yaitu jauh dari memuaskan untuk mengeksplorasi dan menyelidiki pesan tersembunyi di area frekuensi yang berdekatan. Oleh karena itu, sangat beralasan untuk mengembangkan KKL multi-band dengan frekuensi yang sangat dekat atau nilai yang rendah.
Dalam makalah ini, kami menyajikan nilai yang rendah dari MPA terahertz dual-band yang dibentuk oleh tumpukan lapisan ganda Au strip dan lapisan dielektrik isolasi yang didukung oleh bidang Au kontinu. Dua puncak serapan yang hampir sempurna dengan jarak diskrit hanya 0,30 THz diperoleh. Nilai perangkat adalah 13,33%, yang hanya 1/4 dari nilai minimum KKL sebelumnya, dan nilai dapat disetel melalui perubahan dimensi strip Au. Nilai -nya dapat diturunkan menjadi hanya 6,45%, jauh lebih kecil dari KKL sebelumnya. Jarak diskrit yang sempit atau nilai yang rendah dari MPA dual-band disebabkan oleh bandwidth ultra-sempit dari setiap pita resonansi. Kami selanjutnya menyajikan dua nilai rendah dari MPA triple-band melalui penumpukan satu strip Au lagi. Dua jarak diskrit sempit hanya 0,14 THz dan 0,17 THz dalam tiga puncak serapan yang hampir sempurna dapat direalisasikan; nilai frekuensi berdekatan KKL triple-band masing-masing 6,57% dan 7,22%, yang keduanya lebih kecil dari karya-karya sebelumnya. Nilai yang rendah dari KKL ini dapat menemukan sejumlah aplikasi dalam studi beberapa informasi implisit di bidang penyerapan off-resonansi.
Metode/Eksperimental
Secara umum, bandwidth (mengacu pada FWHM, gelombang penuh pada setengah maksimum) dari MPA pita tunggal relatif lebar, yang dapat mencapai 20% dari frekuensi resonansi pusat, karena respons resonansi yang kuat dari metamaterial. Kombinasi puncak pita tunggal ini untuk membentuk KKP pita ganda pasti memiliki nilai jarak diskrit atau yang besar. Inilah sebabnya mengapa KKL multi-band sebelumnya memiliki nilai yang besar. Kunci untuk mendapatkan nilai yang rendah adalah dengan merancang bandwidth yang sempit dari KKL single-band. Di sini, pertama-tama kami merancang MPA single-band semacam ini. Struktur sandwich umum yang dibentuk oleh resonator Au dan bahan dielektrik dengan ketebalan tertentu yang didukung oleh cermin Au digunakan untuk mencapai penyerapan pita tunggal, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 1a. Resonator Au adalah struktur strip persegi panjang, lihat Gambar 1b. Panjangnya l = 39 μm, lebar w = 8 μm, ketebalan 0,4 μm, dan konduktivitas 4,09 × 10
7
S/m. KKL memiliki satuan periode P =60 μm. Pelat dielektrik memiliki ketebalan t = 2 μm dan konstanta dielektrik 3(1 + i 0,001.
Tampilan samping KKL single-band, dual-band, dan triple-band masing-masing disajikan dalam a , c , dan d; b memberikan tampilan atas resonator strip Au
Untuk menyajikan kinerja resonansi perangkat yang disarankan dan menjelaskan mekanisme fisik yang terlibat, kami melakukan perhitungan numerik menggunakan perangkat lunak simulasi komersial, FDTD Solutions, yang didasarkan pada algoritma domain waktu perbedaan hingga. Dalam proses komputasi, kondisi batas periodik digunakan di kedua arah x - dan y -sumbu untuk mengkarakterisasi susunan periodik sel satuan, sementara lapisan yang sangat cocok digunakan di sepanjang arah z -sumbu (yaitu, arah rambat cahaya) untuk menghilangkan hamburan yang tidak perlu. Penyerapan (A ) perangkat dapat diberikan oleh A = 1 – TR , di mana T dan R adalah transmisi dan refleksi dari penyerap metamaterial, masing-masing. Karena ketebalan lapisan logam bawah lebih besar daripada kedalaman kulit cahaya yang datang, transmisi T penyerap metamaterial sama dengan nol. Akibatnya, penyerapan A dapat disederhanakan menjadi A = 1 − R . Perangkat yang disarankan dapat memiliki penyerapan 100% saat pantulan R benar-benar ditekan.
Hasil dan Diskusi
Kurva penyerapan MPA pita tunggal di bawah iradiasi gelombang bidang ditunjukkan pada Gambar. 2a; ~ 100% penyerapan puncak resonansi tunggal pada frekuensi 2,25 THz diperoleh. Bandwidth perangkat adalah 0,06 THz, yang hanya 2,67% dari frekuensi resonansi pusat dan sekitar 1/8 dari MPA pita tunggal sebelumnya [1,2,3,4,5,6,7,8,9 ,10,11,12,13]. Selain itu, Q (didefinisikan sebagai frekuensi resonansi dibagi dengan bandwidth) nilai perangkat dapat mencapai 37,50. Bandwidth ultra-sempit (atau Q tinggi) nilai) KKL tidak hanya berkontribusi pada aplikasi perangkat itu sendiri, tetapi juga membantu desain nilai yang rendah dari KKL multi-pita. Gambar 2b, c, dan d memberikan distribusi medan puncak resonansi. Seperti yang ditunjukkan, medan magnetnya (|H y|) pada Gambar 2b sebagian besar terkonsentrasi di lapisan dielektrik isolasi MPA, dan peningkatan medan listrik yang kuat dapat diamati di kedua sisi resonator Au sepanjang sumbu panjang (lihat Gambar 2c, d). Fitur distribusi medan ini menunjukkan bahwa penyerapan cahaya yang besar pada bandwidth sempit MPA disebabkan oleh resonansi magnetik [1,2,3,4].
Kurva penyerapan MPA pita tunggal di bawah iradiasi gelombang bidang disediakan dalam a; b , c , dan d berikan distribusi bidang dari |H y|, |E |, dan E z pada puncak masing-masing 2,25 THz
Kami selanjutnya mengeksplorasi apakah kombinasi bandwidth sempit KKL ini memiliki kemampuan untuk mewujudkan nilai yang rendah dari KKL multi-pita. Konsep desain yang ditumpuk secara vertikal, sebagai semacam metode yang sering digunakan, digunakan untuk mendapatkan KKL multi-pita. Contoh dari jenis yang paling sederhana adalah kasus penyerapan dual-band. Gambar 1c memberikan tampilan samping dari model struktur penyerapan pita ganda. Seperti yang ditunjukkan, dua lapisan resonator strip logam dan pelat dielektrik insulasi ditumpuk secara bergantian pada bidang dasar logam. Panjang dua strip Au masing-masing l1 = 36 μm dan l2 = 39 μm; lebarnya ditetapkan sebagai w =8 μm. Ketebalan pelat dielektrik adalah t1 = 1,4 μm dan t2 =2 μm. Parameter lain dari MPA pita ganda, termasuk periode satuan, konstanta dielektrik pelat, ketebalan, dan konduktivitas strip Au, sama dengan parameter MPA pita tunggal.
Kurva penyerapan MPA dual-band di bawah iradiasi gelombang bidang diilustrasikan pada Gambar. 3a. Berbeda dari kasus MPA pita tunggal pada Gambar 2a, dicapai dua puncak resonansi dengan tingkat penyerapan ~ 100% pada frekuensi 2,10 THz dan 2,40 THz. Bandwidth dari dua puncak masing-masing 0,05 THz dan 0,09 THz, yang masing-masing hanya 2,00% dan 3,75% dari frekuensi resonansi yang sesuai. Q nilai dari dua puncak adalah 42,00 dan 26,67, masing-masing. Selain itu, penyerapan off-resonansi dari dua puncak sangat rendah, kurang dari 12%. Fitur-fitur ini menunjukkan bahwa dua puncak yang memiliki bandwidth sempit dapat dibedakan dengan jelas. Penting bahwa jarak diskrit kedua puncak hanya 0,30 THz, dan nya 13,33%, lebih kecil dari karya sebelumnya [19,20,21,22,23,24,25,26,27, 28,29,30]. Nilai yang rendah dari MPA dual-band menjanjikan di banyak bidang teknik dan teknologi. Mekanisme resonansi dari dua puncak serapan dapat diperoleh dengan menganalisis medan magnetnya |H y|. Lapangan |H y| untuk puncak pertama sebagian besar difokuskan pada pelat dielektrik kedua dari MPA pita ganda, sedangkan medan pada lapisan dielektrik pertama memiliki persentase yang sangat kecil (lihat Gambar 3b). Karakteristik distribusi medan membuktikan bahwa mode penyerapan pertama dikaitkan dengan resonansi magnetik lapisan dielektrik kedua, atau frekuensi puncak pertama disebabkan oleh panjang strip logam l2 (lihat Gambar 3e). Berbeda dari kasus mode resonansi pertama, |H y| medan mode kedua terutama didistribusikan di lapisan pertama pelat dielektrik (lihat Gambar 3c), yang menunjukkan bahwa mode ini berasal dari resonansi magnetik pelat dielektrik pertama, atau frekuensi resonansinya dapat disetel melalui memvariasikan ukuran panjang strip l1 (lihat Gbr. 3d), dan dengan demikian sesuaikan nilai dari MPA dual-band.
Kurva penyerapan MPA dual-band di bawah iradiasi gelombang bidang disajikan dalam a; b dan c berikan |H y| distribusi lapangan dari mode pertama dan kedua dari MPA dual-band, masing-masing. Kurva penyerapan MPA pita ganda pada panjang l . yang berbeda 1 dan l2 ditunjukkan dalam d dan e , masing-masing
Nilai dari MPA dual-band dapat disesuaikan dengan mengubah ukuran strip Au karena frekuensi dari dua mode terutama bergantung pada ukuran strip yang sesuai. Misalnya, untuk panjang l1 perubahan lapisan pertama dari strip Au (lihat Gambar 3d), frekuensi mode kedua secara bertahap menurun dengan peningkatan l1 , sedangkan pergeseran frekuensi mode pertama dapat diabaikan karena ukurannya tetap. Jarak diskrit dari dua puncak bervariasi karena pergeseran frekuensi mode kedua. Lebih konkretnya, jarak diskrit dapat dikurangi dari 0,41 THz dalam l1 = 33 μm hingga 0,30 THz dalam l1 = 36 μm dan 0,23 THz dalam l1 = 39 μm. Nilai dari MPA dual-band juga dapat diturunkan dari 17,41% di l1 = 33 μm hingga 13,33% dalam l1 = 36 μm dan 10,38% dalam l1 = 39 μm. Artinya, panjang strip l1 perubahan dapat mengurangi jarak diskrit dan nilai . Demikian pula, panjang strip l2 perubahan hanya mempengaruhi frekuensi resonansi yang sesuai, yaitu, mode resonansi pertama, lihat Gambar 3e. Jarak diskrit dan nilai dari MPA dual-band keduanya menurun dengan l2 menurun karena frekuensi mode pertama dengan penurunan l2 secara bertahap dekat dengan puncak penyerapan kedua, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3e. Ketika l2 = 36 μm, jarak diskrit memiliki nilai terkecil yaitu 0,15 THz. Saat ini, nilai -nya hanya 6,45%, lebih kecil dari laporan-laporan sebelumnya. Hasil ini membuktikan bahwa jarak diskrit (atau nilai ) dari MPA dual-band dapat dikontrol untuk memenuhi persyaratan aplikasi yang berbeda melalui penyetelan ukuran strip Au.
Kami menyelidiki lebih lanjut apakah tumpukan satu strip Au lagi (yaitu, struktur tiga lapis) dapat mencapai dua nilai rendah dari KKL triple-band. Gambar 1d menyajikan tampak samping model struktur triple-layer MPA, yang terdiri dari tiga pasang Au strip/slab dielektrik di atas cermin Au. Strip Au memiliki panjang l1 = 34 μm, l2 = 36 μm, dan l3 = 39 μm. Lembaran dielektrik memiliki ketebalan t1 = 1.2 μm, t2 = 1,4 μm, dan t3 = 2.8 μm, masing-masing. Lebar strip Au semuanya w =8 μm. Parameter lain dari KKL tiga lapis sama dengan yang dirancang di atas. Kurva penyerapan MPA tiga lapis di bawah iradiasi gelombang bidang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Tiga puncak diskrit yang memiliki tingkat penyerapan ~ 100% pada frekuensi 2,06 THz, 2,27 THz, dan 2,51 THz dapat ditemukan. Jarak diskrit puncak yang berdekatan dalam mode resonansi dari dua yang pertama dan dua yang terakhir berturut-turut adalah 0,21 THz dan 0,24 THz. Nilai dari dua mode pertama dan dua terakhir adalah masing-masing 9,70% dan 10,04%, yang keduanya lebih kecil dari nilai KKL multi-band. Selain jarak diskrit yang sempit, tingkat penyerapan di daerah off-resonance dari MPA triple-band relatif rendah, tidak lebih dari 32% (lihat Gambar 4a). Terlihat bahwa tiga puncak yang sangat dekat dapat diidentifikasi dengan jelas dan dapat digunakan untuk penginderaan, deteksi, pencitraan, dan aplikasi untuk tugas lain. |H y| distribusi medan dari tiga puncak serapan disediakan untuk menganalisis mekanisme resonansi KPL triple-band. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, |H y| distribusi medan mode pertama, kedua, dan ketiga dari MPA triple-band dapat ditemukan terutama di lapisan dielektrik t3 , t2 , dan t1 , masing-masing, sedangkan medan di lapisan dielektrik lainnya dapat diabaikan. Misalnya, untuk mode pertama pada Gambar 4b, medan dalam lapisan dielektrik t2 dan t1 dapat diabaikan, dan medan dalam lapisan dielektrik t2 dan t3 diabaikan untuk mode ketiga pada Gambar. 4d. Ciri-ciri distribusi ini menyatakan dengan jelas bahwa ketiga puncak absorpsi semuanya disebabkan oleh resonansi magnetik. Lebih khusus lagi, mode pertama, kedua, dan ketiga dikaitkan dengan resonansi magnetik dari lapisan dielektrik ketiga t3 , lapisan dielektrik kedua t2 , dan lapisan dielektrik pertama t1 , masing-masing, atau frekuensi mode pertama, kedua, dan ketiga bergantung pada panjang strip Au l3 , l2 , dan l1 , masing-masing.
Kurva penyerapan MPA triple-band di bawah iradiasi gelombang bidang diberikan dalam a; b , c , dan d tunjukkan |H y| distribusi lapangan masing-masing mode pertama, kedua, dan ketiga dari MPA triple-band. Kurva penyerapan MPA triple-band di bawah panjang yang berbeda l1 , l2 , dan l3 ditunjukkan dalam e , f , dan g , masing-masing
Nilai dari MPA triple-band dapat dikontrol melalui penyesuaian panjang strip Au. Gambar 4e memberikan kurva serapan KPL triple-band dalam kasus panjang yang berbeda l1 . Seperti yang Anda lihat, l1 perubahan terutama mempengaruhi frekuensi mode ketiga, sedangkan pergeseran frekuensi dari dua mode pertama dapat diabaikan, yang konsisten dengan prediksi teoretis. Karena variasi frekuensi dari mode ketiga, kita dapat menyetel nilai dari dua mode terakhir dari MPA triple-band. Nilai dari dua mode terakhir dapat disetel dari 12,66% di l1 = 33 μm hingga 10,04% dalam l1 = 34 μm, dan 7,22% dalam l1 = 35 μm. Nilai dari dua mode pertama juga dapat dikontrol dengan menyesuaikan panjang l3 (lihat Gambar 4g). Jarak diskrit minimum dari dua mode pertama adalah 0,16 THz untuk l3 = 38 μm, dan nilai nya adalah 7,31%. Selanjutnya, kita dapat menyetel nilai dari dua mode pertama dan dua mode terakhir melalui penskalaan panjang l2 , yaitu, frekuensi mode kedua (lihat Gambar 4f). Hebatnya, perubahan nilai dari dua mode pertama dan dua mode terakhir saling membatasi karena kami hanya mengubah frekuensi mode kedua. Misalnya, untuk l1 = 37 μm (lihat garis biru pada Gambar 4f), jarak diskrit dari dua mode pertama memiliki nilai minimum 0,16 THz, sedangkan nilai maksimum 0,29 THz untuk dua mode terakhir dapat diperoleh.
Kesimpulan
Kesimpulannya, jarak diskrit sempit dari MPA terahertz dual-band yang terdiri dari dua pasang strip Au/slab dielektrik yang didukung oleh film Au disajikan. Dua ~ 100% tingkat penyerapan puncak resonansi yang memiliki jarak diskrit 0,30 THz direalisasikan, dan MPA pita ganda adalah 13,33%. Mekanisme penyerapan pita ganda disebabkan oleh efek superposisi dari dua frekuensi resonansi magnetik yang berbeda. Kami selanjutnya dapat menyesuaikan nilai dari MPA dual-band melalui penggunaan panjang strip Au yang berbeda. Nilai dapat diturunkan menjadi hanya 6,45%, jauh lebih rendah dari hasil sebelumnya. Selain itu, dua jarak diskrit sempit dari MPA triple-band ditunjukkan dengan menumpuk satu pasang strip/dielektrik lagi. Tiga ~ 100% absorptivitas puncak resonansi dengan jarak diskrit 0,21THz dan 0,24 THz tercapai. Nilai dari dua frekuensi yang berdekatan (yaitu mode dari dua yang pertama dan dua yang terakhir) masing-masing adalah 9,70% dan 10,04%. Serupa dengan kasus penyerapan dual-band, MPA triple-band juga memiliki kemampuan untuk menyetel nilai dari frekuensi yang berdekatan dengan mengontrol panjang strip Au. Jarak diskrit yang sempit atau nilai yang rendah dari KKL multi-pita menjanjikan di banyak bidang, seperti penyelidikan beberapa informasi implisit dalam dua frekuensi yang sangat dekat.
