Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Peredam Sempurna Koheren Dual-Band dan Polarisasi-Tidak Sensitif yang Dapat Disetel Berbasis Double-Layers Graphene Hybrid Waveguide

Abstrak

Grafena monolayer tersuspensi hanya memiliki tingkat penyerapan sekitar 2,3% pada pita cahaya tampak dan inframerah, yang membatasi aplikasi optoelektroniknya. Untuk meningkatkan efisiensi penyerapan graphene secara signifikan, penyerap sempurna koheren (CPA) dual-band yang dapat disetel dan tidak sensitif terhadap polarisasi diusulkan dalam rezim inframerah-tengah, yang berisi susunan silikon yang digabungkan dalam pandu gelombang graphene dua lapis. Berdasarkan metode FDTD, puncak penyerapan sempurna dual-band dicapai masing-masing pada 9611 nm dan 9924 nm. Selain itu, karena fitur simetris tengahnya, penyerap yang diusulkan juga menunjukkan tidak sensitif terhadap polarisasi. Sementara itu, puncak serapan koheren dapat dimodulasi semua optik dengan mengubah fase relatif antara dua lampu insiden terbalik. Selanjutnya, dengan memanipulasi energi Fermi dari dua lapisan graphene, dua puncak serapan yang koheren dapat bergerak pada rentang spektrum yang luas, dan CPA yang dirancang kami juga dapat diubah dari CPA pita ganda menjadi CPA pita sempit. Dengan demikian, hasil kami dapat menemukan beberapa aplikasi potensial di bidang pengembangan perangkat nanofotonik dengan kinerja luar biasa yang bekerja pada rezim inframerah-tengah.

Pengantar

Sebagai isu penting untuk nanophotonics dan optoelectronics, interaksi materi cahaya yang efisien telah banyak menimbulkan kekhawatiran dalam beberapa tahun terakhir [1, 2], terutama dalam bahan dua dimensi (2D) yang tipis secara atom. Banyak laporan telah dibuktikan, seperti dichalcogenides logam transisi (TMDCs) [3, 4], graphene [5,6,7,8,9], boron nitrida heksagonal [10], fosfor hitam [11], dan sebagainya. . Sebagai bahan 2D prototipikal, graphene dapat berinteraksi dengan cahaya dalam rentang panjang gelombang yang lebar (ultraviolet hingga terahertz). Namun, karena struktur pita elektronik tanpa celah dan kerucut yang alami [12], efisiensi penyerapan cahaya dalam graphene serendah sekitar 2,3%. Untungnya, celah pita optik graphene dapat dibuka dengan doping atau menggunakan metode khusus lainnya, yang menghasilkan eksitasi polariton plasmon permukaan (SPP) di pita terahertz dan inframerah [13]. Kemudian, penyerapan dan pengurungan cahaya di graphene dapat sangat diperkuat karena SPP yang tereksitasi, yang dapat memperpanjang waktu interaksi antara graphene dan cahaya [14,15,16,17,18,19]. Oleh karena itu, perangkat plasmonik graphene telah menjadi topik yang menarik dan signifikan, dan penelitian ekstensif telah ditunjukkan di berbagai bidang, seperti peredam [17, 18], filter optik [20], sensor [21], modulator [22], dan fotodetektor. [23, 24].

Lebih khusus lagi, di antara perangkat berbasis graphene ini, penyerap optik mengambil peran penting dalam bidang pengembangan perangkat optoelektronik canggih, seperti perangkat penangkap energi surya dan emitter. Baru-baru ini, karena sifat unik dari graphene, beberapa absorber berdasarkan graphene telah dilaporkan. Selain itu, seperti yang disebutkan di atas, sebagian besar peredam ini difokuskan pada rezim terahertz dan inframerah, karena graphene dengan proses khusus dapat mengeksitasi SPP, yang mengarah ke interaksi cahaya-graphene yang kuat dalam panjang gelombang ini [3]. Misalnya, berdasarkan graphene, Luo et al. [25] mengusulkan penyerap sempurna yang dapat disetel dengan pita ultra-sempit, yang dapat mempertahankan kinerja yang memuaskan di bawah insiden sudut lebar. Dalam Ref. [16], dengan menanamkan graphene monolayer ke metamaterials, Xiao et al. menunjukkan bahwa analog EIT diwujudkan dalam rezim terahertz, dan intensitas resonansinya dapat dimanipulasi secara fleksibel pada rentang yang luas. Jiang dkk. [26] merancang, membuat, dan menyelidiki penyerap broadband berdasarkan graphene berpola dalam rezim terahertz, dan penyerapan di atas 90% dicapai dari 1,54 hingga 2,23 THz. Untuk memanipulasi plasmon permukaan graphene dengan cara yang efektif dan layak, Xia et al. menyarankan bahwa hal itu dapat diwujudkan dengan menggunakan kisi sinusoidal konduktif dengan ukuran sub-panjang gelombang [19].

Yang penting, penyerap sempurna koheren (CPA), yang merupakan cara lain untuk mengontrol dan memperkuat penyerapan optik graphene, telah menarik perhatian besar karena fitur modulasi semua optik [27, 28]. Tergantung pada efek interferensi dan interaksi penyerapan, CPA menyediakan metode potensial untuk memanipulasi cahaya dengan cahaya tanpa nonlinier. Y.D.Chong dkk. secara teoritis menyelidiki CPA dengan matriks hamburan [29]. Tak lama, dua jenis CPA berturut-turut dilaporkan dalam lempengan silikon [30] dan metamaterial planar [31]. Baru-baru ini, CPA juga telah dipelajari secara intensif di perangkat berbasis graphene. Misalnya, dikombinasikan dengan struktur nano logam-grafena sentrosimetri, Y. Ning et al. [32] menyelidiki CPA peka polarisasi-merdu dan menunjukkan bahwa penyerapan dapat secara fleksibel dan semua-optik dimodulasi oleh energi Fermi graphene dan fase relatif antara lampu insiden. Dengan menjebak resonansi mode terpandu dalam kisi dielektrik sub-panjang gelombang, X. Feng et al. [33] menyadari CPA berbasis graphene yang dapat disetel, yang dapat diterapkan dalam cakupan spektrum yang luas dari rezim yang terlihat hingga inframerah. Y.C. Fan dkk. [34] mengeksploitasi metasurface graphene nanoribbon berbasis ke CPA di rezim pertengahan inframerah, dan menunjukkan bahwa CPA ini dapat dimanipulasi secara fleksibel dengan mengubah sifat graphene dan parameter struktural dari metasurface. Namun, CPA berbasis graphene dual-band juga sangat penting bagi perangkat nanophotonics dan optoelectronics, tetapi jarang diselidiki dalam rezim pertengahan-inframerah. Selain itu, bagaimana meningkatkan kemampuan penyesuaiannya juga merupakan tantangan yang dihadapi CPA dual-band.

Dalam makalah ini, kami merancang dan mempelajari CPA dual-band yang dapat disetel dan tidak sensitif terhadap polarisasi pada pita inframerah-tengah, yang berisi susunan silikon yang digabungkan dalam pandu gelombang graphene dua lapis. Mekanisme fisik CPA yang dirancang dianalisis dengan matriks hamburan. Sementara itu, fitur-fitur CPA yang diusulkan ditunjukkan oleh simulasi domain waktu-berbeda-hingga (FDTD). Ketika cahaya datang disinari ke dalam susunan silikon, karena resonansi plasmonik pada film graphene kontinu ganda dapat muncul karena mekanisme resonansi mode terpandu, maka efek kopling di antara keduanya menghasilkan puncak penyerapan pita ganda yang sempurna, yang masing-masing dicapai dalam 9611 nm dan 9924 nm. Selain itu, karena fitur simetris tengahnya, penyerap yang diusulkan juga menunjukkan tidak sensitif terhadap polarisasi. Selain itu, sebagian besar peredam berbasis graphene yang dilaporkan dimanipulasi dengan hanya mengubah sifat graphene melalui medan elektrostatik, medan magnet, atau doping kimia, yang merupakan penyebab kerugian tambahan dan juga membuat perangkat lebih rumit. Untuk CPA yang kami usulkan, penyerapan koheren dapat dimodulasi secara optikal dengan mengubah fase relatif antara dua lampu insiden terbalik, yang meningkatkan penyesuaian penyerap dan tidak meningkatkan kompleksitas struktur. Sementara itu, dengan memanipulasi energi Fermi dari dua lapisan graphene, dua puncak serapan yang koheren dapat bergerak pada rentang spektrum yang luas, dan CPA yang kami rancang juga dapat diubah dari CPA pita ganda menjadi CPA pita sempit. Oleh karena itu, pekerjaan kami memberikan cara yang sangat menjanjikan dengan kemudahan dan sensitivitas untuk aplikasi potensial termasuk sakelar, perangkat logika semua optik, dan fotodetektor yang koheren.

Metode

Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 1, ada dua film graphene kontinu pada substrat silika, yang dipisahkan oleh lapisan silika. Sementara itu, susunan silikon diletakkan di atas film graphene atas. Di sini, panjangnya (x -arah) dan lebar (y -direction) dari setiap kotak silikon dalam array keduanya ditetapkan sebagai w = 80 nm, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c. Sementara itu, kedua periode kuadrat silikon dalam x -arah dan y -arahnya adalah p = 160 nm, dan ketebalan (z arah) persegi silikon adalah h = 100 nm. Selain itu, ketebalan silikat spacer dan substrat d 1 = 75 nm dan d 2 = 150 nm, masing-masing. Aku 1 dan Aku 2 , sebagai dua lampu insiden yang koheren, secara bersamaan disinari pada CPA yang diusulkan dari dua arah yang berlawanan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a. Hubungan antara Aku 1 dan Aku 2 adalah Aku 2 = αAku 1 exp( + ikz ), di mana α , φ , dan z adalah amplitudo relatif, perbedaan fase, dan titik referensi fase antara I 1 dan Aku 2 , masing-masing. O 1 dan O 2 adalah hamburan lampu yang muncul dari bawah dan atas BPA yang diusulkan. Selanjutnya, ketebalan dua film graphene keduanya ditetapkan sebagai 0,34 nm dalam simulasi kami, dan konduktivitas dua film graphene keduanya dihitung dalam perkiraan fase acak lokal sebagai berikut [35]:

$$ \sigma \left(\omega \right)=\frac{ie^2{\kappa}_BT}{\pi {\mathrm{\hslash}}^2\left(\omega +i{\tau}^ {-1}\right)}\left[\frac{E_f}{\kappa_BT}+2\ln \left({e}^{-\frac{E_f}{\kappa_BT}}+1\right)\right ]+\frac{ie^2}{4\pi \mathrm{\hslash}}\ln \left[\frac{2{E}_f-\left(\omega +i{\tau}^{-1} \right)\mathrm{\hslash}}{2{E}_f+\left(\omega +i{\tau}^{-1}\right)\mathrm{\hslash}}\right] $$ (1)

dimana T = 300K adalah suhu ruangan dan E f adalah energi Fermi. Sementara itu, waktu relaksasi intrinsik digambarkan sebagai \( \tau =\mu {E}_f/\mathrm{e}{\upsilon}_f^2 \), di mana υ f adalah kecepatan Fermi dan μ = 10000cm 2 V −1 s −1 adalah mobilitas pembawa. Untuk struktur yang kami usulkan, energi Fermi dari film graphene atas dan bawah diasumsikan sebagai E f 1 = 0.66eV dan E f 2 = 0,31eV , masing-masing.

a Diagram skema penyerap sempurna berbasis graphene dual-band. b Tampilan samping dengan dimensi yang ditentukan. c Tampilan atas dengan dimensi yang ditentukan

Dalam simulasi, kami menggunakan metode 3D FDTD untuk perhitungan numerik. Sementara itu, kondisi batas periodik diterapkan di sepanjang x - dan y -arah, dan lapisan yang sangat cocok diterapkan di sepanjang z -arah termasuk bagian atas dan bawah perangkat yang diusulkan. Selain itu, kami menggunakan mesh non-seragam untuk menghitung hasil simulasi, di mana ukuran mesh minimum di dalam lapisan graphene sama dengan 0,1 nm dan secara bertahap meningkat di luar film graphene untuk mengurangi ruang penyimpanan dan waktu komputasi.

Hasil dan Diskusi

Pertama, untuk menjelaskan mekanisme fisik dengan jelas, kami menyelidiki penyerapan CPA yang diusulkan di bawah penerangan normal hanya satu sinar datang I 1 di z -arah. Karena CPA berbasis graphene berada dalam lingkungan simetri, koefisien refleksi dan transmisi gabungan dapat dinyatakan sebagai r = η dan t = 1 + η , masing-masing, di mana η adalah amplitudo konsisten diri yang terkait dengan pandu gelombang hibrid graphene. Jadi, serapannya diturunkan sebagai A = 1 − |r | 2 |t | 2 =  − 2η 2 2η . Kondisi penyerapan maksimum adalah ∂A /∂η = 0 (∂A 2 /∂η 2 adalah nyata dan negatif) dan kita mendapatkan \( \eta =-\frac{1}{2} \). Kemudian, batas penyerapan maksimum adalah A maks =0,5. Dalam simulasi kami, ketika hanya satu sinar insiden I 1 menyala secara vertikal pada penyerap yang diusulkan, karena resonansi plasmonik pada film graphene ganda, yang muncul oleh cahaya datang melalui susunan silikon untuk mekanisme resonansi mode terpandu, kemudian efek kopling antara film graphene ganda mengarah ke dual -puncak absorpsi pita, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Namun, kedua puncak absorpsi kurang dari 0,5, yang sesuai dengan batas absorpsi.

Spektrum pantulan (R), transmisi (T), dan penyerapan (A) dari penyerap berbasis graphene yang diusulkan dengan energi Fermi E f 1 = 0.66 eV dan E f 2 = 0,31 eV di bawah penerangan hanya satu sinar insiden I 1 di z arah

Lalu, ketika Aku 1 dan Aku 2 vertikal pada struktur yang diusulkan dari sisi yang berlawanan, diagram skematik ditunjukkan pada Gambar. 1a. Sementara itu, O 1 dan O 2 juga dapat diasumsikan sebagai intensitas cahaya yang muncul dari bawah dan atas CPA yang diusulkan. Hubungan antara lampu datang dan lampu yang muncul ditunjukkan oleh matriks hamburan:

$$ \left[\begin{array}{c}{O}_2\\ {}{O}_1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{r}_{ 11}&{t}_{12}\\ {}{t}_{21}&{r}_{22}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I }_1\\ {}{I}_2\end{array}\kanan] $$ (2)

Ketika batas penyerapan yang tidak koheren terpenuhi (yaitu, r 11 = r 22 =  − 0,5 dan t 12 = t 21 = 0.5), dengan mempertimbangkan hubungan saya 2 = αAku 1 exp( + ikz ) dengan z = 0, penyerapan koheren A bersama dari BPA berbasis graphene yang diusulkan dinyatakan sebagai [36]:

$$ {A}_{\mathrm{co}}=1-\frac{{\left|{O}_1\right|}^2+{\left|{O}_2\right|}^2}{ {\left|{I}_1\kanan|}^2+{\left|{I}_2\kanan|}^2}=1-\frac{1+{\alpha}^2-2\alpha \cos \left(\varphi \right)}{2\left(1+{\alpha}^2\right)} $$ (3)

Jadi, menurut Persamaan. (3), A bersama dapat dimanipulasi dengan mengubah α dan φ . Khususnya, jika α = 1, A bersama dapat disetel dari minimum A bersama = 0 hingga maksimum A co − maks = 1 ketika φ bervariasi dari (2N + 1)π ke 2T .

Seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 3, ketika dua insiden menyala dengan φ = 0 dan α = 1 koheren diterangi pada struktur yang diusulkan, puncak penyerapan sempurna dual-band dapat dicapai di λ 1 = 9611 nm dan λ 2 = 9924 nm, masing-masing. Selain itu, dibandingkan dengan penyerapan di bawah penerangan hanya satu sinar insiden, penyerapan CPA berbasis graphene yang diusulkan telah ditingkatkan secara signifikan. Perlu dicatat bahwa karena fitur simetris tengahnya, CPA yang diusulkan juga menunjukkan tidak sensitif terhadap polarisasi. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, apakah insiden menyala dengan p atau s polarisasi, spektrum penyerapan tetap sama.

Spektrum serapan dari penyerap berbasis graphene yang diusulkan di bawah penerangan hanya satu sinar datang (kurva merah), dan di bawah penerangan koheren dengan p polarisasi (kurva biru) dan polarisasi s (kurva hitam)

Untuk menunjukkan dengan jelas fitur-fitur CPA yang diusulkan, kami menggambarkan medan magnet di sekitar pandu gelombang graphene dua lapis pada panjang gelombang puncak penyerapan. Seperti dijelaskan pada Gambar. 4a, b, medan magnet di sekitar dua lapisan graphene dikumpulkan dan terperangkap pada panjang gelombang puncak serapan. Namun, untuk film graphene atas, medan magnet terutama terbatas antara kotak silikon dan film graphene atas, yang sesuai dengan mode plasmon lokal. Selain itu, setelah film graphene lain ditambahkan di bawah film graphene atas, energi cahaya akan ditransfer dari lapisan atas ke lapisan bawah karena resonansi mode terpandu. Kemudian, efek kopling antara lapisan graphene atas dan lapisan bawah meningkatkan medan optik dan memusatkan energi cahaya dalam struktur yang diusulkan, yang mengarah ke puncak penyerapan pita ganda, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Di sisi lain, pada panjang gelombang 9000 nm, ada sedikit medan optik yang diperkuat di sekitar dua film graphene, karena jaraknya jauh dari panjang gelombang resonansi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c.

Profil kontur medan magnet yang dinormalisasi dari CPA berbasis graphene yang diusulkan (a ) di λ1 = 9611 nm, (b ) 2 = 9924 nm, dan (c ) 3 = 9000 nm

Selanjutnya, demi menampilkan karakteristik modulasi semua-optik, kami mendemonstrasikan penyerapan koheren dari penyerap yang diusulkan dengan perbedaan fase yang berbeda φ , seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 5. Sementara itu, amplitudo relatif α lampu insiden koheren ditetapkan sebagai 1, dan parameter struktural lainnya disimpan sama seperti pada Gambar. 1. Seperti yang digambarkan pada Gambar. 5a, b, dengan meningkatkan φ dari 0 hingga , dua puncak serapan pada 9611 nm dan 9924 nm terus menurun dari 0,982 dan 0,993 menjadi hampir 0, masing-masing. Dengan demikian, kontras modulasi dapat setinggi 34,8 dB dan 35,2 dB pada dua puncak serapan koheren dengan φ yang berbeda. , yang menunjukkan properti modulasi semua optik yang signifikan.

Penyerapan CPA yang diusulkan dengan perbedaan fase yang berbeda pada puncak a 1 = 9611 nm dan b 2 = 9924 nm, masing-masing

Berikut ini, untuk sistem empat lapisan (silicon array-graphene waveguide/silica layer/graphene film/silica substrat), dikombinasikan dengan kondisi batas kontinu dan persamaan Maxwell, hubungan dispersi dapat dinyatakan sebagai [37]:

$$ \exp \left(-2{k}_2{d}_1\right)=\frac{1+\frac{\varepsilon_2{k}_1}{\varepsilon_1{k}_2}}{1-\frac {\varepsilon_2{k}_1}{\varepsilon_1{k}_2}}\bullet \frac{\left(1+\frac{\varepsilon_2{k}_3}{\varepsilon_3{k}_2}\kanan)\kiri (1+\frac{\varepsilon_3{k}_4}{\varepsilon_4{k}_3}\right)+\left(1-\frac{\varepsilon_2{k}_3}{\varepsilon_3{k}_2}\kanan )\left(1-\frac{\varepsilon_3{k}_4}{\varepsilon_4{k}_3}\right)\exp \left(-2{k}_3{d}_g\right)}{\left( 1-\frac{\varepsilon_2{k}_3}{\varepsilon_3{k}_2}\right)\left(1+\frac{\varepsilon_3{k}_4}{\varepsilon_4{k}_3}\right)+ \left(1+\frac{\varepsilon_2{k}_3}{\varepsilon_3{k}_2}\right)\left(1-\frac{\varepsilon_3{k}_4}{\varepsilon_4{k}_3}\ kanan)\exp \left(-2{k}_3{d}_g\kanan)} $$ (4)

dimana, ε i dan k i (i = 1, 2, 3, 4) adalah permitivitas dan vektor gelombang dari pandu gelombang silikon array-graphene (i = 1), lapisan silika (i = 2), film grafena (i = 3), dan substrat silika (i = 4), masing-masing. d g adalah ketebalan graphene. Jadi, dengan memanipulasi energi Fermi dari dua film graphene dengan benar, fitur mode plasmonic yang ditopang oleh dua film graphene dapat dikontrol secara signifikan dan independen. Seperti yang terlihat pada Gambar. 6a, b, spektrum penyerapan CPA yang diusulkan dapat dimanipulasi secara fleksibel dan terpisah dengan mengubah energi Fermi dari lapisan bawah atau lapisan atas film graphene. Ketika energi Fermi E f 1 graphene lapisan atas tetap tidak berubah dan energi Fermi E f 2 Grafena lapisan bawah menurun dari 0,31 menjadi 0,27 eV, puncak serapan pada λ 1 pergeseran merah dan menjaga nilainya hampir tidak berubah, sedangkan puncak penyerapan di λ 2 berkurang dengan cepat dan bahkan menghilang di bawah E f 2 = 0,27 eV, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6a. Sebaliknya, ketika E f 2 meningkat dari 0,31 menjadi 0,37 eV, puncak serapan pada λ 1 berkurang dengan cepat dan hampir menghilang di bawah E f 2 = 0,37 eV, sedangkan puncak serapan pada λ 2 pergeseran biru dan menjaga nilainya hampir tidak berubah. Jadi, penyerap sempurna yang diusulkan pita ganda dapat diubah menjadi penyerap sempurna pita sempit dengan mengubah E secara terpisah f 2 . Di sisi lain, ketika E f 2 tetap tidak berubah dan E f 1 meningkat dari 0,62 menjadi 0,72 eV, kedua puncak serapan bergeser biru dan mempertahankan nilainya hampir tidak berubah pada rentang panjang gelombang yang lebar, yang menunjukkan karakteristik yang dapat disetel secara signifikan. Dibandingkan dengan penyerap lain berdasarkan pola graphene diskrit, perlu dicatat bahwa dua film graphene dari CPA yang diusulkan berada dalam bentuk kontinu, yang lebih nyaman untuk mendapatkan tunabilitas yang sangat baik.

Spektrum serapan sebagai fungsi dari panjang gelombang dan tingkat Fermi a graphene lapisan bawah dan b graphene lapisan atas. Parameter struktural lainnya sama dengan Gbr. 1

Selain itu, kami menyelidiki pengaruh parameter struktur yang berbeda pada penyerapan optik CPA yang diusulkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7. Karena setiap silikon persegi tampil sebagai resonator Fabry-Perot untuk mode plasmon lokal, dan panjang gelombang resonansi sangat sensitif dengan lebar kotak silikon. Jadi, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, ketika w meningkat, puncak penyerapan pita ganda keduanya bergeser merah karena peningkatan panjang gelombang resonansi efektif dari mode plasmon lokal. Selain itu, faktor pengisian akan meningkat dengan w , yang selanjutnya memperkuat intensitas peningkatan medan dan konsentrasi antara persegi silikon yang berdekatan dan graphene di dalam. Dengan demikian, efisiensi penyerapan pertama-tama akan meningkat dengan w . Namun, dengan peningkatan faktor pengisian yang terus menerus, terlalu banyak area graphene yang akan ditutupi oleh kotak silikon. Akibatnya, efisiensi penyerapan selanjutnya akan menurun dengan bertambahnya w. Kemudian, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7b, puncak serapan juga akan terlihat bergeser merah dengan kenaikan p , karena panjang gelombang resonansi mode plasmon terlokalisasi menjadi lebih besar. Lebih lanjut, dicatat bahwa frekuensi resonansi mode plasmonik yang didukung oleh graphene lapisan bawah sangat bergantung pada jarak pemisahan d 1 . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c, ketika d 1 meningkat, kekuatan kopling medan dekat antara mode resonansi lapisan atas dan bawah akan menjadi semakin lemah, yang menyebabkan puncak penyerapan pita ganda pada akhirnya merosot menjadi satu puncak. Sementara itu, kami juga menyelidiki penyerapan CPA yang diusulkan dengan susunan dielektrik yang berbeda. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7d, kinerja CPA dual-band dengan apakah TiO2 larik (n T = 2.9) atau larik GaSb (n G = 3.8) tidak lebih baik dari yang memiliki susunan silikon. Selain itu, perlu dicatat bahwa panjang gelombang puncak serapan bergeser merah dengan kenaikan indeks bias susunan dielektrik.

Penyerapan cahaya BPA yang diusulkan dengan a different yang berbeda p , b dengan , c d 1 , dan d array dielektrik yang berbeda, masing-masing. Parameter lainnya sama dengan Gbr. 2

Kesimpulan

Seperti disebutkan sebelumnya, sebagian besar peredam sempurna berbasis graphene yang dilaporkan sensitif terhadap polarisasi dan fokus pada penyerap sempurna pita sempit atau pita lebar, peredam sempurna berbasis graphene dual-band jarang diselidiki dalam rezim inframerah-tengah. Dalam makalah ini, kami telah merancang CPA dual-band yang dapat disetel dan tidak sensitif terhadap polarisasi dalam rezim inframerah-tengah, dan fitur penyerapan yang sesuai dibahas dengan menggunakan matriks hamburan dan simulasi FDTD, yang menggambarkan bahwa puncak penyerapan sempurna dual-band adalah dicapai di 9611 nm dan 9924 nm, masing-masing. Selain itu, karena fitur simetris tengahnya, CPA yang diusulkan juga tidak sensitif terhadap polarisasi. Sementara itu, puncak serapan koheren dapat dimodulasi semua optik dengan mengubah fase relatif antara dua lampu insiden terbalik. Selanjutnya, dengan memanipulasi energi Fermi dari dua lapisan graphene, dua puncak serapan yang koheren dapat bergerak pada rentang spektrum yang luas, dan CPA yang dirancang kami juga dapat diubah dari CPA pita ganda menjadi CPA pita sempit. Di sisi lain, untuk CPA yang diusulkan, metamaterial subwavelength berdasarkan kotak silikon dapat diintegrasikan untuk teknologi CMOS saat ini, dan graphene yang ditumbuhkan deposisi uap kimia (CVD) dapat ditransfer melalui lapisan silika menggunakan teknik transfer standar [38]. Selain itu, dibandingkan dengan perangkat yang didasarkan pada graphene berpola, struktur kami mempertahankan graphene dalam bentuk kontinu, yang memiliki manfaat untuk mempertahankan mobilitas graphene yang tinggi dan menyederhanakan proses fabrikasi serta konfigurasi doping. Dalam beberapa tahun terakhir, beberapa kelompok penelitian telah mencoba merancang beberapa perangkat berbasis graphene dalam percobaan berdasarkan metode di atas [39,40,41]. Oleh karena itu, kami percaya adalah mungkin untuk membuat struktur yang kami usulkan dengan pemrosesan serupa, dan CPA berbasis graphene yang kami usulkan dapat menemukan beberapa aplikasi potensial di bidang pengembangan perangkat nanofotonik pada rezim inframerah-tengah.

Ketersediaan Data dan Materi

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama penelitian ini disertakan dalam artikel yang dipublikasikan ini.

Singkatan

2D:

Dua dimensi

BPA:

Penyerap sempurna yang koheren

FDTD:

Domain waktu perbedaan-hingga

ITO:

Indium timah oksida

SPP:

Polariton plasmon permukaan

TMDC:

Dichalcogenides logam transisi


bahan nano

  1. Grafena di pengeras suara dan earphone
  2. Pengendalian Nonlinier Ganda dari Properti Mode dan Dispersi dalam Panduan Gelombang Plasmonic Grafena-Dielektrik
  3. Komposit Grafena dan Polimer untuk Aplikasi Superkapasitor:Tinjauan
  4. Transparansi Diinduksi Plasmon yang Dapat Disetel Secara Dinamis dalam Sistem Pemandu Gelombang Asimetris Nanocavity-Coupled Asimetris Berbasis Grafena
  5. Broadband Perfect Absorber dengan Monolayer MoS2 dan Hexagonal Titanium Nitrida Nano-disk Array
  6. Ultra-narrow Band Perfect Absorber dan Aplikasinya sebagai Sensor Plasmonic pada Daerah yang Terlihat
  7. Kemampuan Keamanan Hayati dan Antibakteri Grafena dan Grafena Oksida In Vitro dan In Vivo
  8. Evaluasi Struktur Grafena/WO3 dan Grafena/CeO x Sebagai Elektroda untuk Aplikasi Superkapasitor
  9. Persiapan Polietilena/Grafena Nanokomposit In situ Polimerisasi dengan Berat Molekul Ultra Tinggi melalui Struktur Spherical dan Sandwich Dukungan Grafena/Sio2
  10. Peningkatan Penyerapan Multiband dan Broadband Grafena Monolayer pada Frekuensi Optik dari Beberapa Resonansi Dipol Magnetik dalam Metamaterial