Omnidirectional Absorber oleh Efek Void Plasmon di Daerah yang Terlihat dengan Medan Listrik Lokal yang Sangat Ditingkatkan

Hasil dan Diskusi

Tanpa kehilangan keumuman, parameter geometris ditetapkan sebagai p = 200 nm, dengan = 60 nm, h ₁ = 20 nm, h ₂ = 250 nm, dan h ₃ =200 nm. Kita anggap pertama bahwa gelombang bidang datang secara normal pada struktur. Garis hitam pada Gambar. 2a menyajikan respons penyerapan yang dihitung. Dibandingkan dengan penyerap FP tanpa susunan lubang nano periodik di lapisan atas, puncak serapan baru sekitar 635 nm muncul dengan efisiensi penyerapan hingga 99,8%. Untuk memahami asal mula puncak absorpsi baru ini, spektrum absorpsi dari kombinasi yang berbeda dari tiga lapisan bersama-sama dengan lapisan film perak setebal 20 nm dihitung dan ditunjukkan pada Gambar 2b. Tanpa lapisan perak refleksi bawah, puncak yang sesuai dengan resonansi FP bergeser ke panjang gelombang yang lebih panjang dan menghadirkan efisiensi penyerapan yang rendah (lihat Gbr. 2b; TL + ML), karena variasi fase refleksi pada antarmuka bawah dan kebocoran energi melalui transmisi. Ketika lapisan tengah dihilangkan, puncak resonansi FP akhirnya menghilang dan puncak serapan baru menunjukkan pergeseran biru besar dari 635 menjadi 482 nm (lihat Gambar 2b; TL). Pergeseran biru raksasa terkait dengan transisi indeks bias bahan dielektrik lingkungan ketika lapisan tengah dihilangkan. Ketika susunan lubang nano dihilangkan lebih jauh (lihat Gbr. 2b; lapisan film perak setebal 20 nm), puncak serapan tajam di sekitar 482 nm menghilang. Oleh karena itu, puncak absorpsi baru yang terletak pada 635 nm berkorelasi dengan lubang nano di lapisan logam atas, di mana posisi puncak dan efisiensi absorpsi dimodifikasi oleh penggabungan resonansi VP dan resonansi FP. Puncak baru juga sensitif terhadap indeks bias bahan ambien, yang memberikan petunjuk bahwa itu terkait dengan efek plasmonik (baik PSP atau VP). Untuk mengkonfirmasi lebih lanjut mekanisme puncak serapan baru, perhitungan numerik dilakukan untuk menganalisis kemungkinan mode PSP dari struktur yang dirancang. Terlihat bahwa panjang gelombang resonansi maksimal untuk mode antarmuka perak/dielektrik PSP (0, 1) adalah 480 nm, yang jauh lebih kecil daripada puncak penyerapan resonansi pada 635 nm. Oleh karena itu, kami menganggap bahwa puncak baru berasal dari efek VP lubang nano.

a Spektrum serapan yang dihitung dari penyerap berbasis susunan lubang nano yang diusulkan dibandingkan dengan penyerap FP tanpa lubang nano di lapisan atas. b Spektrum serapan yang dihitung menggunakan kombinasi yang berbeda dari tiga lapisan serta 20 nm perak. TL, lapisan atas; ML, lapisan tengah; BL, lapisan bawah

Ketergantungan posisi puncak absorpsi pada sudut datang dapat memberikan bukti kuat untuk membedakan mekanisme absorpsi antara efek PSP dan VP. Untuk mengetahui dispersi efek VP dan memperkuat interpretasi kami sebelumnya, kami memeriksa secara numerik dispersi tergantung sudut dari mode VP. Kontur penyerapan yang dihitung untuk penyerap yang diusulkan untuk polarisasi listrik transversal (TE) dan magnet transversal (TM) diplot masing-masing pada Gambar. 3a dan b sebagai fungsi panjang gelombang dan sudut datang. Untuk polarisasi TE, sebagai sudut datang θ meningkat, puncak serapan VP tidak menunjukkan pergeseran, sedangkan tiga puncak serapan resonansi FP lainnya bergeser ke arah panjang gelombang yang lebih pendek. Pergeseran puncak resonansi FP dapat dipahami dengan kondisi resonansi berikut (kondisi gelombang berdiri di lapisan dielektrik tengah):

dimana φ ₁ dan φ ₂ adalah pergeseran fase pada antarmuka rongga atas dan bawah dan m adalah bilangan bulat. Selain itu, untuk polarisasi TM, puncak serapan VP menunjukkan sedikit pergeseran merah saat sudut datang naik. Tiga puncak penyerapan resonansi FP menghadirkan pergeseran biru, yang sama dengan polarisasi TE. Untuk menjelaskan mekanisme penyerapan yang disebabkan oleh mode resonansi VP, kami pikir penyerapan yang disebabkan oleh mode resonansi VP mencakup dua proses. Proses pertama adalah eksitasi mode resonansi VP yang diinduksi oleh cahaya datang. Ketika frekuensi resonansi intrinsik struktur lubang nano sama dengan frekuensi cahaya datang, osilasi elektron konduksi pada antarmuka tidak relevan dengan polarisasi dan sudut cahaya datang. Kemudian, proses kedua adalah radiasi “dipol resonansi” yang dimodulasi oleh rongga FP. Karena eksitasi dan radiasi keduanya independen pada polarisasi dan sudut datang, posisi puncak absorpsi yang diinduksi mode resonansi VP tidak berubah terhadap sudut datang dan polarisasi.

Kontur penyerapan yang dihitung dari penyerap berbasis susunan lubang nano yang diusulkan sebagai fungsi dari panjang gelombang dan sudut datang:a TE dan b polarisasi TM. Di sini, parameter struktural penyerap ditetapkan sebagai p = 200 nm, dengan = 60 nm, h ₁ = 20 nm, h ₂ = 250 nm, dan h ₃ = 200 nm

Distribusi medan elektromagnetik dari puncak penyerapan memberikan lebih banyak wawasan tentang sifat penyerapan resonansi FP dan VP. Distribusi medan listrik spasial (panel atas) dan medan magnet (panel bawah) yang dihitung untuk berbagai panjang gelombang puncak serapan diberikan pada Gambar 4 (untuk kejadian cahaya normal). Untuk mode resonansi FP (372 nm, 546 nm, dan 1113 nm), medan listrik dan medan magnet dibatasi dan ditingkatkan di lapisan tengah, dan urutan resonansi yang berbeda terbentuk sesuai dengan pola tertentu. Dengan pola medan listrik dan magnet, diamati bahwa mode resonansi orde pertama terletak pada 1113 nm, mode resonansi orde kedua pada 546 nm, dan mode resonansi orde ketiga pada 372 nm. Sebaliknya, untuk mode VP pada 635 nm, medan listrik sangat ditingkatkan dan terlokalisasi di tepi lubang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c. Dibandingkan dengan cahaya yang datang, intensitas medan listrik maksimal |E | ² dari "hot spot" ditingkatkan 2284 kali. Intensitas medan listrik yang sangat meningkat bermanfaat untuk sejumlah besar aplikasi potensial. Selain itu, distribusi medan magnet menunjukkan bahwa medan magnet terutama terbatas di dekat antarmuka rongga atas, konsisten dengan karakter lokal mode VP (lihat Gbr. 4g).

Distribusi medan spasial yang dihitung dari listrik (a –d ) dan magnet (e –h ) bidang untuk insiden cahaya normal. Panjang gelombang cahaya datang adalah 372 nm (a , e ), 546 nm (b , f ), 635 nm (c , g ), dan 1113 nm (d , h ). Garis putus-putus hitam menunjukkan penampang struktur. Di sini, parameter struktur ditetapkan sebagai p = 200 nm, dengan = 60 nm, h ₁ = 20 nm, h ₂ = 250 nm, h ₃ = 200 nm, dan ε ₂ = 3.1

Dalam kondisi tertentu, resonansi FP dan VP dapat berpasangan satu sama lain, sehingga menimbulkan karakteristik mode hibrid yang kuat. Untuk menyarankan penggabungan antara resonansi FP dan VP, ketergantungan respons penyerapan pada ketebalan h ₂ lapisan dielektrik tengah dipelajari dengan menyetel terus menerus h ₂ dari 20 hingga 500 nm. Hasilnya digambarkan pada Gambar. 5a. Ketika ketebalan lapisan dielektrik semakin tebal, panjang gelombang mode resonansi FP meningkat (garis putus-putus hitam), sesuai dengan prediksi Persamaan. (1). Setelah panjang gelombang resonansi FP tumpang tindih dengan panjang gelombang resonansi VP (garis putus-putus putih), mode resonansi FP dan VP digabungkan menjadi mode resonansi FP-VP hybrid. Perlu dicatat bahwa mode resonansi VP dapat menghilang saat mendekati mode resonansi FP dalam kondisi tertentu. Dengan tidak adanya mode resonansi VP, penyerapan kuat terjadi pada resonansi rongga FP, yang juga sesuai dengan interferensi destruktif antara cahaya yang dipantulkan dari lapisan perak atas (dengan kehilangan fase setengah gelombang ekstra) dan yang dipantulkan dari lapisan perak bawah. Ketika panjang gelombang mode resonansi FP mendekati mode resonansi VP, cahaya pertama-tama diserap oleh struktur lubang nano, menginduksi osilasi kolektif elektron pita konduksi di dekat lubang nano perak. Setelah itu, sebagai dipol berosilasi, lubang nano dapat memancarkan radiasi ke atas dan ke bawah. Cahaya ke atas akan berinterferensi secara konstruktif dengan komponen pantulan cahaya ke bawah (dipantulkan oleh lapisan perak bawah). Jadi, ketika mode resonansi VP bertepatan dengan mode resonansi FP, interferensi destruktif dari cahaya yang keluar dapat ditransfer ke interferensi konstruktif. Skenario ini mengarah pada refleksi yang kuat dan tidak adanya penyerapan pada Gambar. 5a (lihat daerah biru di sepanjang garis putus-putus putih). Juga diamati bahwa ketika ketebalan lapisan dielektrik h ₂ lebih kecil dari 50 nm, efisiensi penyerapan yang diinduksi VP lebih rendah dan panjang gelombang menunjukkan pergeseran merah. Ketika ketebalan dielektrik h ₂ berkurang secara signifikan, gambar VP melalui antarmuka logam cermin akan berpasangan dengan VP dari lapisan logam atas, yang menyebabkan penurunan energi mode penyambungan cermin dan peningkatan panjang gelombang resonansi. Pergeseran merah dari puncak absorpsi yang disebabkan oleh efek mirror-coupling yang lebih kuat juga telah dibuktikan oleh literatur yang ada [36, 37]. Respon penyerapan absorber yang diusulkan untuk berbagai ketebalan ketebalan lapisan logam atas juga diselidiki, seperti yang disajikan pada Gambar. 5b. Jelas, panjang gelombang puncak serapan yang disebabkan oleh resonansi efek VP dapat dengan mudah disesuaikan dengan mengubah ketebalan lapisan atas. Sebagai ketebalan lapisan logam atas h ₁ menurun, puncak penyerapan menunjukkan pergeseran merah yang jelas, menunjukkan bahwa mode VP rentan terhadap ketebalan lapisan atas. Selanjutnya, dengan penurunan ketebalan lapisan logam atas, mode FP kedua menunjukkan sedikit pergeseran merah dan amplitudo puncak penyerapan menurun secara bertahap. Fitur ini terkait dengan mode resonansi FP kedua mirip dengan penyerap tiga lapis murni tanpa susunan lubang nano [38]. Namun, ketika ketebalan lapisan atas dikurangi menjadi h ₁ = 10 nm, ada pemisahan puncak yang jelas (sekitar 600 nm) yang tidak ada dalam peredam tiga lapis murni.

a Kontur penyerapan yang dihitung untuk penyerap berbasis susunan lubang nano yang diusulkan sebagai fungsi dari panjang gelombang dan ketebalan lapisan pengatur jarak h ₂ . Garis putus-putus hitam mewakili resonansi FP dan garis putus-putus putih mewakili mode VP. Sisipan menunjukkan gambar (persegi panjang dasbor) dari lapisan logam atas sehubungan dengan antarmuka logam cermin (garis putus-putus putih). b Penyerapan yang dihitung dari penyerap berbasis susunan lubang nano yang diusulkan bergantung pada h ₁ berubah dari 10 menjadi 30 nm. c Kontur penyerapan yang dihitung untuk penyerap berbasis susunan lubang nano yang diusulkan sebagai fungsi w dengan p =200 nm. d Kontur penyerapan yang dihitung untuk penyerap berbasis susunan lubang nano yang diusulkan sebagai fungsi dari p dengan w = 60 nm

Efek geometris lubang nano pada properti VP juga dihitung. Pada Gambar. 5c, periode kisi lubang p ditetapkan pada 200 nm dan lebar lubang w diubah dari 50 menjadi 150 nm. Untuk puncak penyerapan FP, ketika w meningkat, resonansi mode orde pertama pada 1113 nm menunjukkan pergeseran merah, sedangkan posisi mode orde kedua pada 546 nm dan mode orde ketiga pada 372 nm hampir tidak berubah. Selain itu, pergeseran merah dari efek VP juga terlihat dengan peningkatan w , karena elektron akan mengalami waktu yang lebih lama saat berosilasi di antara dua sisi ruang hampa (ketika lebar lubang w cukup besar, kopling medan dekat antara dua rongga juga akan ada [39]). Pada Gambar. 5d, efek periode kisi pada sifat penyerapan efek VP diplot. Di sini, dengan ditetapkan pada 60 nm dan p berubah dari 100 menjadi 500 nm. Untuk puncak penyerapan resonansi FP, ketika p meningkat, mode resonansi orde pertama pada 1113 nm menunjukkan pergeseran merah saat p lebih kecil dari 200 nm dan tetap tidak berubah saat p lebih besar dari 200 nm. Pergeseran merah untuk p . yang lebih kecil (p < 200 nm) disebabkan oleh variasi indeks bias media efektif lapisan atas dengan p (atau rasio aspek w ² /p ² ). Tapi, ketika p lebih besar dari 200 nm, indeks bias medium efektif jarang dipengaruhi oleh ukuran pori yang kecil. Mode resonansi orde kedua pada 546 nm dan mode resonansi orde ketiga pada 372 nm tidak menunjukkan pergeseran saat p perubahan. Untuk mode FP kedua, saat p lebih besar dari 300 nm, beberapa puncak serapan sempit yang muncul akan muncul, yang dapat dikaitkan dengan efek PSP. Ketika puncak penyerapan VP (~ 635 nm) diperhatikan, pergeseran merah diamati dan efisiensi penyerapan menjadi lebih kecil sebagai p tumbuh. Fenomena serupa juga diamati untuk penyerap berdasarkan susunan partikel nano dan pergeseran merah berasal dari interaksi dipol jarak jauh [40]. Selanjutnya, kami juga menemukan bahwa kopling kuat dari resonansi VP dapat menghambat efek FP di dekatnya. Fenomena ini diamati dalam situasi di mana w di atas 100 nm atau p lebih kecil dari 150 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5c dan d. Secara umum, pergeseran merah puncak penyerapan VP terjadi bersamaan dengan peningkatan w atau p .

Karena mode VP dibatasi di dekat lubang nano, posisi puncak penyerapan yang diinduksi oleh efek VP kemudian bergantung pada indeks bias material di dalam lubang. Efek ini dapat digunakan untuk membangun sebuah sensor untuk membedakan konstanta dielektrik sekitarnya. Spektrum refleksi untuk berbagai indeks bias material dalam lubang nano telah dihitung dan diplot pada Gambar. 6a. Indeks bias sekitarnya diubah dari n = 1.332 (air) ke n = 1.372 (larutan glukosa kecil) dengan interval n = 0,01. Puncak penyerapan resonansi FP hampir tidak relevan dengan indeks bias sekitarnya. Sebaliknya, seperti karakteristik LSP, puncak serapan VP menunjukkan ketergantungan pada indeks bias material di sekitarnya. Untuk mengukur kinerja sensor plasmonic, besaran yang disebut figure of merit (FOM) dapat digunakan. FOM didefinisikan sebagai sensitivitas S _λ dibagi dengan lebar garis Γ; di sini, S _λ sering hanya dilambangkan λ /RIU (per unit perubahan indeks bias) dan Γ adalah lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM). Dalam perhitungan, kami menggunakan hasil bagi diferensial yang lebih halus dengan n = 0,01 untuk n = 1.332, n = 1.342, n = 1,352, dan n = 1.362. Gambar 6b ​​menunjukkan bahwa sensitivitas maksimal dalam hal pergeseran panjang gelombang per unit indeks bias adalah 186 nm/RIU. Dalam kasus kami, lebar garis resonansi mode VP adalah 59 nm dan mengarah ke FOM ≈ 3.16 maksimal. Nilai FOM dalam pekerjaan kami kompatibel dengan perangkat yang dilaporkan berdasarkan nanopartikel logam [33, 34] (FOM eksperimental = 0,8–5,4) serta struktur kisi logam yang baru-baru ini dilaporkan dengan nilai FOM teoritis 2 [41]. Namun, itu jauh lebih rendah daripada hasil teoretis yang dicapai oleh struktur nano yang sangat rumit [42, 43].

a Spektrum refleksi kejadian normal dari penyerap berbasis susunan lubang nano yang diusulkan dengan indeks bias lubang (n ) berubah dari 1,332 menjadi 1,372. Parameter struktural dan material ditetapkan sebagai h ₁ = 20 nm, h ₂ = 250 nm, h ₃ = 200 nm, ε ₂ = 3.1, p = 200 nm, dan w =60 nm. b Posisi dip refleksi dan FOM yang dihitung sebagai fungsi dari indeks bias lubang (n = 1.332–1.362)