Metasurface Plamonik Terkait Hibrid In-Plane dan Out-of-Plane untuk Aktivitas Optik yang Ditingkatkan
Abstrak
Metasurface plamonik telah menarik perhatian besar dalam beberapa tahun terakhir karena banyak prospek aplikasi yang menjanjikan, seperti perpindahan polarisasi, peningkatan medan listrik lokal (FE), absorpsi hampir sempurna, sensorik, perangkat lambat cahaya, dan nanoantena. Namun, banyak masalah dalam aplikasi ini, seperti kecepatan perpindahan hanya gigahertz pada switch elektro-optik, faktor kualitas (Q) rendah dari resonansi plamonik, dan nilai layak ukur (FOM) yang relatif rendah pada sensorik, sangat membatasi perkembangan lebih lanjut metasurface plamonik. Selain itu, berfungsi sebagai nanoantena, juga menantang untuk mencapai FE medan listrik lokal yang melebihi 100 dan absorpsi hampir sempurna di atas 99%. Di sini, menggunakan metode elemen hingga dan metode selisih waktu domain masing-masing, kami pertama kali melaporkan metasurface plamonik yang dapat diatur secara optis berdasarkan hibridisasi kopling medan dekat in-plane dan out-of-plane, yang memberikan solusi yang baik untuk masalah serius dan mendesak ini. Fenomena fisika transparansi terinduksi elektromagnetik diperoleh melalui interferensi destruktif antara dua mode plamon. Pada saat yang sama, puncak absorpsi sempurna yang sangat tajam dengan faktor Q ultra-tinggi (221,43) dicapai sekitar 1550 nm, yang dapat menghasilkan FOM ultra-tinggi (214,29) dalam aplikasi sensorik. Khususnya, dengan menggunakan CdO dot indium, metasurface ini juga pertama kali ditunjukkan sebagai polarizer refleksi optik femtodetik dalam daerah inframerah dekat, dengan rasio kepunahan polarisasi ultra-tinggi. Sementara itu, beroperasi sebagai nanoantena, metasurface ini mencapai secara simultan FE medan listrik lokal yang kuat (|E_loc|/|E_0| > 100) dan absorpsi hampir sempurna di atas 99,9% untuk pertama kalinya, yang akan memberikan manfaat pada berbagai aplikasi termasuk pembiakan air fotokatalitik dan absorpsi inframerah yang ditingkatkan permukaan.
Latar Belakang
Metasurface plamonik, sebagai versi dua dimensi dari metamaterial, memiliki berbagai fenomena dan aplikasi yang menjanjikan termasuk perpindahan polarisasi [1], rotator cahaya [2], resonansi Fano [3,4,5,6,7], nanoantena [8,9,10], indeks refraksi negatif [11, 12], penyerap hampir sempurna [13,14,15], dan samar samar. Khususnya, banyak perhatian telah diberikan pada studi fenomena transparansi terinduksi elektromagnetik (EIT) dan resonansi Fano berdasarkan metasurface plamonik karena banyak aplikasi potensial seperti pencitraan Raman yang ditingkatkan permukaan (SERS) [3], absorpsi inframerah yang ditingkatkan permukaan (SEIRA) [16], sensorik indeks refraksi [17,18,19,20,21], dan penyimpanan informasi kuantum. Konsep EIT dan resonansi Fano keduanya awalnya ditemukan dalam sistem kuantum. EIT diperoleh oleh interferensi destruktif antara dua mode plamon dalam sistem klasik. Kemudian, jika EIT dihasilkan ketika mode plamon yang lebih sempit interferensi destruktif dengan mode plamon yang lebih lebar, spektrum yang dihasilkan akan memiliki bentuk garis Fano. Zhang et al. pertama kali merealisasikan resonansi Fano dan EIT dalam struktur nanoskal plamonik dengan elemen cerah dan gelap dalam satu bidang [22]. Namun, untuk sebagian besar metasurface plamonik yang dilaporkan berdasarkan kopling plamonik in-plane yang beroperasi dalam daerah cahaya terlihat atau inframerah dekat (NIR), kekuatan kopling ditentukan oleh ukuran yang akurat dari jarak di antara elemen resonan, tetapi mencapai jarak yang tepat, sub-10-nm masih merupakan tantangan karena keterbatasan teknologi pembuatan saat ini [8]. Namun, struktur nanoskal ini sangat bergantung pada jarak antar partikel yang kecil, yang tidak menguntungkan untuk produksi luas area. Berbeda dengan metasurface berdasarkan efek kopling in-plane, Liu et al. secara eksperimental menunjukkan EIT plamonik menggunakan tumpukan vertikal elemen metamaterial untuk pertama kalinya [23]. Selanjutnya, sejumlah metamaterial (atau metasurface) berdasarkan desain planar atau vertikal struktur nanoskal plamonik baru-baru ini diusulkan dan ditunjukkan untuk mencapai fenomena seperti EIT dan resonansi Fano [24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35]. Amin et al. menunjukkan bentuk garis spektral seperti Fano yang asimetris dan jendela EIT yang sempit dalam respons resonator yang dibuat menggunakan bingkai emas dan patch grafen dalam satu bidang [17]. Namun, faktor kualitas resonansi Fano dalam struktur logam ini sangat rendah karena kehilangan optik dalam logam yang menyebabkan perlebaran signifikan resonansi plamonik, yang juga merupakan masalah yang sangat umum dalam struktur nanoskal plamonik menggunakan logam [36,37,38,39,40,41,42]. Seperti yang kami ketahui, faktor Q dari sebagian besar resonansi Fano yang dilaporkan pada daerah cahaya terlihat dan NIR umumnya lebih rendah dari 10 [36,37,38,39,40,41,42,43]. Baru-baru ini, Dayal et al. menunjukkan metasurface logam berbasis mode galeri bising yang merealisasikan resonansi Fano plamonik dengan Q tinggi (mencapai 79) pada frekuensi NIR [5]. Namun, resonansi Fano yang dilaporkan ini hanya dapat dicapai pada panjang gelombang tertentu, yang juga merupakan masalah umum yang serius membatasi perkembangan dan aplikasi lebih lanjut dari fenomena resonansi Fano atau EIT. Manipulasi aktif dari resonansi Fano atau jendela EIT sangat diinginkan untuk banyak aplikasi praktis [19, 21, 35, 43]. Xia et al. merancang dan secara numerik menunjukkan sistem PIT yang dapat disesuaikan yang terdiri dari lapisan grafen melengkung sinus dan planar, yang dapat menghindari pola apa pun dari lembar grafen [44]. Pada tahun 2017, Yang et al. secara eksperimental mencapai resonansi absorpsi yang sangat dapat dikendalikan dengan faktor kualitas tinggi, yang pertama kali ditunjukkan sebagai perpindahan polarisasi optik femtodetik berdasarkan metasurface plamonik dalam daerah inframerah tengah [1]. Selain itu, peningkatan medan listrik maksimum yang mencapai 41,8 juga diamati dalam karya ini. Menggunakan nanoantena plamonik yang menghasilkan tidak hanya "titik panas" dengan peningkatan medan lokal yang besar tetapi juga absorpsi hampir sempurna sangat diinginkan. Meskipun kemajuan luar biasa dalam eksplorasi peningkatan peningkatan medan listrik lokal dan peningkatan absorpsi, mencapai peningkatan medan listrik lokal yang kuat (|E_loc|/|E_0| > 100) dan absorpsi hampir sempurna (> 99%) secara simultan masih merupakan tantangan, yang akan memberikan manfaat pada berbagai aplikasi termasuk sensor plamonik, pembiakan air fotokatalitik, SERS, dan SEIRA. Di sisi lain, kecuali perpindahan polarisasi yang dilaporkan oleh Yang et al. [1], sebagian besar perangkat selektif polarisasi tradisional, seperti gelang gelombang dan polarizer berdasarkan efek elektro-optik, atau statis atau beroperasi dengan kecepatan perpindahan hanya gigahertz, yang dibatasi oleh elektronika yang diperlukan [45, 46]. Oleh karena itu, untuk fenomena atau aplikasi efek EIT, resonansi Fano, dan nanoantena plamonik berdasarkan metasurface plamonik, sebagian besar karya yang sebelumnya dilaporkan biasanya menderita masalah serius dan mendesak ini: (i) perlebaran resonansi plamonik karena kehilangan optik yang besar dalam logam [5]; (ii) panjang gelombang operasi yang tidak dapat disesuaikan dari efek EIT atau resonansi Fano [35]; (iii) tantangan mencapai peningkatan medan listrik lokal yang kuat (|E_loc|/|E_0| > 100) dan absorpsi hampir sempurna (> 99%) secara simultan [8]; (iv) umumnya, hanya kecepatan perpindahan gigahertz dari perangkat selektif polarisasi yang beroperasi dalam daerah cahaya terlihat atau NIR [1].
Dalam karya ini, menggunakan metode selisih waktu domain (FDTD) dan metode elemen hingga (FEM) masing-masing, kami usulkan dan secara numerik menunjukkan metasurface plamonik yang aktif optik berdasarkan hibridisasi kopling in-plane dan kopling out-of-plane. Dalam sistem metasurface ini, efek seperti EIT dapat dicapai dengan memecah simetri struktur, dan panjang gelombang operasi jendela EIT dapat diatur dengan mengubah indeks refraksi lapisan CdO, yang dapat dikontrol optik dengan menyesuaikan cahaya pompa [1]. Dalam spektrum refleksi seperti EIT ini, resonansi plamonik dengan faktor Q tinggi diperoleh pada panjang gelombang 1550 nm, yang jauh lebih tinggi dari karya yang sebelumnya dilaporkan [36,37,38,39,40,41,42,43]. Khususnya, karena independensi polarisasi metasurface, metasurface plamonik ini menggunakan cadmium dot indium juga dapat berfungsi sebagai switch polarisasi femtodetik untuk cahaya berpolarisasi TM pada 1550 nm. Dengan menyesuaikan cahaya pompa, kami meredshift spektral resonansi plamonik, dan metasurface mencapai kedalaman modulasi besar dari refleksi cahaya berpolarisasi TM dari 0,003 ke 60%, sambil mempertahankan refleksi hampir satu untuk gelombang berpolarisasi TE. Seperti yang kami ketahui, kedalaman modulasi yang besar ini jauh lebih tinggi dari sistem switch plamonik yang sebelumnya dilaporkan [47,48,49,50,51,52,53,54,55]. Perlu dicatat bahwa switch polarisasi femtodetik pertama kali secara numerik ditunjukkan berdasarkan metasurface plamonik melalui hibridisasi kopling in-plane dan out-of-plane. Pada saat yang sama, metasurface ini dapat mencapai absorpsi hampir sempurna di atas 99,9% dan peningkatan medan listrik maksimum yang mencapai 108 secara simultan, dan peningkatan medan listrik yang kuat terbatas dalam lingkaran dengan diameter hanya 3 nm, yang sangat bermanfaat untuk deteksi satu molekula untuk banyak spektroskopi yang ditingkatkan permukaan. Selain itu, karena sensitivitas terhadap perubahan indeks refraksi dan resonansi plamonik yang sangat tajam, metasurface ini juga dapat bekerja sebagai sensor indeks refraksi dengan FOM ultra-tinggi.
Metode
Metasurface yang diusulkan secara skematis ditunjukkan dalam Gambar 1a. Gambar 1b menunjukkan penampang satu sel unit metasurface dengan parameter geometris, yang terdiri dari dua grup batang emas dan lapisan polimer. Setiap grup memiliki dua batang emas yang dipisahkan oleh nanoslit. Satu grup batang emas ditempatkan di atas lapisan polimer, dan grup batang emas lainnya terbenam dalam lapisan polimer. Array batang emas asimetris secara periodik diatur pada substrat emas tebal dengan periodicitas P = 1395 nm. Metasurface yang diusulkan diterpa oleh cahaya transversal-magnetik (TM) yang biasanya insiden (komponen magnetis tegak lurus terhadap cahaya insiden). Dalam perhitungan ini, untuk memastikan keandalan dan akurasi hasil simulasi, kami menggunakan metode FDTD dan FEM untuk menghitung properti optik dan distribusi medan elektromagnetik metasurface yang diusulkan, masing-masing. Perhitungan FEM dilakukan oleh perangkat lunak komersial COMSOL MULTIPHYSICS. Kondisi batas periodik diterapkan dalam arah x dan kami menetapkan lapisan cocok sempurna (PML) pada batas arah y. Ukuran jaring adalah 0,8 nm baik dalam arah x maupun y. Permitivitas Au dijelaskan oleh model Drude, dan indeks refraksi polimer adalah 1,5 [36, 56, 57]. Latar belakang simulasi diasumsikan dalam udara dengan n_air = 1. Absorpsi diberikan oleh A = 1 − R, karena substrat Cem itu tidak transparan (T = 0) [58].
a Struktur skematis metasurface yang diusulkan. b Penampang metasurface plamonik dengan parameter geometris
Hasil dan Pembahasan
Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a, kami menghitung dan menggambarkan spektrum refleksi dan absorpsi metasurface yang diusulkan sekitar 1550 nm pada insiden normal di bawah cahaya berpolarisasi TM. Untuk spektrum absorpsi, ada dua puncak absorpsi yang berbeda yang terletak pada 1550 dan 1588 nm dengan efisiensi absorpsi hampir sempurna di atas 99,9%, masing-masing. Dari spektrum refleksi yang ditunjukkan dalam Gambar 2b, kami mengamati respons spektral seperti EIT dari metasurface ini dalam rentang panjang gelombang ini, dan hasil yang sama dari spektrum refleksi ditunjukkan dengan menggunakan FDTD dan FEM masing-masing. Spektrum refleksi metasurface yang diusulkan di bawah polarisasi TE (komponen listrik tegak lurus terhadap bidang insiden) juga ditampilkan dalam Gambar 2b dengan garis hitam, dan refleksi mendekati satu yang menunjukkan tidak ada absorpsi yang terjadi dalam metasurface ini untuk polarisasi TE. Ketergantungan polarisasi metasurface ini dapat dengan mudah dijelaskan oleh desain asimetris metasurface yang diusulkan. Oleh karena itu, metasurface ini bertahan dengan efisiensi untuk polarisasi TM dan tetap gelap untuk polarisasi TE.
a Spektrum absorpsi dan refleksi metasurface plamonik yang ditunjukkan dalam Gambar 1. b Spektrum refleksi metasurface yang ditunjukkan dalam Gambar 1 yang dihitung oleh FDTD dan FEM masing-masing. c Metasurface plamonik yang terdiri dari dua batang emas dengan jarak yang berbeda dari substrat emas. d Spektrum refleksi metasurface plamonik yang ditunjukkan dalam c
Untuk dengan mudah menjelaskan fenomena seperti EIT dari metasurface yang diusulkan dalam Gambar 2a, kami pertama kali mempertimbangkan metasurface yang relatif sederhana tanpa nanoslit yang ditunjukkan dalam Gambar 2c, yang terdiri dari dua batang emas nano dengan jarak yang berbeda dari substrat emas. Spektrum refleksi metasurface tanpa nanoslit ini dihitung dan digambarkan dalam Gambar 2d. Jelas, respons spektral seperti EIT dengan bentuk garis asimetris muncul, yang mungkin disebabkan oleh efek kopling antara dua batang emas. Kemudian, proses pemecahan simetri (Gambar 3a-c) dari struktur diteliti untuk mengklarifikasi proses pembentukan jendela seperti EIT yang mendasarinya. Variasi spektrum refleksi dengan perubahan ∆d dihitung dan digambarkan dalam Gambar 3d. Untuk ∆d = 0, hanya ada satu cermin refleksi sekitar 1653 nm dalam band kerja, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3e. Seiring meningkatnya ∆d, kami memperhatikan bahwa respons spektral seperti EIT dengan dua cermin refleksi (ω_Left dan ω_Right) muncul. Jika ∆d ditingkatkan lebih lanjut, mode ω_Left dapat ditingkatkan lebih lanjut, dan hasil perhitungan ini menunjukkan bahwa mode ω_Left mungkin sangat relevan dengan batang emas nano A. Pada saat yang sama, seiring meningkatnya ∆d, panjang gelombang resonansi mode ω_Left menunjukkan redshift kecil, dan panjang gelombang resonansi mode ω_Right tetap hampir tidak berubah sekitar 1653 nm. Melalui analisis di atas, terjadinya fenomena seperti EIT dapat diturunkan dari asimetri struktur nanoskal. Selain itu, untuk menafsirkan resonansi plamonik pada 1395 nm dalam spektrum refleksi yang ditunjukkan dalam Gambar 3d, g, spektrum refleksi dibandingkan antara metasurface yang dirancang dan struktur gratis logam (lihat insert Gambar 3g). Untuk struktur gratis logam, juga ada cermin refleksi pada 1395 nm, yang disebabkan oleh pengesaran polariton permukaan plasmon (SPP) dari studi yang sebelumnya dilaporkan [58, 59]. Oleh karena itu, resonansi plamonik metasurface ini pada 1395 nm disebabkan oleh pengesaran SPP.
a–c Proses pemecahan simetri metasurface plamonik yang ditunjukkan dalam Gambar 2c. d Spektrum refleksi metasurface plamonik dengan berbagai ∆d pada rentang panjang gelombang 1100–1800 nm. e Spektrum refleksi metasurface plamonik dengan ∆d = 0 pada rentang panjang gelombang 1550–1800 nm. f Spektrum refleksi metasurface plamonik dengan berbagai ∆d pada rentang panjang gelombang 1550–1800 nm. g Spektrum refleksi metasurface plamonik dengan berbagai ∆d = 92 nm dan struktur logam semua pada rentang panjang gelombang 1100–1800 nm, masing-masing
Kemudian, kami juga masing-masing menyelidiki spektrum refleksi metasurface yang dibuat menggunakan sistem batang nano film-coupled dengan hanya batang emas nano A dan batang emas nano B, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a, b. Ketika diangsir dengan cahaya insiden TM secara terpisah, mode plamon yang lebih sempit (ω_A) diangsir dalam metasurface dengan batang emas nano A, dan mode plamon yang lebih lebar (ω_B) diamati dalam metasurface dengan batang emas nano B. Untuk menggambarkan lebih jelas mekanisme fisika di balik dua mode plamon ini, kami masing-masing menghitung distribusi medan magnet pada dua cermin refleksi ini, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4c, d. Panah merah menunjukkan arus sedangkan peta warna menunjukkan magnitudo medan magnet. Untuk mode ω_A yang ditunjukkan dalam Gambar 4a, dapat diamati bahwa medan magnet terbatas di celah di antara batang emas nano A dan substrat emas. Selain itu, arus anti-paralel diamati pada antarmuka logam internal atas dan bawah. Oleh karena itu, mode plamon terutama terkait dengan resonansi magnetik yang disebabkan oleh arus beredar, dan energi cahaya insiden disipasi oleh kehilangan ohmik logam, yang menyebabkan cermin refleksi dalam mode ω_A. Kemudian, untuk mode ω_B dalam Gambar 4b, arus beredar berarah berlawanan dengan arus dari mode ω_A, yang juga dapat memicu resonansi magnetik. Untuk sistem batang nano film-coupled dengan baik batang emas nano A dan batang emas nano B, fenomena dalam Gambar 5a juga dapat diperlakukan sebagai resonansi Fano ganda dengan dua cermin refleksi (ω_Left dan ω_Right) karena bentuk garis asimetris [3]. Bentuk garis spektral seperti Fano yang asimetris dan jendela seperti EIT ini diperoleh dari interferensi destruktif antara mode plamon yang lebih sempit (ω_A) yang ditunjukkan dalam Gambar 4a dan mode plamon yang lebih lebar (ω_B) yang ditunjukkan dalam Gambar 4b. Seperti yang kami ketahui, resonansi Fano pertama kali diamati dalam array buatan resonator dengan bentuk yang sama dengan posisi yang asimetris.
a Spektrum refleksi metasurface plamonik dengan hanya batang emas nano A. b Spektrum refleksi metasurface plamonik dengan hanya batang emas nano B. c Distribusi medan magnet H yang dihitung dari metasurface pada panjang gelombang resonansi mode ω_A. d Distribusi medan magnet H yang dihitung dari metasurface pada panjang gelombang resonansi mode ω_B. (Ketebalan baik emas A dan emas B adalah 92 nm; lebar baik emas A dan emas B adalah 92 nm; ketebalan polimer adalah 110 nm; periode adalah 1395 nm)
a Spektrum refleksi metasurface plamonik yang ditunjukkan dalam Gambar 2. b, c Distribusi medan magnet H yang dihitung dari metasurface pada panjang gelombang resonansi mode ω_Left dan ω_Right, masing-masing. d, e Distribusi medan listrik (|E_loc|/|E_0|) yang dihitung dari metasurface pada panjang gelombang resonansi mode ω_Left dan ω_Right, masing-masing
Untuk menjelajih lebih dalam mekanisme fisika di balik dua resonansi plamonik (ω_Left dan ω_Right) yang ditunjukkan dalam Gambar 4c, distribusi medan magnet H dan medan listrik |E_loc|/|E_0| pada panjang gelombang dari dua resonansi ini dihitung dan digambarkan dalam Gambar 5. Di satu sisi, sesuai dengan Gambar 5b, c, medan magnet terutama terlokalisasi di lapisan dielrektrik di antara batang emas nano dan substrat emas, yang merupakan fitur kunci dari kopling out-of-plane antara batang emas dan substrat Au. Jelas, distribusi medan yang berbeda diamati untuk dua resonansi ini yang diangsir pada dua puncak absorpsi. Untuk mode ω_Left, medan magnet terlokalisasi di celah di antara batang emas nano A dan substrat emas, yang menunjukkan bahwa mode ω_Left terkait erat dengan kopling out-of-plane antara batang emas nano A dan substrat emas, yang serupa tetapi tidak sama dengan medan magnet mode ω_A dalam Gambar 4c karena kopling antara mode ω_A dan mode ω_B. Untuk mode ω_Right, medan magnet terlokalisasi di nanoslit di antara batang emas nano B dan substrat. Oleh karena itu, mode ω_Right terutama berkontribusi dari kopling out-of-plane antara batang emas nano B dan substrat emas. Di sisi lain, medan listrik ditingkatkan dengan kuat dan terlokalisasi dalam area yang sangat kecil di tepi batang emas. Kemudian, kecuali fenomena fisika EIT, metasurface ini juga dapat diperlakukan sebagai nanoantena plamonik (PN), yang membatasi cahaya insiden bebas ruang ke dalam daerah sub-panjang gelombang dengan peningkatan medan lokal, yang merupakan penelitian yang sangat penting dan dasar untuk sistem nanofotonik. Di sini, faktor |E_loc|/|E_0| didefinisikan untuk mengevaluasi performa peningkatan medan listrik lokal dari PN. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5d, e, peningkatan medan listrik lokal dari metasurface dapat mencapai hingga 75. Namun, meskipun peningkatan medan listrik lokal dicapai menggunakan sistem batang nano film-coupled, sesuai dengan Gambar 4c, masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan untuk merealisasikan absorpsi hampir sempurna, yang menghasilkan kedalaman modulasi yang kecil. Dari penelitian sebelumnya [8], kami tahu bahwa mencapai peningkatan medan listrik lokal yang besar dan absorpsi hampir sempurna akan memberikan manfaat pada berbagai aplikasi, termasuk sensor plamonik, pembiakan air fotokatalitik, SERS, dan SEIRA. Selain itu, struktur metasurface ini menunjukkan lebar garis yang relatif lebih lebar. Karena faktor Q dari resonansi plamonik didefinisikan sebagai Q = λ/lebar pada setengah maksimum (FWHM), resonansi yang lebih lebar akan menghasilkan resonansi plamonik dengan Q lebih rendah. Oleh karena itu, FWHM yang lebar dan kedalaman modulasi yang kecil dari resonansi ini dapat menghambat aplikasi seperti sensorik indeks refraksi, perpindahan polarisasi, dan penurunan kecepatan cahaya, di mana respons spektral yang tajam diinginkan.
Untuk mencapai secara simultan peningkatan medan listrik lokal yang besar, absorpsi hampir sempurna, dan resonansi dengan faktor Q tinggi, di sini kami memperkenalkan konsep hibridisasi kopling plamonik out-of-plane dan kopling plamonik in-plane dalam karya ini. Jelas, dibandingkan dengan metasurface batang nano film-coupled berdasarkan kopling out-of-plane, metasurface yang diusulkan ini dalam Gambar 1 memiliki properti absorpsi yang unggul seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2. Khususnya, FWHM dari resonansi plamonik pada 1550 nm adalah 7 nm, menghasilkan faktor Q (Q = λ/FWHM = 1550 nm/7 nm) sebesar 221,43, yang jauh lebih tinggi dari karya yang sebelumnya dilaporkan [36,37,38,39,40,41,42]. Kemudian, untuk mendapatkan wawasan fisik yang lebih dalam tentang resonansi Fano dengan faktor Q tinggi dan absorpsi sempurna yang timbul dari metasurface asli dalam Gambar 1, kami membuat plot distribusi medan magnet dan listrik yangディsimulasikan pada panjang gelombang resonansi 1550 nm (ω_1) dan 1588 nm (ω_2), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6. Jelas, medan magnet terutama terletak di celah di antara batang emas dan substrat emas, dan sebagian dari medan magnet menyebar ke nanoslit di antara dua batang emas nano. Berbeda dengan medan listrik yang hanya timbul dari kopling out-of-plane seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5d, e, medan listrik dari metasurface yang diusulkan ini juga sangat terlokalisasi dalam area yang sangat kecil di antara dua batang emas sesuai dengan Gambar 6c, d, yang menandakan kopling LSP yang kuat antara dua batang emas nano. Gambar 6c menunjukkan bahwa peningkatan medan listrik maksimum pada panjang gelombang resonansi dapat mencapai hingga 108, sekitar 1,4 kali dibandingkan metasurface film-coupled saja yang ditunjukkan dalam Gambar 5d, yang jauh lebih tinggi dari nanoantena yang sebelumnya dilaporkan [21, 60,61,62,63,64,65]. Khususnya, kami dapat dengan jelas mengamati bahwa "titik panas" ultrakecil yang ditandai dengan peningkatan medan yang kuat terbatas dalam area lingkaran dengan diameter hanya 3 nm. Oleh karena itu, sistem metasurface hibrida ini telah ditunjukkan memiliki secara simultan absorpsi yang unggul, peningkatan medan listrik lokal yang besar, dan resolusi lateral yang kecil, yang sangat membantu untuk mengesansikan properti yang akurat dari satu molekul untuk banyak spektroskopi yang ditingkatkan permukaan, karena kemampuannya untuk mendukung baik LSP maupun kopling out-of-plane.
a, b Distribusi medan magnet H yang dihitung dari metasurface pada panjang gelombang resonansi 1550 dan 1588 nm, masing-masing. c, d Distribusi medan listrik (|E_loc|/|E_0|) yang dihitung dari metasurface pada panjang gelombang resonansi 1550 dan 1588 nm, masing-masing
Dari hasil analisis dalam Gambar 2b, kami tahu bahwa metasurface bertahan dengan efisiensi untuk polarisasi TM dan tetap gelap untuk polarisasi TE, karena desain asimetris, yang memiliki aplikasi potensial dalam switch polarisasi. Kemudian, mengingat bahwa indeks refraksi PVA (poly(vinyl alcohol) dapat berubah dengan perubahan daya pompa [36, 56, 57], panjang gelombang operasi resonansi plamonik umumnya dapat diubah dengan mengubah indeks refraksi lapisan dielektrik. Kemudian, Gambar 7a,b mengilustrasikan bahwa metasurface yang diusulkan memang dapat bekerja sebagai switch polarisasi, yang didasarkan pada polarizer refleksi yang berisi resonansi yang dapat diatur untuk cahaya berpolarisasi TM dengan mengubah indeks refraksi PVA. Jelas, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7b, tanpa rangsangan eksternal, cahaya berpolarisasi TM sepenuhnya diserap pada panjang gelombang 1550 nm ("mati"), dan metasurface ini sepenuhnya memantulkan cahaya berpolarisasi TM pada panjang gelombang 1565 ny ("hidup"). Dengan rangsangan eksternal, resonansi Fano untuk gelombang berpolarisasi TM bergeser ke 1565 nm ("mati"), dan metasurface ini menjadi sepenuhnya reflektif untuk cahaya berpolarisasi TM pada 1550 nm ("hidup"). Jelas, dalam Gambar 7b, metasurface ini dapat merealisasikan perubahan nilai refleksi dari 0,009 ke 98% pada 1550 nm, dan kedalaman modulasi yang besar ini jauh lebih tinggi dari sistem switch plamonik yang sebelumnya dilaporkan. Di sisi lain, sesuai dengan Gambar 7b, refleksi cahaya insiden tetap mendekati satu dengan dan tanpa rangsangan eksternal untuk polarisasi TE ("hidup"). Oleh karena itu, metasurface ini dapat merealisasikan switch polarisasi untuk cahaya berpolarisasi TM berdasarkan polarizer refleksi dengan rasio kepunahan 11.000 (R_TE/R_TM = 0,99/0,00009 = 11.000) pada 1550 nm. Kami juga memberikan perhitungan tentang efek sudut polarisasi φ terhadap spektrum refleksi, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7c. Jelas, performa absorpsi akan secara bertahap menurun pada panjang gelombang resonansi seiring meningkatnya φ, yang dapat dijelaskan oleh bahwa medan listrik insiden E dapat diuraikan menjadi cahaya berpolarisasi TE dan TM, dan cahaya berpolarisasi TE dipantulkan. Berdasarkan hasil perhitungan dalam Gambar 7c, polarisasi output yang diproyeksikan dari metasurface, dengan dan tanpa pompa, pada 1550 dan 1588 nm digambarkan dalam Gambar 7d.
a Struktur skematis metasurface yang diusulkan dengan cahaya pompa. b Spektrum refleksi metasurface yang diusulkan dengan cahaya insiden berpolarisasi TM dan TE, dengan dan tanpa cahaya pompa. c Spektrum refleksi metasurface yang diusulkan dengan berbagai sudut polarisasi. d Polarisasi output yang diproyeksikan dari metasurface, dengan dan tanpa pompa, pada 1550 dan 1588 nm
CdO dot indium adalah salah satu jenis materi plamonik yang dapat diatur optik, dan switch polarisasi femtodetik yang beroperasi pada 2,8 μm berdasarkan film CdO yang fotoangsir telah ditunjukkan secara eksperimental dalam literatur terbaru [1]. Untuk meningkatkan kapasitas dapat diatur dari struktur EIT kami, kami menyelidiki properti optik metasurface yang diusulkan menggunakan CdO [1]. Struktur skematis metasurface berbasis CdO dengan parameter geometris digambarkan dalam Gambar 8a. Indeks refraksi MgO dan CdO diperoleh dari referensi [1, 66], masing-masing. Sesuai dengan Gambar 8b, kami menunjukkan spektrum refleksi dengan dan tanpa pompa sekitar 1568 nm. Dalam keadaan statis "hidup", metasurface yang diusulkan adalah polarizer yang memantulkan gelombang berpolarisasi TE dan sepenuhnya menyerap gelombang berpolarisasi TM pada panjang gelombang 1568 nm. Dalam keadaan statis "mati", metasurface yang diusulkan menjadi reflektif untuk baik polarisasi TM maupun TE pada 1568 nm, dan resonansi untuk gelombang berpolarisasi TM bergeser ke 1581 nm, karena perubahan indeks refraksi dari CdO dot indium oleh rangsangan eksternal. Khususnya, polarizer refleksi ini dapat mencapai rasio kepunahan yang besar pada 1568 nm untuk cahaya berpolarisasi TM karena R_min yang sangat rendah yang ditunjukkan dalam Gambar 8b. Rasio kepunahan yang besar dari metasurface berbasis CdO membuatnya menjadi platform yang baik untuk kontrol polarisasi aktif. Perlu dicatat, indeks refraksi CdO dapat diatur dengan mengubah daya pompa, yang juga dapat merealisasikan kontrol aktif dari panjang gelombang operasi efek seperti EIT. Selain itu, kami dapat menemukan bahwa cahaya pompa tidak berpengaruh pada bahan lain (termasuk emas, MgO), yang telah ditunjukkan secara eksperimental dalam referensi ini [1, 36, 56, 57].
a Struktur skematis metasurface berbasis CdO dengan cahaya pompa. b Spektrum refleksi metasurface berbasis CdO dengan cahaya insiden berpolarisasi TM dan TE, dengan dan tanpa cahaya pompa
Selain itu, untuk sensitivitas indeks refraksi dari analisis di atas, metasurface yang diusulkan juga dapat diterapkan untuk mendeteksi perubahan indeks refraksi lingkungan sekitar. Dalam banyak karya yang sebelumnya dilaporkan tentang sensorik indeks refraksi, intensitas cahaya gelombang refleksi/transmisi biasanya diukur ketika indeks refraksi lingkungan berubah dengan panjang gelombang operasi tertentu. Kemudian, untuk menunjukkan properti sensorik metasurface ini, Gambar 9 menyajikan bahwa resonansi plamonik ganda bergeser merah seiring dengan meningkatnya perubahan indeks refraksi lingkungan. Dengan variasi indeks refraksi lingkungan, sensitivitas (S) dapat mencapai S = 1500 nm/RIU. Kemudian, FWHM dari cermin refleksi pada ω_1 dan ω_2 adalah 7 dan 7,5 nm masing-masing, yang menunjukkan bahwa metasurface ini dapat bekerja sebagai sensor indeks refraksi dengan FOM ultra-tinggi (S/FWHM_1 = 214,29) dalam daerah inframerah dekat. FOM = 214,29 jauh lebih tinggi dari sebagian besar sensor indeks refraksi plamonik yang sebelumnya dilaporkan [58, 67,68,69,70].
a Spektrum refleksi metasurface yang diusulkan dengan indeks refraksi lingkungan yang bervariasi. b Panjang gelombang resonansi metasurface yang diusulkan sebagai fungsi dari indeks refraksi lingkungan
Kesimpulan
Dalam karya ini, metasurface hibrida yang dapat diatur optik baru diusulkan dan dieksploitasi untuk menghasilkan fenomena seperti EIT sekitar 1550 nm, yang menghibridkan kopling medan dekat in-plane antara batang emas nano dan kopling medan dekat out-of-plane antara batang emas nano dan substrat. Untuk desain tradisional metamaterial seperti EIT, dua resonator dengan bentuk yang berbeda, dalam susunan planar atau vertikal, berfungsi sebagai mode cerah dan gelap masing-masing, yang dapat menginduksi efek EIT melalui kopling mode cerah-gelap. Namun, dalam struktur ini, dua mode cerah individual terutama timbul dari dua resonator dengan bentuk yang sama tetapi posisi yang berbeda, yang bukan struktur planar maupun vertikal. Dua mode plamon fundamental dari sistem hibrida yang dihasilkan juga diteliti secara rinci. Dengan memperkenalkan CdO dot indium, panjang gelombang operasi fenomena seperti EIT dapat diatur optik. Pada saat yang sama, metasurface ini pertama kali ditunjukkan sebagai switch polarisasi femtodetik untuk cahaya berpolarisasi TM pada 1550 nm, yang dapat merealisasikan rasio kepunahan (R_TE/R_TM) yang jauh lebih tinggi dari switch polarisasi yang sebelumnya dilaporkan. Selain itu, beroperasi sebagai nanoantena plamonik, metasurface ini juga mencapai peningkatan medan listrik lokal yang kuat (|E_loc|/|E_0| > 100) dan absorpsi hampir sempurna (> 99%) secara simultan. Oleh karena keuntungan di atas, metasurface yang diusulkan ini adalah calon yang menjanjikan untuk perpindahan polarisasi femtodetik, nanoantena plamonik, dan sensor indeks refraksi dengan FOM tinggi.
