Penyerap Grafren Broadband Tidak Sensitif Sudut yang Diaktifkan oleh Metasurface Multi-Selorok
Abstrak
Kami menyajikan penyerap yang dioptimalkan secara numerik dan tidak sensitif sudut, yang secara signifikan meningkatkan penyerapan optik broadband grafren di seluruh spektrum visible (450–800 nm). Dengan mengintegrasikan lembaran grafren monolayer dengan metasurface perak multi-selorok yang dipisahkan oleh spacer PMMA tebal 5 nm, perangkat mencapai penyerapan rata-rata sebesar 71,1 %. Panjang gelombang puncak dapat diatur dengan menyesuaikan kedalaman selorok, sementara bandwidth keseluruhan dikontrol oleh jumlah dan kedalaman selorok. Pentingnya, struktur mempertahankan penyerapan tinggi (≈ 61 % pada sudut 60°) meski terdapat variasi parameter struktural.
Latar Belakang
Properti elektronik, mekanik, dan optik yang dapat diatur yang dimiliki grafren menjadikannya kandidat yang menjanjikan untuk perangkat optoelektronik seperti fotodetektor dan sel surya [1–3]. Namun, dalam rentang visible dan dekat infra merah, penyerapan intrinsik grafren masih sebesar 2,3 % pada insiden normal [9], yang membatasi pembuatan pasangan lubang-elektron dan fotolistrik. Berbagai strategi—efek epsilon-dekat-nol [10], resonansi rongga [11–13], refleksi total ditekan [14], resonansi mode terpandu [15–18], coupling kritis [19–21], resonansi Fano [22–23], resonansi plasmonik [24–26], dan resonansi magnetik [27–29]—telah dieksplorasi untuk meningkatkan penyerapan, namun sebagian besar menghasilkan bandwidth sempit karena sifat resonansinya. Studi terbaru telah memperluas bandwidth penyerapan dengan memperkenalkan saluran coupling cahaya tambahan, seperti resonansi patch [30] dan array nanodisk Ag ganda [33]. Namun, penyerap broadband yang tidak sensitif sudut yang mencakup spektrum visible penuh masih jarang.
Metode
Struktur yang diusulkan diilustrasikan pada Gambar 1. Ia terdiri dari lembaran grafren datar, film perak berbiasa dengan lima selorok paralel, dan spacer polymethyl metakrilat (PMMA) yang memediasi coupling elektromagnetik. Sel satuan memiliki periode Λ, ketebal spacer t, ketebal perak bawah D, dan geometri selorok yang didefinisikan oleh lebar w dan kedalaman d1–d5. Indeks bias PMMA adalah 1,49 [36] dan konstanta optik perak diambil dari Palik [37]. Lapisan grafren dimodelkan sebagai lembaran tipis infinitesimal dengan konduktivitas permukaan σg yang berasal dari rumus Kubo: σg(ω)=σintra(ω)+σinter(ω), di mana σintra dan σinter diberikan oleh persamaan (2) dan (3). Parameter simulasi mencakup μc=0,15 eV, T=300 K, dan τ=0,5 ps. Perhitungan waktu-domain perbedaan hingga (FDTD) (Lumerical FDTD) dengan kondisi batas periodik di x dan lapisan cocok sempurna di z menyediakan reflektivitas R dan transmisivitas T. Total penyerapan A dihitung sebagai 1−R, dan penyerapan grafren Ag diperoleh dari fluks daya melalui lembaran grafren: Ag=[Pup(λ)−Pdown(λ)]/Pin(λ).
a Skematik metasurface multi-selorok untuk penyerapan broadband tidak sensitif sudut. b Penampang silang sel satuan.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 2a menunjukkan spektrum penyerapan metasurface tanpa grafren; struktur berperilaku sebagai penyerap plasmonik dengan penyerapan yang ditingkatkan di seluruh rentang visible. Penambahan grafren (Gambar 2b) secara dramatis meningkatkan penyerapan di seluruh jendela 400–800 nm, menghasilkan total penyerapan rata-rata 92,7 %. Pentingnya, mayoritas energi yang diserap tinggal pada grafren, mencapai penyerapan grafren rata-rata 71,1 % antara 450 dan 800 nm. Peningkatan bergantung pada polarisasi TM; tidak ada peningkatan yang signifikan yang diamati di bawah iluminasi TE (lihat Supplementary Fig. S1).
a Penyerapan metasurface tanpa grafren. b Spektrum penyerapan total struktur, grafren, dan perak dengan grafren. Parameter: Λ=300 nm, t=5 nm, w=30 nm, D=100 nm, d1=20 nm, d2=35 nm, d3=50 nm, d4=80 nm, d5=90 nm, N=10, θc=0°.
Distribusi medan (Gambar 3) mengungkapkan bahwa medan listrik berkonsentrasi di sudut selorok (arah x), yang menunjukkan resonansi dipol listrik, sementara medan magnetik puncak di dalam rongga selorok (tegak lurus pada bidang xoz), yang sesuai dengan resonansi dipol magnetik. Pengendalian simultan mode-mode ini dalam beberapa selorok dengan kedalaman yang berbeda menghasilkan pita penyerapan yang luas yang mencakup spektrum visible.
Medan listrik (a,c,e) dan magnetik (b,d,f) yang dinormalkan untuk λ=450 nm (a,b), 600 nm (c,d), dan 750 nm (e,f). Panah merah menunjukkan arah medan listrik. Parameter sama dengan Gambar 2.
Untuk menentukan mekanisme resonansi, struktur selorok tunggal dianalisis. Kondisi resonansi rongga untuk mode TM0 adalah 2neffdg+½λ=Mλ (M=1). Indeks efektif neff diperoleh dari dispersi mode genap dari gelombang logam-insulator-logam (Eq. 6). Simulasi mengonfirmasi bahwa peningkatan kedalaman selorok menggeser puncak penyerapan grafren ke panjang gelombang yang lebih lama (Gambar 4). Posisi puncak sangat setuju dengan prediksi teoretis (kemiringan 8,48 vs 10,46), menunjukkan bahwa kedalaman selorok secara langsung men-tune puncak penyerapan di seluruh rentang visible. Ini memvalidasi mekanisme broadband yang timbul dari beberapa coupling dipol.
Penyerapan selorok tunggal vs kedalaman selorok. (a) Puncak penyerapan grafren vs kedalaman. (b) Posisi puncak FDTD (biru) dan resonansi teoretis (merah). Parameter: Λ=300 nm, t=5 nm, w=30 nm, N=10.
Ketahanan penyerap terhadap ketebal spacer ditunjukkan pada Gambar 5. Peningkatan lapisan PMMA dari 5 nm ke 20 nm mempertahankan penyerapan broadband, meskipun pita bergeser sedikit ke panjang gelombang yang lebih lama dan penyerapan rata-rata menurun karena coupling yang lebih lemah.
Penyerapan grafren vs ketebal spacer (parameter lain sama dengan Gambar 2).
Gambar 6 mengeksplorasi pengaruh ketebalan grafren (jumlah monolayer N) dan lebar selorok w. Peningkatan N ke 10 menghasilkan peningkatan penyerapan yang signifikan, tetapi peningkatan lebih lanjut memberikan pengurangan manfaat, memuaskan sekitar N=30. Lebar selorok terutama mempengaruhi panjang gelombang resonansi; lebar optimal adalah 30 nm, dengan simpangan ±10 nm yang mengurangi performa.
a Penyerapan grafren vs N. b Spektrum penyerapan vs lebar selorok (N=10). Parameter lain sama dengan Gambar 2.
Performa sudut adalah keuntungan utama: Gambar 7 menunjukkan bahwa bahkan pada sudut insiden 60°, penyerapan grafren tetap di atas 61 % di seluruh 450–800 nm. Mekanisme coupling dipol dalam selorok besar bagian tidak berubah terhadap sudut insiden, menyediakan penyerapan broadband tidak sensitif sudut—sifat yang jarang ditemukan di antara penyerap berbasis grafren.
Penyerapan grafren vs sudut insiden (parameter lain sama dengan Gambar 2).
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan metasurface multi-selorok yang memberdayakan grafren dengan penyerapan broadband tidak sensitif sudut yang mencakup spektrum visible penuh. Desain ini memanfaatkan beberapa resonansi dipol listrik dan magnetik dalam rongga selorok, memungkinkan penyerapan rata-rata 71,1 % antara 450 dan 800 nm. Puncak penyerapan dapat di-tune melalui kedalaman selorok, sementara bandwidth dapat diatur melalui jumlah dan kedalaman selorok. Performa tahan terhadap variasi ketebal spacer, jumlah lapisan grafren, lebar selorok, dan sudut insiden—membuat arsitektur ini sangat menarik untuk fotodetektor omnidireksional, fotovoltaik, dan perangkat optoelektronik berbasis grafren lainnya.
