Penyerap Metamaterial TiN/MoS₂ Ultra-Lebar dengan Efisiensi 98% dari 400–850 nm
Abstrak
Penyerap metamaterial (MA) kompak berdasarkan array hexagonal dari nano-disk titanium nitride (TiN) dan lapisan tunggal molybdenum disulfide (MoS₂) telah dirancang dan dioptimalkan menggunakan simulasi finite-difference time-domain (FDTD). Tumpukan TiN/SiO₂/Al, dengan lapisan MoS₂ 0,625 nm yang ditempatkan di bawah nano-disk TiN, memberikan absorpsi rata-rata 98,1 % di seluruh spektrum terlihat (400–850 nm). Absorpsi puncak mencapai hampir 100 % dan penyerap tetap tidak sensitif terhadap polarisasi pada insiden normal, menjadikannya calon yang menjanjikan untuk aplikasi fotovoltaik dan penangkap cahaya.
Latar Belakang
Metamaterial memungkinkan kontrol yang tak tertandingi atas amplitudo, fase, dan polarisasi cahaya. Salah satu kemampuan paling menariknya adalah kemampuan untuk menciptakan penyerap sempurna yang mengubah foton insiden menjadi energi yang berguna. Desain tradisional telah bergantung pada logam mulia seperti Au dan Ag; namun, performa mereka menurun pada panjang gelombang pendek dan mereka mengalami kerugian tinggi. Nitrid logam transisi, terutama TiN, menawarkan properti plasmonik yang sebanding dengan stabilitas termal yang superior dan koefisien ekstinsi yang lebih tinggi dalam rentang terlihat [21]. Studi terbaru telah menunjukkan array berbasis TiN yang mencapai >90 % absorpsi di atas 400–800 nm, tetapi performa panjang gelombang pendek masih terbatas. Monolayer MoS₂, semiconductor gap langsung, menunjukkan absorpsi yang kuat di wilayah biru–UV dan mobilitas pembawa muatan yang luar biasa, menjadikannya aditif yang menarik untuk peningkatan lebar [35]. Dengan menggabungkan nano-disk TiN dengan lapisan tunggal MoS₂, kami bertujuan untuk mengisi celah absorpsi pada panjang gelombang pendek sambil mempertahankan performa tinggi pada panjang gelombang lebih lama.
Metode
Penyerap terdiri dari lapisan tunggal MoS₂ 0,625 nm, array hexagonal dari nano-disk TiN (diameter d, tebal t₁), penyelang SiO₂ (tebal t₂), dan substrat Al 500 nm. Kondisi batas periodik diterapkan di arah lateral, dan lapisan cocok sempurna digunakan sepanjang sumbu optik. Medan insiden normal terhadap permukaan, dengan medan listrik terpolarisasi di bidang xy. Data dispersi material untuk TiN diambil dari Ref. [38] dan untuk MoS₂ dari Ref. [39]. Ukuran jaring 2 nm di bidang x–y dan 0,1–2 nm sepanjang z digunakan untuk menyelesaikan lapisan MoS₂ sub-nanometer. Absorbansi dihitung sebagai A = 1 – R – T; transmisi nol karena lapisan Al sepenuhnya mencegah transmisi.
Optimasi dilakukan dengan mengubah diameter disk d (40–200 nm), tebal disk t₁ (30–50 nm), tebal penyelang t₂ (20–70 nm), dan lattice pitch pₓ (ditentukan pada 200 nm). Konfigurasi optimal menghasilkan absorpsi rata-rata tertinggi di seluruh rentang target.
a Skematis tumpukan nano-disk TiN/monolayer MoS₂/SiO₂/Al. b Tampilan atas unit sel.
Hasil dan Pembahasan
Optimisasi Struktur
Peningkatan diameter disk dari 40 nm menjadi 120 nm meningkatkan resonansi permukaan plasmon lokal (LSPR), meningkatkan puncak absorpsi. Di atas 120 nm, resonansi bergeser dan absorpsi menurun. Oleh karena itu, diameter optimal adalah 120 nm (Gambar 3a). Pengaturan tebal disk t₁ bergeser merah resonansi dan memperlebar bandwidth; t₁ = 50 nm menyediakan jendela absorpsi tinggi yang paling lebar (Gambar 3b). Penyelang SiO₂ mengontrol resonansi magnetis di gap; tebal 50 nm memaksimalkan pencocokan impedansi, menghasilkan absorpsi rata-rata 96,1 % untuk struktur TiN/SiO₂/Al (Gambar 3c).
a Absorpsi vs. diameter disk. b Absorpsi vs. tebal disk. c Absorpsi vs. tebal SiO₂. d Ketergantungan polarisasi (tidak signifikan).
Peran Monolayer MoS₂
Penyisipan lapisan MoS₂ di bawah array TiN meningkatkan absorpsi pada panjang gelombang pendek dengan menyatukan medan yang ditingkatkan LSPR ke dalam MoS₂, yang memiliki koefisien ekstinsi yang tinggi dalam rentang 400–500 nm. Absorpsi rata-rata naik dari 96,1 % menjadi 98,1 % di seluruh 400–850 nm, dengan band hampir sempurna (99 %+) yang meliputi 475–772 nm. Ketika MoS₂ ditempatkan di atas disk, perbaikan lebih kecil, yang menekankan pentingnya pengkhitan medan di gap (Gambar 5).
a Absorpsi dengan MoS₂ di bawah disk. b Tampilan diperbesar dari band absorpsi tinggi. c Kontribusi dari disk TiN dan MoS₂.
Analisis Medan
Tangkapan medan listrik pada 402, 502, dan 680 nm mengungkapkan pengkhitan LSPR yang kuat di sekitar disk dan resonansi magnetis di gap penyelang. Peta vektor Poynting mengonfirmasi bahwa energi dialirkan ke dalam disk TiN dan lapisan MoS₂, yang menjelaskan absorpsi yang hampir sempurna (Gambar 6). Distribusi medan simetris mengonfirmasi ketidaksensitivan penyerap terhadap polarisasi insiden, hasil dari disk lingkaran dan lattice hexagonal (Gambar 3d).
Distribusi medan listrik dan vektor Poynting pada 402 nm (a), 502 nm (b), dan 680 nm (c). Profil medan magnetis (d).
Distribusi Muatan Permukaan
Pada panjang gelombang resonansi 680 nm, densitas muatan puncak di tepi disk, dan medan magnetis paling kuat di gap penyelang, yang menunjukkan resonansi magnetis yang kuat. Pencocokan impedansi antara LSPR dan resonansi magnetis ini mendasari absorpsi sempurna yang diamati (Gambar 7).
Intensitas medan listrik pada (a) permukaan TiN, (b) antarmuka TiN/SiO₂, dan (c) antarmuka SiO₂/Al pada 680 nm.
Kesimpulan
Penyerap metamaterial nano-disk TiN/monolayer MoS₂/SiO₂/Al mencapai absorpsi rata-rata broadband 98,1 % di atas 400–850 nm, dengan sub-band 300 nm (475–772 nm) yang menunjukkan >99 % absorpsi. Desain ini bergantung pada LSPR yang kuat, resonansi magnetis di penyelang, dan kopling disk-ke-disk. Performa yang tidak sensitif terhadap polarisasi, ketebalan total sub-150 nm, dan penggunaan langkah pembuatan yang dapat diskalakan (depoisi tipis lapis dan etching) memosisikan penyerap ini sebagai komponen yang viable untuk perangkat fotovoltaik dan penangkap cahaya generasi mendatang.
