penyerapan sempurna yang diinduksi secara plasmonik dalam sistem grafena/logam

Hasil dan Diskusi

Kami mensimulasikan spektrum pantulan alur perak dengan w =100 nm, P =250 nm, d =2000 nm, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar. 2a (kurva merah). Penurunan lebar dapat diamati pada ~ 28 THz, dengan rasio kepunahan ~ 44% dan Q faktor ~ 0.8, yang disebabkan oleh resonansi FP yang diinduksi oleh SSP yang dieksitasi oleh cahaya datang [19]. Resonansi ini memiliki rentang pita resonansi yang luas dan dengan demikian mode resonansi dapat berfungsi sebagai mode superradian dalam sistem PIA kami. Kemudian, kami menghitung spektrum pantulan lembaran graphene dengan kondisi batas logam di bagian bawah area simulasi, dengan level Fermi E _B =0,3 eV, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a (kurva biru). Spektrum refleksi menunjukkan bahwa resonansi plasmon graphene tidak dapat langsung dieksitasi oleh kejadian pada frekuensi ini. Untuk memvisualisasikan dan mengoptimalkan mode plasmon yang didukung oleh graphene, pertama-tama kami mensimulasikan mode resonansi yang didukung oleh graphene. Untuk menghilangkan dampak potensial dari resonansi FP alur perak, kami menganggap alur terbuat dari silikon, bukan perak. Spektrum reflektansi struktur dihitung untuk E _B =0,3 eV dan sel satuan yang berbeda P dan ditunjukkan pada Gambar. 2b. Penurunan reflektansi pada frekuensi resonansi f =32,84 THz dapat diamati untuk P =250 nm dengan Q faktor ~ 304. Tinggi Q resonansi dengan pita resonansi sempit dapat berfungsi sebagai mode subradian (gelap) dalam sistem PIA kami. Penurunan reflektansi disebabkan oleh resonansi mode plasmonic quasi-guided di graphene dengan kejadian normal [35] karena alur dapat mengkompensasi ketidakcocokan vektor gelombang berdasarkan m kondisi pencocokan fase urutan ketiga [36, 37]

Respons optik dari mode tunggal. a Spektrum reflektansi dari struktur alur perak saja (garis merah) dan hanya graphene (garis biru) dalam kejadian normal, masing-masing. b Spektrum reflektansi struktur alur graphene-Si untuk periode yang berbeda P dari sel satuan. c Pemodelan numerik dan hasil analisis frekuensi resonansi f , masing-masing. d Medan listrik E _x distribusi mode F-P (kiri) dan mode resonansi quasi-guided graphene (kanan).

dimana k _x =k ₀ dosaθ , k ₀ =2π /λ adalah vektor gelombang di ruang bebas, θ adalah sudut antara cahaya datang dan y -arah, n _eff adalah indeks bias efektif mode pandu gelombang TM di graphene, dan G _x adalah vektor kisi timbal balik dari kisi (G _x =2π /P ). Dalam diskusi berikut, sudut cahaya datang y -arah adalah nol (θ =0 °). Situasi untuk sudut datang lainnya dibahas dalam file tambahan 1. Posisi penurunan reflektansi ini sesuai dengan frekuensi resonansi dari mode quasi-guided dalam graphene, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Hasil simulasi sangat sesuai dengan Persamaan. (1), di mana m =1 dan indeks bias efektif, ~ 33, diperoleh dengan larutan FDTD, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c. Medan listrik E _x distribusi mode FP dan mode quasi-guided graphene telah ditunjukkan pada Gambar. 2d. Perlu dicatat bahwa kurungan energi mode SSP yang ditopang oleh permukaan beralur Si dapat diabaikan dibandingkan dengan mode quasi-guided graphene.

Dalam situasi coupling, kedua eigenmode akan digabungkan secara kuat ketika mereka dekat satu sama lain, dan karenanya spektrum refleksi akan berubah secara dramatis. Kemiringan sub-linewidth yang sempit dari absorbansi yang ditingkatkan dengan rasio kepunahan ~ 99,97% diamati di atas kemiringan reflektansi yang lebih luas, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Saat meningkatkan jarak vertikal g , kopling medan dekat dan mode quasi-guided menjadi lebih lemah, karena modulasi kemiringan reflektansi menjadi lebih kecil. Ada dua kemungkinan yang menyebabkan penurunan reflektansi lebih kecil yaitu kopling yang lebih lemah dan eksitasi mode terpandu yang lebih lemah. Oleh karena itu, kami menggunakan model osilator berpasangan untuk memahami sistem PIA secara kuantitatif [38].

Respons optik bervariasi dengan jarak kopling. a Pantulan. b Spektrum serapan struktur alur graphene-silver dalam kejadian normal untuk jarak yang berbeda g antara graphene dan alur perak. Kurva hitam/bola biru dihitung dengan metode FDTD dan kurva merah adalah analitis fit dengan Persamaan. (3) perangkat PIA

Dimana \( {\tilde{a}}_{1,2}={a}_{1,2}\left(\omega \right){\mathrm{e}}^{i\omega t} \) , ω _1,2 dan γ _1,2 adalah amplitudo harmonik waktu, frekuensi resonansi, dan konstanta redaman dari mode terang dan mode gelap. b adalah koefisien kopling yang mengukur seberapa kuat pasangan mode terang dengan medan listrik yang datang. \( \tilde{\kappa}=\kappa {e}^{i\varphi} \) adalah parameter kopling kompleks, yang diperkenalkan untuk mengekspresikan efek perlambatan fase. φ adalah pergeseran fasa, yang merupakan koefisien kunci untuk menentukan bentuk interferensi antara dua jalur yang koheren. Ketika φ =0 adalah parameter nyata dan perilaku khas dari efek PIT dapat diamati, dan interferensi antara dua jalur yang koheren bersifat destruktif. Untuk φ =/2 adalah parameter imajiner murni dan interferensi antara dua jalur koheren diubah dari destruktif menjadi konstruktif [26]. Penyerapan sistem dapat dihitung sebagai energi yang hilang berdasarkan rumus (2), yaitu

Kemudian, kami menyesuaikan spektrum serapan numerik dengan Persamaan. (3) untuk g . yang berbeda , yang telah ditunjukkan pada Gambar. 3b (kurva merah). Hasil simulasi sesuai dengan hasil pemodelan analitik berdasarkan model osilator berpasangan, yang sangat menegaskan prinsip desain perangkat PIA kami. Parameter pas κ , φ , γ ₁ , dan γ ₂ telah ditunjukkan pada Gambar. 4a-c. g . yang meningkat menghasilkan penurunan parameter kopling κ , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Saat mengurangi kopling secara bertahap (meningkatkan g ), fase φ tidak berubah, dan γ ₂ secara bertahap menurun saat γ ₁ perubahan sedikit ditunjukkan pada Gambar. 4b, c. Parameter kopling κ melebihi konstanta redaman mode gelap γ ₂ untuk jarak celah minimum, yang menegaskan bahwa sambungan dari mode terang ke mode gelap lebih kuat daripada proses disipasi dalam lembaran graphene.

Analisis kuantitatif respons optik dalam sistem berpasangan. Angka yang diekstraksi (a ) kopling, (b ) fase, dan (c ) koefisien redaman sebagai fungsi celah g . Nilai κ , φ , dan γ ₁ , γ ₂ diekstraksi dengan memasang spektrum serapan numerik

Untuk memvisualisasikan interferensi konstruktif antara mode terang dan gelap, kami menyelidiki evolusi medan magnet struktur terhadap waktu, dan dua H _z monitor telah ditempatkan masing-masing 3 nm dari pusat graphene dan 1000 nm dari dasar alur perak. Perbedaan fase osilasi antara dua mode adalah 0,5π, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a. Distribusi medan magnet pada waktu yang berbeda dihitung dalam frekuensi resonansi PIA f _q =32,5 THz, di mana ω _q t ₁ ~ 2.00 dan ω _q t ₂ ~ 2,50π, seperti ditunjukkan pada Gambar 5b, c. Maksimum medan magnet di alur perak dapat diamati untuk 2,00π sedangkan medan magnet di graphene mencapai maksimum 2,50, menunjukkan kopling di luar fase antara dua struktur. Oleh karena itu, evolusi dan pembentukan resonansi ditentukan oleh interferensi konstruktif [39].

Evolusi domain waktu dari mode berpasangan. a Evolusi waktu yang dihitung dari kekuatan medan magnet pada graphene (garis merah) dan alur perak (garis biru). Dihitung z komponen distribusi medan magnet untuk g =90nm Kuat medan maksimum pada alur perak dan graphene diamati pada waktu yang berbeda b ω _q t ₁ ~ 2.00π dan c ω _q t ₂ ~ 2,50π, masing-masing

Dalam aplikasi praktis, pita refleksi sempit dan rasio kepunahan tinggi sangat diinginkan. Untuk mencapai kedua kondisi ini, kita dapat menyesuaikan periode satuan P dan kedalaman alur perak d untuk mengoptimalkan parameter struktural kami. Setelah menghitung spektrum refleksi dari parameter struktur yang berbeda P dari 1900 hingga 2100 nm dan d dari 245 hingga 265 nm oleh FDTD, kami mendapatkan rasio kepunahan yang sangat tinggi ~ 99,999% di P =254 nm dan d =1980nm. Spektrum reflektansi perangkat PIA di bawah lingkungan indeks bias yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 6a. Kemampuan penginderaan didefinisikan sebagai [39]:

Kinerja penginderaan sistem. a Respon penginderaan sensor PIA untuk berbagai lingkungan dielektrik. b Kurva FOM* terkait dan spektrum reflektansi

dimana f dan Aku adalah frekuensi resonansi dan intensitas spektral, masing-masing. Saat mengukur intensitas pantulan sensor, kemampuan sensitivitas sensor dapat diukur dengan nilai FOM*. Semakin tinggi nilainya berarti semakin tinggi sensitivitas sensor. Dari Gambar 6 a, kita bisa mendapatkan S =11,2 THz/RIU dan FOM~94,1 terkait, dengan lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) ~ 30 nm (0,12 THz). FOM ini lebih besar dari nilai dalam penyerap metamaterial berdasarkan resonansi kisi permukaan. Selain itu, sensor PIA kami dapat menghasilkan nilai FOM* ultra tinggi 3,5 × 10 ⁶ , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6b. Kami membandingkan kinerja sensor yang baru dipelajari di File tambahan 1:Tabel S1.

Dalam sistem PIA, graphene memainkan peran kunci lainnya. Modulasi frekuensi resonansi dapat dicapai dengan menyetel tegangan gerbang untuk menyesuaikan tingkat Fermi graphene. Spektrum simulasi ditunjukkan dalam file tambahan 2:Gambar S1 dan 3:Gambar S2. Kontrol aktif pergeseran frekuensi dari resonansi PIA berguna untuk sensor atau penyerap.