Serapan Cahaya Multiband dan Broadband pada Grafena Monolayer melalui Resonansi Dipol Magnetik dalam Metamaterial Nanodisk Ag
Abstrak
Grafena monolayer, saat digantung, hanya menyerap sekitar 2,3% cahaya insiden pada insiden normal—sebatasan untuk aplikasi optoelektronik. Kami secara numerik menunjukkan bahwa metamaterial yang dirancang dengan hati-hati, yang terdiri dari lembar grafena yang dicantumkan antara empat nanodisk perak (Ag) dengan diameter bervariasi dan pemisah SiO₂ pada substrat Ag, dapat meningkatkan serapan grafena menjadi lebih dari 65% di seluruh spektrum visible. Setiap nanodisk berpasangan dengan substrat untuk menghasilkan resonansi dipol magnetik individu; tindakan kolektif dari empat resonansi ini menghasilkan puncak serapan yang berbeda, dan dengan menyesuaikan tumpang tindih spektral mereka, sebuah band serapan broadband yang tinggi terwujud. Band serapan dapat digeser dengan menyesuaikan ketebalan SiO₂ atau jarak antara nanodisk, menawarkan parameter desain yang serbaguna untuk detektor foton dan perangkat terkait.
Latar Belakang
Jaringan lebah dua dimensi grafena memberinya sifat elektronik dan optik yang luar biasa, seperti mobilitas penguat yang tinggi, konduktivitas yang dapat disesuaikan, dan transparansi yang luar biasa. Serapannya yang universal sekitar 2,3% pada visible dan inframerah dekat berakar pada konstanta halus, namun nilai ini tidak mencukupi untuk deteksi foton yang efisien atau penanganan energi. Berbagai strategi—termasuk jebakan kristal fotonik, refleksi internal total, resonansi plasmon permukaan, difraksi evanescent, dan peng coupling mode terpandu—telah dieksplorasi untuk meningkatkan serapan grafena. Namun, mencapai peningkatan multiband dan broadband secara bersamaan, terutama dalam rentang optik, masih tantangan. Pekerjaan sebelumnya telah menunjukkan bahwa desain multi-resonator dapat memperluas serapan pada THz dan inframerah; di sini kami memperluas konsep ini ke visible dengan memanfaatkan mode dipol magnetik dalam arsitektur metamaterial sub-panjang gelombang.
Metode/Eksperimen
Sel satuan (Gambar 1) terdiri dari grafena monolayer yang ditempatkan di antara empat nanodisk Ag dengan diameter d₁ > d₂ > d₃ > d₄ dan pemisah SiO₂ pada substrat Ag. Periode pₓ dan pᵧ adalah 400 nm, tinggi nanodisk h adalah 50 nm, ketebalan pemisah t adalah 30 nm, dan level Fermi grafena E_f adalah 0,5 eV. Simulasi elektromagnetik dilakukan dengan EastFDTD v5.0, menggunakan permisitivitas Drude-Lorentz eksperimental Ag dan perkiraan fase acak untuk konduktivitas permukaan grafena (suku intraband dan interband). Tensor permisitivitas grafena dimodelkan sebagai ε_g = diag(1+ iσ/(ωε₀t_g), 1+ iσ/(ωε₀t_g), 1).
Gambar 1. Sel satuan metamaterial: lembar grafena di antara empat nanodisk Ag dan pemisah SiO₂ pada substrat Ag. Parameter seperti yang dijelaskan dalam teks.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 2 menunjukkan spektrum serapan yang dihitung untuk grafena, Ag, dan metamaterial lengkap pada insiden normal. Empat puncak serapan yang mencolok muncul pada λ₁ = 722,9 nm, λ₂ = 655,7 nm, λ₃ = 545,5 nm, dan λ₄ = 468,8 nm, dengan serapan grafena mencapai 65,7%, 61,2%, 68,4%, dan 64,5%, masing-masing. Dibandingkan dengan 2,3% intrinsik dari grafena yang digantung, ini merupakan peningkatan lebih dari 26 kali. Pada λ₃, serapan total melebihi 98,5%, mencerminkan kinerja penyerap sempurna yang dirintis dan menyoroti potensi untuk integrasi sel surya.
Gambar 2. Spektrum serapan insiden normal: grafena (lingkaran merah), Ag (segitiga hijau), dan metamaterial total (kotak hitam) dari 450–800 nm. Geometri: pₓ = pᵧ = 400 nm; d₁ = 140 nm; d₂ = 110 nm; d₃ = 80 nm; d₄ = 50 nm; h = 50 nm; t = 30 nm; E_f = 0,50 eV; τ = 0,50 ps; T = 300 K; t_g = 0,35 nm.
Untuk mengelapkan asal puncak-puncak ini, distribusi medan pada setiap resonansi diperiksa (Gambar 3 dan 4). Pada λ₁, medan listrik melokal di tepi nanodisk terbesar, sementara medan magnetik terkunci di dalam pemisah SiO₂ di bawahnya—karakteristik dari mode dipol magnetik yang timbul dari hibridisasi plasmon dengan substrat. Pola yang sama muncul untuk λ₂, λ₃, dan λ₄, masing-masing terkait dengan disk yang lebih kecil berikutnya. Jadi, empat resonansi dipol magnetik independen mendorong serapan multiband.
Gambar 3. Intensitas medan listrik dinormalisasi (E/E_in) di seluruh pemisah SiO₂ untuk empat resonansi. Panah merah menunjukkan arah medan; skala warna menunjukkan intensitas.Gambar 4. Intensitas medan magnetik dinormalisasi (H/H_in)² untuk resonansi yang sama.
Dengan menyesuaikan diameter nanodisk sehingga empat resonansi tumpang tindih secara spektral, sebuah band serapan broadband yang mencakup 450–650 nm tercapai (Gambar 5a). Puncak serapan tetap di atas 73% sementara lembah tetap di atas 50%. Peningkatan bertahap diameter menggeser band ini ke panjang gelombang yang lebih lama (Gambar 5b,c). Mengubah ketebalan pemisah SiO₂ juga memodulasi band serapan; peningkatan t dari 25 hingga 45 nm menghasilkan geser biru yang jelas (Gambar 6). Sebagai analogi, pengurangan jarak pusat-ke-pusat antara disk berseberangan (l dari 220 hingga 160 nm) menyebabkan geser biru modest karena coupling plasmon antar-disk (Gambar 7).
Gambar 5. Serapan broadband yang dicapai dengan memvariasi diameter nanodisk: (a) d₁ = 110 nm, d₂ = 90 nm, d₃ = 70 nm, d₄ = 50 nm; (b) diameter dinaikkan secara progresif; (c) diameter dinaikkan lebih lanjut. Parameter lain sama seperti Gambar 2.Gambar 6. Efek ketebalan pemisah SiO₂ pada serapan: t = 25–40 nm dalam langkah 5 nm. Diameter disk: d₁ = 140 nm, d₂ = 120 nm, d₃ = 100 nm, d₄ = 80 nm.Gambar 7. Pengaruh jarak antar-disk l pada serapan: l = 220–160 nm. Parameter lain seperti Gambar 6.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan bahwa metamaterial sub-panjang gelombang yang memiliki grafena monolayer di antara empat nanodisk Ag dapat menghasilkan empat resonansi dipol magnetik yang berbeda, menghasilkan puncak serapan multiband antara 468 dan 723 nm dengan efisiensi yang melebihi 60%. Dengan merancang diameter disk, ketebalan pemisah, atau jarak antar-disk, resonansi ini dapat digabungkan menjadi band serapan broadband yang mencakup 450–650 nm dengan nilai puncak di atas 73% dan lembah di atas 50%. Penyerap yang dapat disesuaikan dan berkinerja tinggi ini menjanjikan untuk detektor foton generasi berikutnya, sel surya, dan perangkat optoelektronik lain yang membutuhkan interaksi cahaya-materi yang kuat pada visible.
