Tunable dan Anisotropic Dual-Band Metamaterial Absorber Menggunakan Elliptical Graphene-Black Phosphorus Pairs
Abstrak
Kami secara numerik mengusulkan penyerap dual-band di wilayah inframerah berdasarkan pasangan graphene-black fosfor (BP) elips periodik. Penyerap yang diusulkan menunjukkan penyerapan anisotropik hampir kesatuan untuk kedua resonansi karena kombinasi graphene dan BP. Setiap resonansi dapat disetel secara independen melalui penyesuaian parameter geometris. Selain itu, tingkat doping graphene dan BP juga dapat menyesuaikan sifat resonansi secara efektif. Dengan menganalisis distribusi medan listrik, resonansi plasmon permukaan diamati dalam elips graphene-BP, berkontribusi pada respons plasmonik yang kuat dan anisotropik. Selain itu, kekokohan untuk sudut datang dan sensitivitas polarisasi juga diilustrasikan.
Pengantar
Grafena adalah material dua dimensi dengan atom karbon yang tersusun dalam kisi sarang lebah [1, 2]. Berbagai perangkat fotonik berbasis grafena telah dikembangkan dalam beberapa tahun terakhir karena ukurannya yang sangat ringkas dan interaksi grafena cahaya yang unik [3,4,5,6]. Sebagai salah satu aplikasinya yang paling signifikan, penyerap metamaterial berdasarkan graphene telah menarik minat yang berkembang karena respons plasmoniknya yang kuat dan dapat disetel [7,8,9,10]. Namun, beberapa aplikasi yang membutuhkan rasio on-off tinggi dibatasi karena celah pita graphene nol atau mendekati nol [11]. Sebagai bahan alternatif dua dimensi, fosfor hitam (BP), monolayer atom fosfor diatur dalam kisi heksagonal dengan struktur mengerut [12], juga telah menerima lonjakan minat penelitian baru-baru ini. Ini memiliki sifat optik dan elektronik yang luar biasa, seperti anisotropi dalam bidang, celah pita merdu yang bergantung pada ketebalan [13], dan kepadatan dan mobilitas pembawa yang tinggi [14]. Selama beberapa tahun terakhir, di wilayah inframerah, para peneliti telah menyelidiki banyak struktur untuk meningkatkan kekuatan interaksi BP cahaya dalam metamaterial berdasarkan BP [15,16,17]. Namun demikian, resonansi plasmonik dari penyerap berbasis BP hampir tidak dapat disetel secara fleksibel dan efektif, dan mereka biasanya mengalami tingkat penyerapan yang relatif rendah dengan tingkat doping sedang. Hal ini dikaitkan dengan fakta bahwa kekuatan resonansi di BP monolayer agak lemah, membatasi potensi anisotropiknya. Dengan demikian, peredam plasmonik berbasis graphene-BP telah diusulkan memanfaatkan hibridisasi graphene dan BP untuk mencapai penyerapan plasmonik yang kuat dan anisotropik [18,19,20]. Namun, penyerap berbasis graphene-BP yang dilaporkan sebelumnya umumnya memerlukan teknik fabrikasi yang relatif rumit atau memiliki pita serapan tunggal, menghambat aplikasinya lebih lanjut untuk pencitraan, biosensing, dan sistem komunikasi.
Dalam pekerjaan kami, penyerap inframerah dual-band anisotropik diusulkan secara numerik menggunakan pasangan graphene-BP elips periodik, yang merupakan kemudahan fabrikasi. Tunabilitas independen resonansi berdasarkan ukuran geometris dan tingkat doping ditunjukkan. Distribusi medan listrik diplot untuk mengungkapkan mekanisme fisik. Toleransi sudut datang dan sensitivitas polarisasi juga diilustrasikan.
Metode
Penyerap yang diusulkan terdiri dari pasangan graphene-BP transversal dan longitudinal yang diendapkan pada SiO2 lapisan seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Lapisan boron nitrida heksagonal (hBN) disisipkan antara graphene monolayer dan BP sebagai pengatur jarak untuk mencegah pengangkutan pembawa di antara mereka dan menjamin mobilitas pembawa yang tinggi. Parameter SiO2 dan hBN diperoleh dari Ref. 21 dan Ref. 22 masing-masing. Simulasi dilakukan oleh COMSOL Multiphysics untuk menyelidiki sifat dual-band, yang didasarkan pada metode elemen hingga (FEM) dalam domain frekuensi. Kami menerapkan periodisitas Floquet sebagai kondisi batas di kedua x - dan y - petunjuk arah. Sebuah port dengan eksitasi gelombang inframerah diatur pada permukaan atas domain komputasi, sedangkan kondisi batas konduktor listrik sempurna (PEC) diatur pada permukaan bawah. Mesh tetrahedral dengan kepadatan mesh pengontrol pengguna diterapkan untuk seluruh domain.
Sel satuan dari penyerap yang diusulkan berdasarkan pasangan graphene-BP elips. td dan t masing-masing adalah ketebalan lapisan dielektrik dan isolator. a dan b adalah sumbu pendek dan sumbu panjang elips. P adalah panjang sisi periodik sel satuan persegi
Dalam simulasi, baik graphene dan BP diperlakukan sebagai permukaan dua dimensi dengan konduktivitas permukaan, bukan material curah dengan tensor permitivitas. Asumsi ini memecahkan masalah definisi ketebalan untuk bahan ultra tipis dan efisiensi komputasi yang rendah [23].
Untuk menggambarkan konduktivitas permukaan graphene σ (ω ), kami menggunakan rumus Kubo yang terkenal seperti di bawah ini [24]:
Menurut Persamaan. 1, σ (ω ) terdiri dari rekanan intraband dan interband, yaitu σdalam dan σantar . ω adalah frekuensi radian, c adalah potensial kimia, Г adalah tingkat hamburan, dan T adalah suhu Kelvin. ħ , e , ξ , dan kB adalah konstanta Planck tereduksi, muatan elektron, energi elektron, dan konstanta Boltzmann.
Di wilayah inframerah, karena foton insiden hampir tidak dapat menggairahkan transisi interband, interaksi cahaya-graphene didominasi oleh transisi intraband. Khususnya, ketika ckBT , Rumus Kubo dapat lebih disederhanakan menjadi Persamaan. 5:
Jadi, konduktivitas permukaan graphene bergantung pada nilai ω , Г , dan μc . Di sini, Г diasumsikan sebagai 0.3 meV dan μc diasumsikan 0,7 eV menurut pekerjaan sebelumnya [25, 26].
Di sisi lain, kami menghitung konduktivitas permukaan σj BP dengan model Drude semi-klasik sederhana [27]:
dimana ns adalah densitas pembawa yang berhubungan dengan tingkat doping. Kami memilih ns = 1.9 × 10
13
cm
−2
dan ГBP= 10 meV menurut referensi sebelumnya [16]. j adalah arah yang bersangkutan, jadi σx dan σy ditentukan oleh massa elektron sepanjang x - dan y -arah, masing-masing. mx dan my dapat dihitung lebih lanjut dengan:
dimana m0 adalah massa elektron standar, dan Δ dan a adalah celah pita dan panjang skala untuk BP monolayer, masing-masing. Dengan mengganti Persamaan. 10–12 ke dalam Persamaan. 8 dan Persamaan. 9, seseorang dapat memperoleh massa elektron di sepanjang kursi (x -) dan zigzag (y -) arah. Perbedaan di antara mereka berkontribusi pada konduktivitas permukaan anisotropik BP.
Hasil dan Diskusi
Untuk mengilustrasikan karakteristik penyerapan anisotropik dari penyerap yang diusulkan, pertama-tama kami mensimulasikan dan membandingkan spektrum serapan dengan lapisan graphene individu, lapisan BP individu, dan pasangan graphene-BP. Seperti yang dapat diamati pada Gambar. 2a, respons plasmonik graphene adalah isotropik dengan dua puncak serapan yang jelas pada 9,9 μm dan 15,4 μm, tidak bergantung pada polarisasi. Di sisi lain, meskipun resonansi plasmon BP adalah anisotropik, kekuatannya cukup lemah baik untuk kejadian TE (< 12,7%) atau TM (< 0,7%). Dengan menggabungkan keunggulan graphene dan BP, pasangan graphene-BP menunjukkan respons plasmonik yang kuat dan anisotropik. Untuk kejadian TE, dua puncak absorpsi terletak pada 8.8 μm dan 14,1 μm, dengan tingkat absorpsi lebih besar dari 90%. Untuk kejadian TM, panjang gelombang serapan maksimum masing-masing digeser menjadi 9,5 μm dan 15,4 μm. Rasio kepunahan polarisasi dapat didefinisikan sebagai PER = 10 × log(R1 /R0 ), di mana R1 dan R0 menunjukkan reflektansi (R = 1-A , A mewakili absorbansi) dari polarisasi yang berbeda pada panjang gelombang yang sama, maka PER maksimum setiap resonansi dapat mencapai hingga 23 dB dan 25 dB pada λ = 9.5 μm dan λ = 14.1 μm, masing-masing. Oleh karena itu, penyerap yang diusulkan dapat digunakan sebagai polarizer reflektif pita ganda dengan kinerja tinggi.
a Perbandingan respons plasmonik antara graphene monolayer (kurva solid biru dan kurva putus-putus biru tumpang tindih), pasangan BP monolayer dan graphene-BP, dan spektrum penyerapan dengan a yang berbeda (b ), b (c ), dan td (d ). Parameter default adalah a = 62 nm, b = 100 nm, td = 1,35 μm, t = 5 nm, dan P = 250 nm, di bawah kejadian normal
Kami selanjutnya menganalisis spektrum penyerapan dengan konfigurasi geometris yang berbeda untuk menunjukkan sifat penyerapan pita ganda yang dapat disetel pada Gambar. 2b-d. Pada Gambar 2b, puncak serapan pertama memiliki pergeseran merah sebagai a meningkat dari 42 menjadi 52 nm untuk kedua polarisasi, sedangkan frekuensi resonansi kedua hampir tidak berubah. Di sisi lain, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c, dengan meningkatkan panjang sumbu panjang b , resonansi kedua juga bergeser merah, sedangkan puncak serapan pertama tetap konstan untuk polarisasi TE dan TM. Oleh karena itu, puncak penyerapan ganda dapat disetel secara independen dengan memvariasikan panjang sumbu yang sesuai dalam pasangan graphene-BP elips. Selain itu, ketebalan lapisan dielektrik juga memainkan peran penting dalam kinerja perangkat yang diusulkan, yang bertindak sebagai resonator Fabry-Perot yang dibentuk oleh metasurface graphene-BP dan substrat PEC. Dengan demikian, spektrum serapan dengan t . yang berbeda d diplot pada Gambar. 2d. Sebagai td meningkat dari 0,95 menjadi 1,75 μm, puncak serapan pertama untuk polarisasi TE dan TM mengalami penurunan yang dramatis, sedangkan puncak kedua meningkat pada awalnya kemudian menurun tajam. Akibatnya, ada ketebalan yang optimal td yang memaksimalkan puncak serapan ganda dari penyerap yang diusulkan.
Untuk menjelaskan wawasan fisik, kami mengungkapkan lebih lanjut distribusi intensitas medan listrik pada panjang gelombang yang berbeda pada Gambar. 3. Untuk kejadian TE, medan listrik ada di kursi (x -) arah. Di puncak pertama (λ = 8.8 μm), cahaya inframerah yang datang dapat mengeksitasi elektron dalam graphene dan BP untuk berosilasi dalam arah transversal, yang mengarah ke konsentrasi medan listrik di ujung sumbu pendek elips longitudinal seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a. Di λ = 14.1 μm, medan listrik lokal ditingkatkan di ujung sumbu panjang elips melintang. Di sisi lain, kejadian TM dengan medan listrik di zigzag (y -) arah dapat menggairahkan elektron untuk bergetar sepanjang arah longitudinal pada puncak serapan 9,5 μm, yang mengarah ke distribusi medan terkonsentrasi di ujung sumbu pendek elips transversal. Selain itu, di λ = 15.4 μm, peningkatan medan listrik difokuskan pada sumbu panjang ujung elips memanjang. Oleh karena itu, panjang gelombang resonansi berhubungan langsung dengan panjang osilasi terbatas dari dipol yang diinduksi pada pasangan graphene dan BP elips transversal dan longitudinal.
Distribusi intensitas medan listrik pada panjang gelombang yang berbeda untuk a , b TE dan c , d Polarisasi TM, di mana a = 62 nm, b = 100 nm, td = 1,35 μm, t = 5 nm, P = 250 nm, di bawah kejadian normal
Seseorang dapat menyetel kinerja penyerapan pita ganda anisotropik secara efektif dengan memvariasikan dimensi geometris seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b-d. Sementara itu, konduktivitas permukaan graphene dan BP juga dapat dimanipulasi dengan memvariasikan c dan ns menurut formula model graphene dan BP seperti yang disebutkan di atas. μc dan ns mewakili tingkat doping graphene dan BP yang dapat diubah setelah fabrikasi geometris. Dengan demikian, kinerja absorber yang diusulkan dengan μ . yang berbeda c dan ns digambarkan pada Gambar. 4. Mempertimbangkan situasi praktis, μc dipilih antara 0,4 dan 0,8 eV dari pekerjaan sebelumnya yang diverifikasi oleh eksperimen [28]. Dalam pekerjaan yang dilaporkan sebelumnya [29], nilai teoritis maksimum untuk ns BP terbukti menjadi 2,6 × 10
14
cm
−2
, jadi n . yang moderat s dipilih antara 10
13
cm
−2
dan 10
14
cm
−2
dalam simulasi. Pada Gambar 4a, ketika μc = 0.4 eV, puncak serapan pertama terletak pada 10,9 μm dan yang kedua terletak pada 17,1 μm. Sebagai μc meningkat menjadi 0,8 eV, dua panjang gelombang resonansi digeser menjadi 8,4 μm dan 13,4 μm. Demikian pula untuk polarisasi TM, puncak serapan ganda masing-masing digeser dari 12,4 dan 19,8 μm menjadi 8,9 dan 14,4 μm, dengan μc meningkat dari 0,4 menjadi 0,8 eV seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b. Untuk BP berpola individu, panjang gelombang resonansi λp dapat dihitung sebagai \( {\lambda}_p\propto \sqrt{L/{n}_s} \), di mana L adalah panjang osilasi efektif [27]. Jadi, jika L diperbaiki, spektrum penyerapan menunjukkan pergeseran biru yang jelas sebagai ns meningkat untuk polarisasi TE seperti yang diplot pada Gambar. 4c. Untuk polarisasi TM, puncak serapan juga sedikit bergeser biru sebagai ns meningkat dari 10
13
cm
−2
sampai 10
14
cm
−2
seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4d.
Spektrum penyerapan versus tingkat doping yang berbeda di bawah kejadian normal:a dan b untuk berbagai potensi kimia graphene, c dan d untuk berbagai kepadatan pembawa BP, a dan c untuk polarisasi TE, dan b dan d untuk polarisasi TM, di mana a = 62 nm, b = 100 nm, td = 1,35 μm, t = 5 nm, dan P = 250 nm
Dalam aplikasi praktis, toleransi sudut datang lebar lebih disukai untuk peredam inframerah. Oleh karena itu, spektrum penyerapan di bawah insiden miring diuraikan. Pada Gambar 5a, diamati bahwa, untuk polarisasi TE, puncak serapan pertama tetap lebih besar dari 80% ketika θ meningkat menjadi 52°, sedangkan puncak penyerapan kedua bertahan di atas 80% bahkan ketika θ meningkat menjadi 80°. Ketika θ> 46°, panjang gelombang resonansi kedua bergeser merah secara bertahap sebagai θ menjadi lebih besar. Untuk kejadian TM, ketika θ kurang dari 62°, laju penyerapan pada puncak pertama mempertahankan lebih besar dari 90%, sedangkan panjang gelombang resonansi tetap konstan pada λ = 9.5 μm seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5b. Selain itu, untuk resonansi kedua, penyerapan puncak tetap lebih besar dari 80% dengan θ hingga 60°, lalu turun sedikit dengan peningkatan θ . Stabilitas sudut yang sangat baik berasal dari fitur umum resonator Fabry-Perot, yang kuat untuk sudut datang miring [30].
Spektrum serapan di bawah berbagai sudut datang untuk a TE dan b Polarisasi TM dan c berbagai sudut polarisasi di bawah insiden normal. Parameter geometris sama seperti pada Gambar 4
Spektrum penyerapan di bawah kejadian normal dengan sudut polarisasi yang berbeda φ disajikan pada Gambar. 5c untuk menyelidiki ketergantungan polarisasi dari penyerap yang diusulkan. Kami menganggap sudut polarisasi dari polarisasi TE menjadi 0°. Seseorang dapat melihat dari Gambar 5c bahwa, sebagai φ meningkat dari 0 sampai 90°, spektrum absorpsi ternyata sama dengan polarisasi TM pada Gambar 2a. Ketika 0° < φ < 90 °, insiden akan merangsang elektron di BP untuk berosilasi di kursi berlengan dan arah zigzag karena x - dan y - komponen medan listrik insiden. Akibatnya, resonansi plasmon permukaan dapat diinduksi secara bersamaan di kursi berlengan dan arah zigzag dari BP.
Kesimpulan
Sebagai kesimpulan, kami telah mengusulkan penyerap inframerah dual-band anisotropik yang terdiri dari elips graphene-BP transversal dan longitudinal. PER maksimum pada setiap resonansi dapat mencapai hingga 23 dB dan 25 dB. Resonansi anisotropik ganda dikaitkan dengan dipol listrik yang diinduksi yang terletak di ujung sumbu pendek dan panjang. Dengan menyesuaikan panjang sumbu pendek dan sumbu panjang, puncak serapan pertama dan kedua dapat disetel secara independen. Selain itu, pita penyerapan resonansi juga dapat disetel dengan mengubah tingkat doping graphene dan BP yang sesuai. Selain itu, tingkat penyerapan yang tinggi di kedua puncak dapat dicapai di bawah insiden miring untuk polarisasi apapun. Penyerap yang diusulkan dapat digunakan sebagai polarizer reflektif yang dapat disetel dan sensor inframerah baru.
