Pengabsorber Visibel Hemat Biaya dan Dapat Disetel melalui Penguapan Sederhana dan Pengeringan Termal
Abstrak
Pengabsorber optik sangat penting untuk aplikasi yang bervariasi mulai dari sensorsensing biomedis hingga penanjakan surya dan spektroskopi Raman. Desain konvensional bergantung pada nanofabrikasi yang mahal, yang membatasi penerapan dalam skala besar. Di sini kami menyajikan rute pembuatan yang sederhana dan hemat biaya yang menggunakan penguapan standar untuk menghasilkan pengabsorber yang terdiri dari cermin perak, pengisi silikon-oksida, dan lapisan atas nanopartikel yang diavaporasi. Pengukuran eksperimental menunjukkan bahwa nanopartikel perak terisolasi menghasilkan lebih dari 77% absorpsi antara 470 nm dan 1 µm. Dengan menggabungkan lapisan nanopartikel perak–tembaga (Ag–Cu) hibrida, kami mencapai >90% absorpsi atas band 67 nm (495–562 nm). Pengeringan termal pengabsorber Ag–Cu pada suhu yang dikontrol lebih memperluas wilayah absorpsi tinggi menjadi 506–1000 nm, memberikan >90% efisiensi di seluruh spektrum visible dan near-infrared. Pendekatan ini menawarkan platform yang dapat diskalakan dan dapat diatur untuk pengabsorber berkinerja tinggi.
Pendahuluan
Pengabsorber sub-panjang gelombang, sering disebut sebagai struktur logam-insulator-logam (MIM), telah menarik perhatian yang signifikan karena profil yang sangat tipis dan interaksi cahaya-materi yang kuat. Manfaatnya mencakup sensor biokimia, spektroskopi yang ditingkatkan, dan perangkat fotovoltaik. Dalam pengabsorber MIM yang khas, pesawat tanah logam, pengisi insulator, dan resonan logam yang berbentuk pola membentuk rongga yang mendukung resonansi permukaan lokal (LSPR). Dengan menyesuaikan geometri, materi, atau komposisi pengisi, absorpsi resonan dapat diatur di seluruh rentang spektrum yang luas.
Secara historis, pembuatan pengabsorber seperti ini bergantung pada teknik litografi canggih—deep-UV, nanoimprint, atau litografi elektron-balok—untuk membentuk fitur sub-100 nm. Meskipun efektif, proses ini mahal, memakan waktu, dan tidak cocok untuk produksi luas area, yang membatasi kelayakan komersial. Pekerjaan terbaru telah mengeksplorasi depo langsung nanopartikel tidak seragam melalui penguapan atau sputtering sebagai alternatif hemat biaya, namun studi sistematis tentang pengaturan bandwidth menggunakan rute ini masih jarang.
Dalam studi ini, kami menyelidiki strategi pembuatan berbasis penguapan sederhana untuk menghasilkan pengabsorber MIM dengan absorpsi yang dapat diatur. Dengan menyesuaikan komposisi lapisan atas yang diavaporasi (Ag murni versus hibrida Ag–Cu) dan menerapkan pengeringan termal pasca-depo, kami menunjukkan pengabsorber band-sempit dan band-lebar yang dapat dibuat di area sentimeter dengan biaya rendah.
Metode
Pembuatan Metasurface
Pengabsorber Ag-NP dan Ag-Cu-NP dibuat menggunakan evaporator balok elektron (DZS-500). Prosesnya diilustrasikan pada Gambar 1:
Lem kaca 2 × 2 cm² dibersihkan secara berurutan dalam aseton, etanol, dan air deionis selama 15 menit masing-masing.
Pesawat tanah Ag 15 nm (2,5 Å s⁻¹) dan pengisi SiO₂ 90 nm (1 Å s⁻¹) ditanam.
Untuk pengabsorber Ag-Cu-NP, lapisan nanopartikel Cu 10 nm (0,2 Å s⁻¹) pertama kali ditanam, diikuti oleh lapisan Ag 10 nm (0,2 Å s⁻¹) untuk membentuk shell hibrida.
Skematis tahapan pembuatan: (i) depo pesawat Ag, (ii) pengisi SiO₂, (iii) lapisan nanopartikel Cu, (iv) shell nanopartikel Ag.
Analisis Topografi
Morfologi lapisan nanopartikel dikarakterisir menggunakan mikroskop elektron pemancar medan Hitachi SU8010 (SEM) dan mikroskop kekuatan atom Dimension EDGE (AFM).
Analisis Optik
Reflektansi diukur dengan spectrometer portabel Ocean Optics di bawah iluminasi halogen 100 W pada insiden normal. Spektra dinormalkan terhadap cermin aluminium referensi.
Simulasi FEM
Simulasi elemen hingga dilakukan dengan CST Microwave Studio. Konstanta optik Ag dan Cu diambil dari literatur [33]. Ketebalan pesawat tanah dan pengisi diatur pada 150 nm dan 90 nm, masing-masing. Kondisi batas periodik diterapkan di arah x dan y; batas terbuka digunakan di arah z. Karena pesawat tanah melebihi kedalaman kulit, transmitansi bisa diabaikan dan absorpsi dihitung sebagai A(ω)=1−R(ω). Distribusi nanopartikel acak dimodelkan dengan mengubah ukuran dan tinggi partikel; spektrum akhir adalah envelop dari resonansi individual.
Hasil dan Pembahasan
Kami membuat dua desain pengabsorber MIM: (i) Ag-NP (pesawat tanah Ag kontinu, pengisi SiO₂, nanopartikel Ag terisolasi) dan (ii) Ag-Cu-NP (inti Cu di antara shell Ag dan pengisi). Gambar 2a dan 2b mengilustrasikan struktur masing-masing. Hasil simulasi (Gambar 2c,d) memprediksi absorpsi tinggi untuk Ag-NP dan band yang lebih sempit dan dapat diatur untuk Ag-Cu-NP.
Skematis pengabsorber dan spektrum absorpsi simulasi untuk (c) Ag-NP dan (d) Ag-Cu-NP struktur.
Gambar SEM (Gambar 3a,b) mengonfirmasi bahwa nanopartikel terisolasi dengan baik dengan tepi tajam, yang menunjukkan depo yang berhasil. Spektra absorpsi yang diukur (Gambar 3c,d) mengungkapkan bahwa pengabsorber Ag-NP mencapai >77% absorpsi di seluruh 470–1000 nm, sementara pengabsorber Ag-Cu-NP menunjukkan puncak tajam: >80% absorpsi antara 480–577 nm dan puncak 98,6% pada 528 nm, yang menghasilkan bandwidth 97 nm. Kurva eksperimental selaras dengan simulasi, dengan ketidaksesuaian kecil yang dapat diatribusikan pada morfologi nanopartikel stokastik.
Gambar SEM (a) Ag-NP, (b) Ag-Cu-NP dan spektrum absorpsi yang sesuai (c) dan (d).
Simulasi medan elektromagnetik (Gambar 4a–d) pada resonansi 430 THz menunjukkan bahwa pengabsorber Ag-NP mengonsentrasikan medan listrik di tepi partikel, sedangkan pengabsorber Ag-Cu-NP menunjukkan hot spot yang lebih lemah karena interferensi inti Cu terhadap shell Ag. Respons dipol kuat dalam shell Ag menjelaskan puncak absorpsi yang mencolok. Penyesuaikan ketebalan pengisi dapat menggeser resonansi ini, menawarkan knop desain sederhana untuk perangkat yang dapat diatur.
Distribusi medan listrik simulasi untuk (a) dan (b) pengabsorber Ag-NP dan Ag-Cu-NP; (e,f) menunjukkan komponen y dari medan dalam mode TE.
Kami memeriksa bagaimana rasio atom Q (Cu/Ag) mempengaruhi absorpsi. Menggunakan hubungan Q=n_Cu/n_Ag (diterjemahkan dari densitas dan massa molar), kami mengubah ketebalan Cu dari 10 nm hingga 40 nm sambil menjaga Ag pada 10 nm. Gambar 5a menunjukkan bahwa peningkatan Q menggeser resonansi ke panjang gelombang yang lebih pendek dan mengurangi intensitas puncak. Plot panjang gelombang puncak dan intensitas versus Q (Gambar 5b,c) menunjukkan ketergantungan yang hampir linier. Q optimal ≈1,44 menghasilkan 98,7% absorpsi pada ~460 nm, yang menunjukkan bahwa kontrol yang tepat dari rasio Cu/Ag sangat penting untuk mencapai pengabsorber band-sempit berkinerja tinggi.
Efek rasio atom Q pada absorpsi: (a) spektrum untuk berbagai Q; (b) panjang gelombang puncak versus Q; (c) intensitas puncak versus Q.
Penyesuaian Bandwidth
Keuntungan utama dari pengabsorber kami adalah kemampuan untuk memperluas band absorpsi melalui pengeringan termal. Pengeringan termal vakum pada 100–150 °C sedikit menggeser puncak ke merah, sedangkan pengeringan 300 °C menghasilkan band 506–1000 nm dengan >90% absorpsi. Gambar AFM (Gambar 6a–d) menunjukkan bahwa pengeringan termal meningkatkan ukuran partikel dan kekasaran permukaan, yang mempromosikan koalesensi menjadi kluster core-shell yang lebih besar. Peningkatan ketebalan shell Ag dan jari-jari inti Cu menjelaskan geser merah dan perlebaran spektrum yang diamati.
Gambar AFM dan kurva absorpsi: (a) tanpa pengeringan termal, (b) 100 °C, (c) 150 °C, (d) 300 °C; (e) spektrum absorpsi yang sesuai.
Dibandingkan metasurface band-lebar lainnya yang biasanya menawarkan bandwidth 250–450 nm, bandwidth 494 nm kami (506–1000 nm) jauh lebih luas dan mencakup panjang gelombang visible dan near-infrared. Pecahan nano dan aloying pada suhu tinggi kemungkinan membentuk partikel core-shell Ag-Cu dengan atom Ag terkaya di permukaan, yang meningkatkan kopling plasmonik dan pengperkapan medan.
Spektrum absorpsi simulasi untuk model nanopartikel Ag-Cu dengan ketebalan shell w dan jari-jari inti r yang bervariasi.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan pendekatan pembuatan yang dapat diskalakan dan hemat biaya untuk plasmonik pengabsorber luas area menggunakan penguapan sederhana. Nanopartikel Ag murni menghasilkan absorpsi band-lebar (>77% di seluruh 470–1000 nm), sementara nanopartikel Ag-Cu hibrida memberikan absorpsi band-sempit yang dapat dikonversi menjadi respons band-lebar melalui pengeringan termal. Pengabsorber Ag-Cu mencapai >90% absorpsi dari 506 nm hingga 1 µm, mencakup regime visible dan near-infrared. Pengabsorber ini menunjukkan peningkatan medan lokal yang kuat, menjadikannya menarik untuk spektroskopi Raman yang ditingkatkan permukaan dan spektroskopi terkait.
