Skala Besar, Dapat Disesuaikan Bandwidth, Peredam Terlihat dengan Proses Evaporasi dan Annealing

Hasil dan Diskusi

Kami merancang peredam MIM dengan nanopartikel perak dan nanopartikel Ag-Cu hybrid. Penyerap Ag NP diilustrasikan pada Gambar 2a. Ini terdiri dari film perak kontinu sebagai bidang dasar, dan SiO₂ lapisan spacer dan nanopartikel Ag di atasnya sebagai resonator. Penyerap NP Ag-Cu dibentuk dengan memasukkan lapisan partikel tembaga di antara partikel perak dan silika, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b. Gambar 2c dan d masing-masing menunjukkan spektrum serapan yang dihitung dari penyerap Ag NP dan Ag-Cu NP. Spektogram yang diperoleh dengan pemasangan ini menunjukkan bahwa penambahan tembaga memang menghambat sifat penyerapan struktur aslinya.

Skema peredam dan spektrum serapan simulasi penyerap Ag NP dan Ag-Cu NP. Dalam dua penyerap ini, pembawanya adalah kaca dan lapisan logam dan dielektrik yang mendasarinya adalah perak dan silikon dioksida. c dan d masing-masing menunjukkan spektrum serapan dari penyerap Ag NP dan simulasi struktur penyerap Ag-Cu NP

Gambar 3a dan b menunjukkan gambar SEM dari penyerap NP Ag dan penyerap NP Ag-Cu yang dibuat. Dari gambar SEM, kita dapat melihat bahwa setiap nanopartikel terisolasi dan batasnya jelas, menunjukkan proses fabrikasi yang berhasil. Gambar 3c dan d menyajikan spektrum serapan terukur dari penyerap Ag NP dan penyerap NP Ag-Cu. Penyerapan penyerap Ag NP lebih dari 77% untuk rentang panjang gelombang yang lebih besar dari 470 nm (Gbr. 3c). Spektrum serapan penyerap NP Ag-Cu berbeda dari penyerap NP Ag, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3d. Bandwidth penyerapan dalam spektrum jauh lebih sempit dibandingkan dengan Gambar 3c. Lebih dari 80% penyerapan berada dalam kisaran 480–577 nm dengan puncak 98,6% pada 528 nm yang mengarah ke bandwidth sempit 97 nm. Hasil ini menunjukkan bahwa Cu mempromosikan penyerapan penyerap NP Ag-Cu dalam rentang panjang gelombang yang sempit sementara itu menekan penyerapan untuk panjang gelombang lainnya. Hasil simulasi sesuai dengan hasil eksperimen dalam bentuk spektrum dan resonansi. Perbedaan intensitas serapan simulasi dengan eksperimen disebabkan oleh perbedaan antara bentuk sebenarnya dari nanopartikel dan model. Dalam percobaan, bentuk dan ukuran sebenarnya dari nanopartikel terdistribusi secara acak yang sangat sulit untuk dimodelkan dalam simulasi. Selain itu, perbedaan lingkungan antara simulasi dan eksperimen juga menyebabkan perbedaan tersebut.

Gambar SEM NP Ag (a ) dan NP Ag-Cu (b ) penyerap dan spektrum serapan yang sesuai dan terukur (c ) dan (d )

Untuk lebih memahami fisika di balik pengamatan, distribusi medan elektromagnetik dari peredam disimulasikan. Gambar 4a–d menunjukkan distribusi medan listrik masing-masing dari penyerap NP Ag dan Ag-Cu. Distribusi medan diperoleh pada resonansi 430 THz. Untuk penyerap Ag NP, intensitas medan tinggi berada di tepi partikel logam. Sedangkan untuk penyerap NP Ag-Cu, titik panas muncul di tepi cangkang perak dengan intensitas yang jauh lebih rendah daripada penyerap NP Ag, menunjukkan bahwa inti Cu memiliki efek negatif pada peningkatan medan nanopartikel Ag. Kemungkinan penyebabnya adalah inti Cu mengurangi area interaksi partikel Ag dengan lapisan logam bawah. Distribusi medan absorber NP Ag dan Ag-Cu menjelaskan mengapa serapan absorber NP Ag-Cu lebih rendah dibandingkan dengan absorber Ag. Perlu dicatat bahwa penyerap NP Ag-Cu memiliki puncak serapan (> 98%) pada 528 nm (lihat Gambar 1 dan 3). Untuk memahami efek ini, kami menyajikan komponen bidang E _y pada Gambar. 4e dan f. Dari Gambar 4e dan f, dapat dilihat bahwa dipol listrik di dalam kulit perak tereksitasi. Resonansi berbasis dipol dan dipol dapat menyebabkan penyerapan yang tinggi ketika komponen vektor gelombang tertentu cocok dengan gelombang SPP pada antarmuka reflektor-spacer. Eksperimen juga menunjukkan bahwa posisi puncak absorpsi struktur NP Ag-Cu dapat disesuaikan dengan mengubah parameter seperti ketebalan lapisan dielektrik. Properti ini menunjukkan bahwa kami dapat merancang perangkat fotonik yang dapat disetel resonansi dengan cara yang sederhana.

Distribusi medan listrik simulasi a , c Ag dan b , d Peredam Ag-Cu dari atas dan yz tampilan penampang, masing-masing. E . penyerap Ag-Cu _y dalam mode TE ditampilkan di e dan f

Percobaan telah menunjukkan bahwa penyerapan NP Ag-Cu sangat tergantung pada jumlah relatif Ag dan Cu. Untuk mengungkap hubungan antara ketebalan dua lapisan logam ini dan penyerapan penyerap NP Ag-Cu, kami mempelajari ketergantungan penyerapan pada rasio nomor atom Q dari kedua logam. Q didefinisikan sebagai,

di mana kepadatan ρ _Ag adalah 10,53 g/cm ³ dan ρ _Cu adalah 8,9 g/cm ³ . Massa molar tembaga (M _Cu ) dan perak (M _Ag ) berturut-turut adalah 64 g/mol dan 108 g/mol. Film perak itu setebal 10 nm, dan Q dapat diubah dengan mengubah ketebalan film tembaga.

Gambar 5a menunjukkan spektrum serapan dari penyerap NP Ag-Cu dengan rasio atom yang berbeda Q . Kurva menunjukkan korelasi yang kuat antara Q dan intensitas penyerapan. Ketika Q meningkat dari 1,44 menjadi 2,15, 2,87, 3,59, dan 4,31, puncak serapan bergeser ke panjang gelombang yang lebih rendah dan intensitasnya menurun. Gambar 5b dan c adalah plot panjang gelombang puncak resonansi vs. Q dan intensitas puncak vs. Q , masing-masing. Kedua plot mengungkapkan bahwa panjang gelombang resonansi dan intensitas puncak menurun hampir linier dengan peningkatan rasio atom Q . Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa panjang gelombang resonansi terkait dengan ukuran dan bentuk nanopartikel logam, dan intensitasnya terkait dengan osilasi plasmon permukaan partikel logam [8, 34]. Perubahan Q dengan menyesuaikan ketebalan film Cu menyebabkan tidak adanya film kontinu dan perubahan ukuran partikel. Ketika jumlah celah antara nanopartikel berkurang, intensitas rongga optik yang terbentuk antara nanopartikel dan film perak menjadi lebih lemah. Kapan Q adalah 1,44, absorbansi adalah 98,7%. Kapan Q ditingkatkan menjadi 3,59, posisi puncak penyerapan pada dasarnya stabil di dekat 460 nm. Ini menunjukkan bahwa Q nilai yang paling kondusif untuk produksi peredam, yang memberikan referensi untuk langkah selanjutnya dan penelitian masa depan.

Ketergantungan resonansi pada rasio atom Q . a Spektrum penyerapan untuk Q different yang berbeda parameter. b Ketergantungan panjang gelombang puncak pada Q dan c ketergantungan intensitas puncak pada Q

Penyesuaian Bandwidth

Salah satu fitur penting dari penyerap nanopartikel buatan kami adalah bahwa bandwidth penyerapan dapat disesuaikan dengan suhu anil. Ketika suhu annealing meningkat dari 100 menjadi 150 °C, puncak serapan bergeser ke panjang gelombang yang lebih rendah. Ketika suhu anil semakin meningkat hingga 300 °C, puncak penyerapan menunjukkan fitur broadband. Gambar 6 menunjukkan spektrum penyerapan sampel yang dianil pada suhu yang berbeda dalam tungku anil vakum. Dengan menaikkan suhu, anil dapat mendistribusikan kembali logam di permukaan dan mendapatkan morfologi yang berbeda. Morfologi permukaan dikarakterisasi dengan atom force microscopy (AFM). Gambar AFM yang ditunjukkan pada Gambar. 6a–d adalah untuk sampel tanpa anil dan anil pada masing-masing 100 °C, 150 °C, dan 300 °C. Saat suhu annealing meningkat, ukuran partikel logam dan kekasaran meningkat. Ketika suhu mencapai 100 °C, partikel logam menjadi bergerombol. Jika efek eksternal lebih rendah dari adhesi antara medium dan logam, banyak partikel halus tetap berada di permukaan medium. Ini adalah alasan bahwa partikel yang dihasilkan oleh anil pada 100 °C memiliki ukuran partikel yang lebih kecil. Menurut spektrum serapan Gambar. 6, kita juga dapat menemukan bahwa anil dalam kisaran suhu tertentu memiliki sedikit efek pada kinerja penyerapan struktur NP Ag-Cu. Namun, ketika suhu naik hingga 300 °C, pengaruhnya tidak dapat diabaikan.

Gambar AFM dan kurva absorpsi peredam NP Ag-Cu. a Tanpa anil, b anil pada 100 °C, c anil pada 150 °C, dan d anil pada 300 °C. e Kurva penyerapan absorber dianil pada suhu yang berbeda

Bandwidth penyerapan diperpanjang hingga 494 nm (pita dari 506 hingga 1000 nm) dengan penyerapan lebih dari 90% setelah anil pada 300 °C. Bandwidth ini sangat luas dibandingkan dengan metasurfaces broadband serupa lainnya yang dilaporkan. Untuk metasurfaces yang dilaporkan, bandwidth sebagian besar dalam kisaran 250~450 nm [31, 35, 36] hanya mencakup rentang yang terlihat. Namun, penyerap kami cocok untuk daerah tampak dan inframerah dekat dengan intensitas penyerapan 90% ke atas. Karena ketebalan yang sangat tipis, suhu titik leleh logam jauh lebih rendah daripada bahan curah. Pemanasan menyebabkan kedua logam membentuk nanocluster dan bergabung satu sama lain pada antarmuka karena sekering, yang dapat menghasilkan pembentukan nano-alloy dengan energi dan stabilitas rendah [37, 38]. Karena jumlah atom Ag yang terbatas, atom Ag cenderung menyatu ke permukaan cluster dengan atom Cu di tengah, membentuk struktur inti-kulit [39, 40]. Struktur cangkang inti ini menentukan fitur spektrum serapan. Diketahui dari gambar AFM yang diukur bahwa ukuran partikel logam meningkat dengan meningkatnya suhu anil. Untuk mengungkapkan hubungan antara penyerapan dan suhu, kami menghitung model cangkang inti pada struktur MIM. Hasil simulasi menunjukkan bahwa peningkatan radius inti Cu dan ketebalan cangkang Ag akan menyebabkan pergeseran serapan ke panjang gelombang yang lebih panjang (Gbr. 7). Oleh karena itu, pergeseran merah dan pelebaran spektrum setelah annealing pada 300 °C adalah karena suhu tinggi menghasilkan nano-alloy dan kemudian partikel halus menyatu menjadi partikel berukuran lebih besar. Singkatnya, di bawah suhu anil tertentu, struktur Ag-Cu berubah dari penyerapan selektif awal menjadi penyerapan broadband. Ini menyediakan cara untuk mencapai kinerja yang berbeda dengan operasi sederhana.

Simulasi struktur NP Ag-Cu dengan paduan Cu-Ag di permukaan. a Skema model. b Spektrum serapan dengan perubahan ketebalan w . c Penyerapan dengan perubahan radius r