Triple-Band Perfect Light Absorber Berdasarkan Metasurface Hibrida untuk Aplikasi Penginderaan
Abstrak
Disain sederhana dari triple-band perfect light absorber (PLA) berbasis hybrid metasurface di wilayah tampak telah disajikan dalam karya ini, yang ternyata dapat diterapkan untuk penginderaan indeks bias (RI). Berbeda dari desain sebelumnya, metasurface hybrid yang diusulkan untuk PLA terlihat hanya terdiri dari susunan nanostruktur silang silikon periodik dan substrat emas. Susunan silang silikon periodik yang disimpan pada substrat emas berkontribusi untuk menggairahkan mode terpandu di bawah iluminasi cahaya insiden normal. Menurut hasil simulasi, dapat ditemukan bahwa tiga puncak serapan sempurna masing-masing 98,1%, 98,7%, dan 99,6% yang terletak pada 402,5 THz, 429,5 THz, dan 471,5 THz, telah diamati dengan jelas di PLA. Efek penyerapan sempurna triple-band ini dapat dikaitkan dengan hilangnya intrinsik bahan silikon yang berasal dari eksitasi mode terpandu yang disebabkan oleh gelombang berdiri dengan ordo yang berbeda. Telah dikonfirmasi bahwa sifat penyerapan sempurna PLA dapat dengan mudah diatur dengan mengubah parameter geometris struktur nano sel satuan. Selanjutnya, PLA yang dirancang berfungsi sebagai sensor RI dapat mencapai sensitivitas sekitar 25,3, 41,3, dan 31,9 THz / unit indeks bias (RIU). Dapat dipercaya bahwa rancangan PLA yang diusulkan untuk penginderaan RI akan memberikan potensi aplikasi yang besar dalam penginderaan, pendeteksian, peningkatan spektroskopi tampak, dll.
Pengantar
Metasurfaces, sebagai cabang penting dari metamaterial optik, adalah arsitektur array dua dimensi (2D) yang dibentuk oleh struktur nano plasmonik periodik sub-panjang gelombang yang terdiri dari bahan dielektrik dan logam berpola [1, 2]. Dalam beberapa tahun terakhir, metasurfaces telah diselidiki secara ekstensif karena berpotensi diterapkan dalam komponen optik ruang bebas miniatur, seperti lensa, pelat gelombang, dan filter spektral, dan peredam [1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10]. Salah satu aspek luar biasa dari metasurfaces mungkin adalah perfect light absorbers (PLA) yang dioperasikan di wilayah optik karena mereka memiliki aplikasi yang menjanjikan dalam komunikasi optik [11], pemancar panas [12, 13], pemanenan cahaya [14], dan penginderaan [15, 16,17]. Secara umum, PLA berbasis metasurface dapat diwujudkan dengan konfigurasi struktur nano logam-dielektrik-logam (MDM) tiga lapis atau struktur nano dielektrik-logam (DM) dua lapis, di mana berbagai resonansi plasmon permukaan (SPRs) dapat tereksitasi dan selanjutnya menyebabkan kurungan energi cahaya pada logam berpola atau antarmuka logam-dielektrik [11, 15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]. Selain itu, kerugian optik intrinsik bahan logam dan dielektrik di PLA juga merupakan faktor penting dan menguntungkan untuk meningkatkan penyerapan energi elektromagnetik (EM) dari lampu insiden [11, 19,20,21,22,23,24,25,26] ,27,28,29,30]. Telah dikonfirmasi bahwa kapasitas penyerapan PLA biasanya tergantung pada bentuk, ukuran, ketebalan, dan komposisi metasurface plasmonik, yang juga sensitif terhadap indeks bias (RI) bahan sekitarnya [29,30,31,32] ,33,34,35,36]. Seperti yang terkenal untuk aplikasi penginderaan, PLA pita sempit diselidiki secara intensif karena kedalaman modulasinya yang besar [15,16,17,18, 31,32,33,34,35,36,37]. Ketika PLA ditempatkan di lingkungan gas atau cair, frekuensi puncak penyerapan akan bergeser secara signifikan dengan perubahan nilai RI bahan sekitarnya. Oleh karena itu, banyak metasurfaces berdasarkan narrowband PLAs telah diusulkan dan diselidiki secara intensif [31,32,33,34,35,36,37,38]. Misalnya, Cheng dkk. mengusulkan PLA pita sempit berdasarkan konfigurasi MDM, yang dapat mencapai sensitivitas sekitar 590 nm RIU [31]. Bhattarai dkk. mendemonstrasikan PLA pita sempit yang tertutup jamur berdasarkan mekanisme rongga Fabry-Perot, dan sensitivitasnya mencapai 2508 nm∕ RIU [32]. Kemudian, PLA lain berdasarkan konfigurasi MDM telah diusulkan terus menerus dan diselidiki secara teoritis [33,34,35,36,37]. Meskipun PLA pita sempit ini dapat mencapai sensitivitas tinggi, produksi skala besar memakan waktu dan mahal karena kerumitan desain metasurface. Oleh karena itu, akan sangat membantu jika narrowband PLA dapat didukung oleh struktur yang relatif sederhana. Yong dkk. mengusulkan skema desain sederhana PLA untuk aplikasi penginderaan berdasarkan metasurface semua-logam [38,39,40]. Untuk PLA ini, logam mulia emas atau perak biasanya digunakan, yang juga akan meningkatkan biaya fabrikasi.
Baru-baru ini, metasurfaces berdasarkan struktur nano silikon telah menarik perhatian besar karena aplikasi mereka dalam detektor [41], pandu gelombang fotonik [42], generator warna dan filter [43, 44], dan PLAs [45,46,47,48,49] ,50]. Mirip dengan struktur nano logam, silikon adalah salah satu bahan RI tinggi yang layak yang dapat mendukung berbagai SPR dengan desain struktural pada rentang frekuensi optik. Selain itu, silikon juga dapat menghemat biaya dan cukup kompatibel dengan proses semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS) [44, 49]. Oleh karena itu, dapat diyakini bahwa penyerapan sempurna narrowband pada PLA berbasis silikon metasurface akan sangat signifikan dalam aplikasi penginderaan [50]. Misalnya, Ahmad dkk. mengusulkan PLA berdasarkan metasurface hybrid terdiri dari array nano-disk silikon amorf disimpan pada lapisan emas, yang bisa bekerja sebagai sensor RI di wilayah dekat-inframerah [50]. Namun, ini hanya berfungsi dalam pita sempit tunggal yang membatasi aplikasi potensial dalam deteksi penginderaan multipleks. Sejauh pengetahuan kami, hampir tidak ditemukan laporan tentang PLA multi-band efisiensi tinggi yang menggunakan metasurface, yang operasinya valid di wilayah yang terlihat.
Dalam karya ini, PLA triple-band berdasarkan metasurface hybrid di wilayah yang terlihat diusulkan dan didemonstrasikan secara teoritis, yang dapat diterapkan untuk penginderaan RI. Metasurface hibrida, yang terdiri dari susunan struktur nano lintas silikon berukuran tunggal pada substrat emas, menunjukkan penyerapan sempurna tiga pita dengan absorbansi lebih dari 98% pada tiga frekuensi resonansi yang berbeda. Mekanisme fisik yang mendasari penyerapan sempurna yang diamati juga telah diilustrasikan dengan menganalisis distribusi spasial medan listrik, aliran daya, dan kerapatan rugi daya pada resonansi. Dampak parameter geometris dari struktur nano sel satuan terhadap sifat penyerapan PLA telah diselidiki juga. Lebih lanjut, puncak serapan PLA telah dikonfirmasi sensitif terhadap nilai RI dari media sekitarnya, sehingga menjadikannya kandidat potensial untuk aplikasi penginderaan. Selain itu, PLA berbasis metasurface hybrid dapat dibuat dengan mudah dan sederhana, serta diintegrasikan dengan mudah ke dalam perangkat plasmonik, elektronik, dan fotonik pada chip yang sama. Desain PLA triple-band semacam itu membuka jalan yang efektif menuju realisasi perangkat nano-fotonik berdasarkan metasurface hybrid, yang dapat menjadi kandidat untuk aplikasi potensial dalam penginderaan multipleks, pendeteksian, dan peningkatan spektroskopi tampak.
Metode
Gambar 1 menyajikan skema desain PLA yang terlihat berdasarkan metasurface hybrid, yang hanya terdiri dari dua lapisan fungsional:susunan nanostruktur silang silikon periodik merupakan lapisan atas yang bertindak sebagai resonator dielektrik, sedangkan lapisan bawah adalah substrat emas. Telah ditunjukkan bahwa struktur silikon plasmonik berpola yang berbeda dapat mendukung mode SPR yang berbeda di bawah pencahayaan cahaya insiden, yang dapat diterapkan untuk membangun PLA dari terahertz hingga rentang frekuensi yang terlihat karena sifat optiknya yang menguntungkan [42,43,44,45,46] ,47,48].
Ilustrasi skema dari PLA triple-narrowband yang terlihat. a Struktur array periodik 2D. b Depan. c Tampilan perspektif dari struktur nano sel satuan
Di wilayah yang terlihat, silikon semikonduktor adalah bahan ekonomis dengan RI tinggi yang dapat dianggap sebagai resonator dielektrik dengan desain struktural khusus [43,44,45,46,47,48,49]. Selain itu, ada keuntungan yang menonjol bahwa silikon semikonduktor dapat tumbuh secara efisien di atas substrat heterogen (seperti substrat emas) pada suhu rendah mengandalkan kompatibilitas yang cukup dengan proses CMOS [44, 49], yang mudah untuk memenuhi kebutuhan produksi skala besar. Dalam rentang terlihat menarik kami (350-500 THz), nilai RI silikon kira-kira konstan, yaitu sekitar nsi = 3.7 × (1 + 0.0025i ) [50,51,52]. Lapisan substrat emas (Au) dapat dideskripsikan dengan model Drude yang bergantung pada frekuensi dari data eksperimen [53]. Ketebalan substrat emas lebih tinggi dari kedalaman penetrasi cahaya datang dalam rentang yang terlihat. Berbeda dari konfigurasi MDM tipikal, PLA yang kami usulkan berdasarkan metasurface hybrid dibentuk oleh struktur nano DM dua lapis periodik sub-panjang gelombang, dan dapat diharapkan bahwa PLA yang diusulkan tidak bergantung pada polarisasi karena simetri rotasi geometrik dari lintas struktur nano dan kisi persegi. Parameter geometris desain yang dioptimalkan diberikan sebagai berikut:px =py =400 nm, l =350 nm, w =100 nm, h =85 nm, dan ts =100 nm. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1c, sel satuan PLA yang diusulkan diatur menjadi periodisitas konstan 400 nm sepanjang x- dan y -arah sumbu untuk menghindari difraksi untuk frekuensi hingga 750 THz.
PLA yang diusulkan berdasarkan metasurface hybrid dirancang dan diselidiki melalui alat simulasi berdasarkan metode elemen hingga (FEM) di CST Microwave Studio. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1c, eksitasi gelombang bidang dengan rentang frekuensi yang luas dari 350 hingga 500 THz dianggap sebagai sumber iluminasi dengan vektor gelombang yang normal pada permukaan metasurface hybrid. Dalam simulasi, ukuran mesh diatur sebagai 0.3 nm, yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang operasi dan ukuran sel satuan. Untuk memastikan kesalahan numerik yang dapat diabaikan, kami juga melakukan uji konvergensi standar sebelum simulasi sel satuan. Kondisi batas periodik sepanjang x- dan y -arah sumbu digunakan untuk mempertimbangkan pengaturan periodik dari metasurface hybrid. Cahaya polarisasi linier yang datang disetel untuk merambat sepanjang arah sumbu z sedemikian rupa sehingga listrik (Ex ) dan magnet (Hy ) bidang berada di sepanjang x - dan y -arah sumbu, masing-masing. Dalam desain kami, karena transmisi terhalang oleh substrat emas, absorbansi hanya dapat dihitung dengan A (ω) =1 - R (ω) =|S11 |
2
, di mana S11 adalah koefisien refleksi.
Hasil dan Diskusi
Gambar 2 menyajikan simulasi reflektansi dan spektrum absorbansi PLA berdasarkan metasurface hybrid di bawah pencahayaan cahaya insiden normal di wilayah terlihat. Tiga titik resonansi yang berbeda terlihat jelas di f1 =402,5 THz, f2 =429,5 THz, dan f3 =471,5 THz, masing-masing. Pada resonansi ini, reflektansi menurun menjadi 1,9%, 1,3%, dan 0,4%, dan absorbansi yang sesuai meningkat ke nilai maksimal masing-masing 98,1%, 98,7%, dan 99,6%. Menurut karya sebelumnya [45,46,47,48], dapat diduga bahwa penyerapan sempurna pada tiga resonansi dapat dikaitkan dengan eksitasi mode SPR tingkat tinggi dalam struktur nano lintas silikon di bawah pencahayaan lampu insiden normal yang akan dibahas nanti. Meskipun silikon semikonduktor RI tinggi dan substrat emas reflektansi tinggi yang banyak digunakan dalam karya sebelumnya telah diterapkan dalam desain kami [17, 38,39,40, 46, 48,49,50], masih layak untuk ditunjukkan bahwa desain baru PLA yang diusulkan dalam karya ini menunjukkan properti yang relatif lebih baik yaitu dalam hal penyerapan sempurna triple-band di wilayah yang terlihat dengan memanfaatkan struktur nano lintas silikon berukuran tunggal. Selain itu, dapat diharapkan bahwa PLA yang diusulkan harus peka terhadap polarisasi untuk cahaya insiden normal karena simetri rotasi geometrisnya yang tinggi dari sel satuan yang serupa dengan desain sebelumnya [54,55,56].
Reflektansi simulasi (R (ω)) dan absorbansi (A (ω)) spektrum PLA berbasis metasurface hybrid yang dirancang terlihat di bawah pencahayaan cahaya insiden normal
Selain itu, lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) dan faktor-Q dari PLA yang diusulkan juga telah dihitung sesuai dengan referensi sebelumnya [40]. Pada ketiga posisi resonansi yang disebutkan di atas, nilai FWHM adalah sekitar 64,875 THz, 27,75 THz, dan 34,125 THz, dan faktor-Q yang sesuai (=fi /FWHMi , i =1, 2, 3) masing-masing sekitar 6,48, 14,57, dan 13,82. Harus diperhatikan bahwa penyerapan sempurna triple-band dapat diamati dalam kasus ideal dengan media udara. Namun, dimungkinkan untuk menyetel properti penyerapan resonansi dengan menyesuaikan nilai RI luar/lingkungan dari PLA yang dirancang. Artinya frekuensi operasi dapat diatur secara signifikan dengan mengubah nilai RI dari lingkungan sekitar pada PLA. Dengan demikian, PLA yang dirancang dengan resonansi yang curam dapat memberikan beberapa aplikasi potensial dalam sensor dan detektor multipleks.
Untuk memverifikasi mekanisme fisika di balik fenomena penyerapan sempurna triple-band yang diamati dari PLA yang dirancang, distribusi spasial listrik (Ex , x-z bidang) dan magnet (Hy , y-z bidang) pada ketiga puncak serapan tersebut telah diselidiki secara sistemik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Jelas, pola distribusi spasial dari medan listrik dan magnet yang kuat (Ex dan Hy ) berbeda secara signifikan pada berbagai frekuensi resonansi, mengungkapkan eksitasi mode SPR yang berbeda. Namun, terbukti bahwa medan listrik dan magnet selalu terkonsentrasi kuat di antarmuka salib silikon dan substrat emas ketika resonansi terjadi. Fitur-fitur bidang spasial ini menunjukkan bahwa mode terpandu dengan urutan lebih tinggi yang berbeda dalam antarmuka struktur nano lintas silikon dan substrat emas telah bersemangat. Dapat dipercaya bahwa resonansi mode terpandu yang intens pada antarmuka dielektrik/logam tereksitasi ketika cahaya datang digabungkan antara pandu gelombang dengan indeks bias yang berbeda [57,58,59,60]. Sementara itu, kopling resonansi antara cahaya datang dan mode terpandu dari struktur nano dielektrik/logam dimungkinkan, yang serupa dengan efek resonansi mode terpandu kisi logam [21, 59, 60].
Distribusi a –c medan listrik (Ex di x-z pesawat y =0 nm) dan d –f medan magnet (Hy di y-z bidang x =0 nm) dalam struktur nano sel unit PLA pada frekuensi resonansi yang berbeda:(a , d ) f1 =402,5 THz, (b , e ) f2 =429,5 THz, dan (c , f ) f3 =471,5 THz
Untuk mengilustrasikan resonansi mode terpandu dari struktur nano PLA yang dirancang, kita dapat mengasumsikan struktur nano lintas silikon yang dirancang sebagai pemandu gelombang dielektrik di wilayah yang terlihat. Ketika cahaya datang menimpa celah antara dua unit sel yang berdekatan, itu akan difraksi ke dalam lapisan silikon dan kemudian dipantulkan oleh substrat emas, selanjutnya dipandu ke antarmuka substrat silikon/emas. Karena desain sel satuan yang simetris, lampu pemandu kopling dari celah yang berdekatan merambat secara berlawanan dan akibatnya bergabung membentuk gelombang berdiri di lapisan pemandu gelombang [58,59,60]. Menurut hasil ini ditunjukkan pada Gambar. 3a-f, dapat ditemukan bahwa hanya mode terpandu harmonik aneh dalam struktur nano dapat bersemangat di bawah pencahayaan cahaya insiden normal. Gambar 3a-f menunjukkan mode orde pertama, mode orde ketiga, dan mode orde kelima dalam struktur nano, masing-masing. Hasilnya sangat konsisten dengan PLA sebelumnya berdasarkan konfigurasi MDM [58, 61], di mana mode orde kedua tidak dapat dieksitasi untuk lampu insiden normal. Itu karena eksitasi dari mode terpandu harmonik terutama ditentukan oleh parameter geometris dari struktur nano yang dirancang. Ini berarti bahwa hanya mode berpemandu ganjil atau harmonik yang dapat dieksitasi di bawah desain struktur nano khusus yang sesuai dalam karya ini. Eksitasi mode terpandu dengan urutan yang lebih tinggi dalam struktur nano ini akan berkontribusi untuk meningkatkan penyambungan lampu insiden ke celah udara dan melokalisasi di antarmuka silikon/emas, akhirnya menciptakan penyerapan cahaya yang sempurna pada berbagai frekuensi resonansi. Seperti diketahui, hilangnya energi cahaya insiden yang disebabkan oleh mode terpandu eksitasi dalam struktur nano selalu cukup besar untuk memperkenalkan penyerapan tingkat tinggi pada resonansi [20, 21, 26, 58,59,60,61]. Selain itu, resonansi mode terpandu ini terutama ditentukan oleh ukuran geometris dan media sekitarnya dari struktur nano yang dirancang [58]. Dapat disimpulkan bahwa mode terpandu orde tinggi juga dapat diterapkan untuk mendapatkan PLA berkinerja tinggi di wilayah yang terlihat dengan parameter geometris sedang dibandingkan dengan menggunakan mode fundamental dengan struktur sub-panjang gelombang yang lebih dalam [61].
Untuk mendapatkan pemahaman yang lebih dalam dan kualitatif tentang penyerapan sempurna di atas, distribusi 3D aliran aliran daya dan kerapatan rugi daya untuk kejadian normal y -lampu terpolarisasi pada berbagai frekuensi resonansi (f1 =402,5 THz, f2 =429,5 THz, dan f3 =471,5 THz) juga telah dipelajari, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4a-c. Pertama, aliran daya cahaya input awalnya adalah aliran paralel di ruang yang jauh dari struktur nano pada resonansi. Ketika aliran cahaya datang lebih dekat ke PLA, kebanyakan dari mereka mengalir "melintasi" sel satuan, kemudian menggulung di lapisan silikon dan akhirnya berkonsentrasi pada antarmuka substrat silikon dan emas. Dalam hal ini, bentuk spasial dari aliran bunga daya dalam struktur nano menunjukkan berbagai karakteristik pada frekuensi penyerapan yang berbeda. Profil aliran aliran daya yang disebabkan oleh eksitasi mode terpandu terjadi di struktur nano, dan kerugian intrinsik biasanya terjadi pada material curah. Karena sifat kehilangan dielektrik silikon dan emas di wilayah yang terlihat, dapat dianggap bahwa kehilangan energi cahaya yang disebabkan oleh eksitasi mode terpandu dengan orde tinggi yang berbeda harus terutama berasal dari struktur nano silang silikon dan substrat emas.
Distribusi tiga dimensi (3D) dari a –c aliran aliran daya dan d –f kerapatan kehilangan daya PLA pada frekuensi resonansi yang berbeda:(a , d ) f1 =402,5 THz, (b , e ) f2 =429,5 THz, dan (c , f ) f3 =471,5 THz
Gambar 4d–f mengilustrasikan distribusi 3D dari kepadatan kehilangan daya dalam struktur nano sel satuan pada frekuensi f1 =402,5 THz, f2 =429,5 THz, dan f3 =471,5 THz, masing-masing. Dapat diamati bahwa kepadatan kehilangan daya terutama didistribusikan di antarmuka antara struktur nano lintas silikon dan substrat emas. Jelas, kekuatan cahaya datang sepenuhnya dibatasi dalam struktur nano PLA yang dirancang. Karena silikon dan emas dalam struktur nano keduanya merupakan bahan kehilangan dielektrik di wilayah yang terlihat, sehingga disipasi energi cahaya terjadi di PLA yang dirancang [48, 49]. Dalam desain kami, salib silikon jauh lebih menguntungkan untuk meningkatkan kinerja penyerapan daripada kotak dan disk sebelumnya, karena celah dari struktur nano tipe silang yang diusulkan akan dengan mudah menangkap lebih banyak cahaya yang masuk karena eksitasi mode terpandu [47,48,49 ]. Faktanya, silikon terstruktur dengan desain geometris yang sesuai itu sendiri dapat berfungsi sebagai PLA yang baik, mengandalkan fitur lossy dari bahan silikon di wilayah yang terlihat [49]. Lebih lanjut, persilangan silikon juga dapat diasumsikan sebagai lapisan anti-pantulan, yang membuat substrat emas menjadi bahan absorpsi yang hampir sempurna pada resonansi. Emas masih bersifat plasmonik di daerah tampak karena bagian nyata dari permitivitasnya negatif [53]. Perlu diperhatikan bahwa cahaya yang datang akan ditolak dengan kuat oleh substrat emas, dan penyerapan sempurna tidak akan mungkin terjadi tanpa respons SPR.
Mengandalkan analisis di atas, dapat disimpulkan bahwa penyerapan sempurna triple-band dari PLA yang diusulkan berasal dari mode terpandu dengan sifat kehilangan dielektrik dan silikon yang lebih tinggi dari substrat silikon dan emas di wilayah yang terlihat. Singkatnya, resonansi mode terpandu dan hilangnya struktur nano adalah dua faktor kunci untuk penyerapan sempurna PLA yang dirancang.
Selanjutnya, pengaruh parameter geometrik untuk setiap sel satuan pada sifat penyerapan PLA desain kami telah diselidiki secara sistematis oleh studi parametrik. Adapun PLA yang diusulkan dalam pekerjaan ini, hanya empat parameter geometris yang perlu dipertimbangkan:lebar kawat (w ), panjang kawat (l ), tinggi (h ) dari struktur nano lintas silikon, dan periodisitas (p ) dari sel satuan. Serangkaian spektrum absorbansi dari PLA yang dirancang dengan parameter geometris yang berbeda (w , h , l , dan p ) telah diilustrasikan pada Gambar. 5a-d. Perlu diperhatikan bahwa hanya satu parameter geometris yang dapat diatur pada satu waktu, sementara yang lain tetap konstan.
Ketergantungan penyerapan sempurna pada parameter geometris yang berbeda dari PLA yang diusulkan. a –c Lebar kawat (w ), tinggi (h ), panjang kawat (l ) dari struktur nano silang silikon, dan d periodisitas (p ) dari sel satuan
Berdasarkan Gambar 5a, b, dapat diamati bahwa serapan puncak resonansi dapat dipertahankan lebih dari 95% ketika mengubah satu parameter geometris sementara yang lain tetap konstan. Namun, frekuensi operasi ternyata sensitif terhadap parameter geometris PLA. Ketika periodisitas (p ) dari PLA tetap, frekuensi puncak serapan ternyata berbanding terbalik dengan ukuran geometris (w , h , dan l ) dari sel satuan, yang sangat konsisten dengan penelitian sebelumnya [58, 62]. Ini karena indeks bias efektif dari resonansi mode terpandu meningkat dengan penambahan w , h , dan l . Sifat absorbansi PLA dengan berbagai ukuran w telah digambarkan pada Gambar. 5a. Dengan mengubah w dari 85 ke 105 nm dengan langkah 5 nm, pergeseran merah yang berbeda dari spektral serapan dapat diamati dengan jelas. Untuk PLA dengan lebar kabel yang lebih lebar (w> 100 nm) dari persilangan silikon, serapan puncak serapan pertama dan kedua akan sedikit berkurang, tetapi puncak penyerapan ketiga hampir dapat dipertahankan. Respon semacam ini terutama dihasilkan dari kopling yang melemah dan efek kurungan yang disebabkan oleh struktur nano. Selain itu, dibandingkan dengan puncak resonansi kedua dan ketiga, dapat ditemukan bahwa puncak pertama jauh lebih sensitif terhadap variasi lebar kawat w , menghasilkan fenomena pergeseran merah yang menonjol. Sifat absorbansi PLA dengan berbagai ukuran h telah disajikan pada Gambar. 5b. Ketika ketinggian h meningkat dari 80 ke 100 nm dalam interval 5 nm, variasi spektrum serapan mirip dengan kasus perubahan lebar kawat w , dan frekuensi puncak absorpsi juga menunjukkan sedikit pergeseran merah. Dengan meningkatnya h , dapat ditemukan bahwa absorbansi puncak resonansi pertama secara bertahap meningkat sementara yang kedua sedikit menurun, dan yang ketiga hampir dapat dipertahankan pada konstan. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 5c, dapat ditemukan bahwa puncak serapan akan bergeser ke frekuensi yang lebih rendah ketika panjang kawat l meningkat dari 340 nm menjadi 360 nm dengan langkah 5 nm. Seiring bertambahnya panjang kawat l , absorbansi puncak absorpsi pertama sedikit menurun sedangkan puncak resonansi lainnya tetap konstan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5d, kecenderungan variasi yang sepenuhnya bertentangan, yang dapat dijelaskan dalam istilah "pergeseran biru" dari puncak serapan, telah ditemukan ketika periodisitas p meningkat dari 390 ke 430 nm dalam interval 10 nm. Dengan meningkatnya periodisitas p , serapan puncak resonansi pertama sedikit meningkat sementara puncak serapan lainnya hampir tidak berubah. Singkatnya, hasil yang diilustrasikan pada Gambar. 5 mengkonfirmasi bahwa puncak serapan ini terkait dengan karakteristik gelombang berdiri yang telah ditunjukkan pada Gambar. 3, menunjukkan bahwa frekuensi operasi dan efisiensi PLA yang diusulkan dapat diatur secara langsung oleh geometrik relatif parameter termasuk lebar kawat (w ), tinggi (h ), panjang kawat (l ), dan periodisitas (p ).
Berdasarkan hasil dan pembahasan dari rancangan triple-band PLA di atas, dapat diharapkan sebagai kandidat yang menjanjikan untuk aplikasi penginderaan RI. Untuk memperjelas kepraktisan PLA triple-band kami yang dirancang untuk aplikasi penginderaan, perilaku spektrum absorbansi sebagai fungsi nilai RI dari analit sekitarnya telah diverifikasi lebih lanjut. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a, analit sekitarnya diisi dengan celah struktur nano silikon silang dari PLA yang diusulkan. Karena PLA kami memiliki bandwidth sempit tiga kali lipat dan penyerapan sempurna di sekitar frekuensi resonansi, itu dapat diharapkan untuk menunjukkan kinerja penginderaan yang baik. Ketergantungan spektrum absorbansi pada perubahan nilai RI dari analit sekitarnya telah disajikan pada Gambar. 6b. Harus diperhatikan bahwa absorbansi dapat dipertahankan lebih dari 95% ketika nilai RI dari analit sekitarnya berubah dari n =1,0 hingga n =1,4 dengan langkah 0,1, sedangkan pergeseran frekuensi dari tiga puncak resonansi cukup mencolok yang dapat dijelaskan dalam hal pergeseran merah yang jelas dengan meningkatnya nilai RI analit sekitarnya. Variasi titik frekuensi 1 (f1 ), 2 (f2 ), dan 3 (f3 ) ternyata rata-rata sekitar 2,53 THz, 4,13 THz, dan 3,19 THz. Faktanya, kemampuan penginderaan PLA telah diterima secara luas untuk dijelaskan dengan definisi sensitivitas RI massal (S):S =f /Δn , di mana f dan n adalah perubahan frekuensi resonansi dan nilai RI, masing-masing [63]. Menurut definisi di atas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6c, rata-rata S nilai tiga titik frekuensi (f1 , f2 , dan f3 ) dievaluasi masing-masing sekitar 25,3, 41,3, dan 31,9 THz/RIU. Karena karakteristik penginderaan yang sangat baik, desain PLA triple-band dapat dipercaya menjanjikan di bidang terkait sensor.
a Skema PLA untuk aplikasi penginderaan RI. b simulasi spektrum absorbansi PLA dengan memvariasikan nilai RI analit sekitarnya dari n =1,0 hingga n =1,4 demi langkah 0,1. c Linear fit (garis padat) dan frekuensi resonansi simulasi (simbol berongga) sebagai fungsi dari nilai RI analit sekitarnya
Kesimpulan
Kesimpulannya, desain sederhana dari PLA triple-band berdasarkan metasurface hybrid telah diusulkan dan diselidiki secara numerik dalam pekerjaan ini, yang dapat diyakini dapat diterapkan untuk penginderaan RI. PLA yang diusulkan berdasarkan metasurface hibrida dirancang hanya terdiri dari susunan periodik struktur nano silang silikon yang disimpan pada substrat emas. Hasil numerik menunjukkan bahwa PLA yang dirancang dapat menunjukkan absorbansi yang relatif tinggi masing-masing 98,1%, 98,7%, dan 99,6% pada 402,5 THz, 429,5 THz dan 471,5 THz. Gambar fisik PLA yang dirancang telah dieksplorasi dengan menganalisis distribusi spasial medan listrik dan magnet pada tiga frekuensi resonansi yang berbeda. Ternyata energi EM dapat dihamburkan melalui gelombang berdiri yang berasal dari mode terpandu tingkat tinggi yang berbeda dalam antarmuka lossy antara struktur nano silikon silang dan substrat emas, yang mengarah ke penyerapan sempurna tiga pita. Selain itu, distribusi spasial aliran aliran daya dan kerapatan kehilangan mengungkapkan bahwa fitur kehilangan dielektrik silikon dan emas di wilayah yang terlihat juga penting untuk penyerapan PLA yang sempurna. Selain itu, sifat penyerapan resonansi dari struktur nano PLA yang dirancang kami juga telah dikonfirmasi untuk disetel dengan baik di wilayah yang terlihat dengan mengatur parameter geometrik sel satuan. Lebih lanjut, frekuensi puncak resonansi telah terbukti sangat sensitif terhadap variasi RI dari analit sekitarnya yang diisi dalam PLA yang diusulkan. Sensitivitas RI massal rata-rata S nilai PLA adalah sekitar 25,3, 41,3, dan 31,9 THz/RIU, masing-masing. PPA yang diusulkan mudah dibuat dengan teknik etsa ion reaktif dalam (DRIE) atau litografi berkas elektron lanjutan (EBL), yang hemat biaya dan kompatibel dengan proses CMOS [44, 49]. Oleh karena itu, desain PLA ini dapat membuka jalan baru untuk aplikasi penginderaan RI multispektral di wilayah yang terlihat, terutama untuk biomolekuler, deteksi gas, diagnostik medis, dan biosensing spasial. Ini juga memiliki potensi dalam aplikasi substrat untuk aktivitas penginderaan multipleks diferensiasi dan proliferasi sel induk saraf.
Ketersediaan Data dan Materi
The datasets generated and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.
