Penyerap Koheren Sempurna Dual‑Band, Tidak Sensitif Polarisasi, Dapat Disesuaikan Menggunakan Gelombang Hibrid Grafit Double‑Layer

Abstrak

Absorpsi intrinsik grafik sebesar 2,3 % dalam cahaya visible dan inframerah membatasi dampak optoelektroniknya. Kami menyajikan penyerap koheren sempurna (CPA) dual-band, tidak sensitif polarisasi, yang dapat disesuaikan, yang beroperasi dalam mid-infrared, dibangun di sekitar gelombang hibrid double-layer grafik yang dicopling dengan struktur nanostruktur silicon. Simulasi finite-difference time-domain (FDTD) mengungkapkan puncak absorpsi sempurna pada 9611 nm dan 9924 nm. Simetri sentral struktur menjamin keindépendanan polarisasi, sementara absorpsi koheren dapat dimodulasi secara optik dengan menyesuaikan fase relatif dari dua gelombang yang bergerak berseberangan. Lebih jauh, penyesuaian independen energi Fermi dari setiap lapis grafik memindahkan puncak absorpsi melalui rentang spektral yang luas, memungkinkan konversi antara operasi dual-band dan narrow-band. Hasil ini mengarah pada perangkat fotonik mid-IR yang serbaguna dan kompatibel CMOS seperti switch, gate logika, dan detektor koheren.

Pendahuluan

Interaksi cahaya-materi yang efisien dalam materi atomis tipis sangat penting untuk fotonik generasi depan. Sementara dalkogenida logam transisi, boron nitride heksagonal, dan fosfor hitam telah menunjukkan respons eksiton yang kuat, grafik tetap menjadi platform unik karena konduktivitas optik broadband dan mobilitas penguat yang tinggi. Bentuk monolayernya hanya menyerap sekitar 2,3 % cahaya insiden, namun ekscitasi polariton plasmon permukaan (SPP) dalam terahertz dan mid-infrared dapat secara dramatis meningkatkan penangkapan dan absorpsi. Penyerap, modulator, dan sensor berbasis grafik telah menarik minat penelitian yang intens.

Absorpsi koheren sempurna (CPA) menawarkan jalan untuk menghilangkan kehilangan absorpsi dengan mengeksploitasi interferensi antara gelombang yang bergerak berseberangan. Dalam grafik, CPA telah ditunjukkan dalam slab silicon dan metamaterial datar, namun operasi dual-band dalam mid-infrared masih sebagian besar belum dieksplorasi. Di sini kami merancang CPA yang dirancang simetri yang mencapai absorpsi sempurna bersamaan pada dua panjang gelombang yang berbeda, dengan kontrol penuh atas polarisasi, fase, dan posisi spektral.

Metode

Perangkat terdiri dari dua monolayer grafik kontinu pada substrat silica, dipisahkan oleh spasi silica 75 nm (Gambar 1). Array persegi silicon periodik 160 nm (panjang sisi 80 nm, tinggi 100 nm) berada di atas lapis grafik atas. Lapis grafik bawah berada 150 nm di bawah substrat. Dua gelombang pesawat koheren (I1 dan I2) jatuh dari sisi yang berlawanan; amplitudo relatif (α) dan fase (φ) didefinisikan oleh I2=αI1 exp(iφ+ikz). Konduktivitas grafik mengikuti pendekatan random-fase lokal: \[\sigma(\omega)=\frac{ie^2k_BT}{\pi\hbar^2(\omega+i\tau^{-1})}\Big[\frac{E_f}{k_BT}+2\ln(e^{-E_f/k_BT}+1)\Big]+\frac{ie^2}{4\pi\hbar}\ln\Big[\frac{2E_f-(\omega+i\tau^{-1})\hbar}{2E_f+(\omega+i\tau^{-1})\hbar}\Big]\], di mana T=300 K, E_f adalah energi Fermi, dan τ=μE_f/eν_f^2 dengan μ=10 000 cm^2 V^−1 s^−1 dan ν_f=1.1×10^6 m s^−1. Lapis atas dan bawah diatur ke E_f1=0,66 eV dan E_f2=0,31 eV, masing-masing.

Kami menggunakan FDTD 3-D dengan kondisi batas periodik dalam arah lateral dan lapisan cocok sempurna sepanjang sumbu propagasi. Jaringan tidak seragam (0,1 nm pada grafik) memastikan akurasi numerik sambil menjaga beban komputasi yang wajar.

Hasil dan Pembahasan

Dengan satu gelombang insiden, perangkat menunjukkan puncak absorpsi dual-band di bawah batas teoretis 50 % (A_max=0,5), yang mengonfirmasi bahwa grafik sendiri tidak dapat mencapai absorpsi sempurna. Ketika dua gelombang yang bergerak berseberangan interferensi, formalisme matriks scattering memberikan absorpsi koheren \[A_{co}=1-\frac{|O_1|^2+|O_2|^2}{|I_1|^2+|I_2|^2}=1-\frac{1+\alpha^2-2\alpha\cos\varphi}{2(1+\alpha^2)}.\] Menetapkan α=1 dan φ=0 menghasilkan absorpsi sempurna (A_co=1) pada λ₁=9611 nm dan λ₂=9924 nm (Gambar 3). Simetri sentral perangkat membuatnya tidak sensitif polarisasi; iluminasi terpolarisasi p dan s menghasilkan spektrum yang identik.

Penyesuaian fase menawarkan modulasi optik: memvariasi φ dari 0 hingga π menekan puncak absorpsi hingga hampir nol, memberikan kontras modulasi di atas 34 dB (Gambar 5). Menyesuaikan independen tingkat Fermi dari setiap lapis grafik memindahkan posisi resonansi: menurunkan E_f2 memindahkan λ₁ ke merah sambil menekan λ₂; meningkatkan E_f2 memiliki efek sebaliknya, yang memungkinkan konversi antara operasi dual-band dan narrow-band. Secara serupa, menyesuaikan E_f1 memindahkan kedua puncak secara seragam melalui rentang spektral yang luas (Gambar 6).

Studi parameter struktural mengungkapkan bahwa peningkatan lebar persegi silicon w memindahkan resonansi ke merah dan pertama-tama meningkatkan absorpsi hingga faktor pengisian saturasi, setelahnya efisiensi menurun. Memperbesar periode p juga memindahkan puncak ke merah. Ketebalan spasi d₁ mengontrol kopling antar lapis; di atas nilai kritis, perilaku dual-band runtuh menjadi satu puncak. Mengganti silicon dengan dielektrik indeks lebih tinggi (TiO₂, GaSb) memindahkan resonansi ke merah tetapi mengurangi puncak absorpsi (Gambar 7).

Kesimpulan

Kami telah merancang CPA dual-band yang dapat disesuaikan, kompatibel CMOS, dalam mid-infrared yang tidak sensitif polarisasi dan dapat dikontrol secara optik. Gelombang hibrid double-layer grafik, yang dicopling dengan nanostruktur silicon, mencapai absorpsi sempurna pada 9611 nm dan 9924 nm, dengan modulasi bergantung pada fase dan penyesuaian spektral yang luas melalui kontrol tingkat Fermi. Lapis grafik kontinu mempertahankan mobilitas tinggi dan menyederhanakan fabrikasi dibandingkan dengan struktur yang dipola. Platform ini membuka jalan menuju perangkat fotonik mid-IR seperti switch, gate logika, dan detektor koheren.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data yang dihasilkan atau dianalisis selama studi ini disertakan dalam artikel yang diterbitkan ini.

Singkatan

2D

Dua dimensi

CPA

Penyerap koheren sempurna

FDTD

Perbedaan hingga waktu-domain

SPPs

Polariton plasmon permukaan

TMDCs

Dalkogenida logam transisi