Penyerap Cahaya Metasurface Hibrid Triple-Band dengan Sensitivitas Tinggi untuk Pengukuran Indeks Biasa
Abstrak
Sebuah desain sederhana penyerap cahaya sempurna (PLA) triple-band berbasis metasurface hibrid di wilayah terlihat telah disajikan dalam karya ini, yang ternyata dapat digunakan untuk pengukuran indeks biasa (RI). Berbeda dengan desain sebelumnya, metasurface hibrid yang diusulkan untuk PLA terlihat hanya terdiri dari array periodik silika silang dan substrat emas. Array silika silang periodik yang ditetapkan pada substrat emas berkontribusi untuk merangsang mode terpandu di bawah penerangan cahaya insiden normal. Menurut hasil simulasi, dapat ditemukan bahwa tiga puncak penyerapan sempurna sebesar 98,1%, 98,7%, dan 99,6% yang terletak pada 402,5 THz, 429,5 THz, dan 471,5 THz, masing-masing, telah terlihat dengan jelas dalam PLA. Efek penyerapan sempurna triple-band ini dapat diturunkan dari kehilangan intrinsik material silika yang berasal dari eksitasi mode terpandu yang disebabkan oleh gelombang berdiri berbagai urutan. Terkonfirmasi bahwa properti penyerapan sempurna PLA dapat dengan mudah diatur dengan mengubah parameter geometris struktur nano unit sel. Selain itu, PLA yang dirancang yang berfungsi sebagai sensor RI dapat mencapai sensitivitas sekitar 25,3, 41,3, dan 31,9 THz /unit indeks biasa (RIU). Dapat dipercaya bahwa desain PLA yang diusulkan untuk pengukuran RI akan memberikan potensi aplikasi yang besar dalam sensing, deteksi, spektroskopi terlihat yang ditingkatkan, dan sebagainya.
Pendahuluan
Metasurface, sebagai cabang penting dari optika meta-material, adalah arsitektur array dua dimensi (2D) yang dibentuk oleh struktur nano plasmonik periodik sub-panjang gelombang yang terdiri dari material dielektrik dan logam berpola [1, 2]. Akhir-akhirnya, metasurface telah diteliti secara luas karena potensi aplikasinya dalam komponen optika ruang bebas miniatur, seperti lensa, gelombang pelapis, dan filter spektral, serta penyerap [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. Salah satu aspek luar biasa dari metasurface mungkin adalah penyerap cahaya sempurna (PLA) yang beroperasi di wilayah optika karena aplikasi yang menjanjikan dalam komunikasi optik [11], emisi termal [12, 13], penampung cahaya [14], dan sensing [15,16,17]. Secara umum, PLA berbasis metasurface dapat direalisasikan oleh konfigurasi struktur nano metal-dielektrik-metal (MDM) tiga lapis atau struktur nano dielektrik-logam (DM) dua lapis, di mana berbagai resonansi permukaan plasmon (SPR) dapat dirangsang dan kemudian menyebabkan penahanan energi cahaya dalam logam yang berpola atau antarmuka logam-dielektrik [11, 15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]. Selain itu, kehilangan optik intrinsik material logam dan dielektrik dalam PLA juga merupakan faktor penting dan menguntungkan untuk meningkatkan penyerapan energi elektromagnetik (EM) dari cahaya insiden [11, 19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30]. Terkonfirmasi bahwa kapasitas penyerapan PLA biasanya bergantung pada bentuk, ukuran, ketebalan, dan komposisi metasurface plasmonik, yang juga sensitif terhadap indeks biasa (RI) material di sekitarnya [29,30,31,32,33,34,35,36]. Seperti yang dikenal untuk aplikasi sensing, PLA sempit band telah diteliti secara intensif karena kedalaman modulasi yang besar [15,16,17,18, 31,32,33,34,35,36,37]. Ketika PLA ditempatkan dalam lingkungan gas atau cairan, frekuensi puncak penyerapan akan berubah secara signifikan dengan perubahan nilai RI material di sekitarnya. Oleh karena itu, banyak metasurface berbasis PLA sempit band telah diusulkan dan diteliti secara intensif [31,32,33,34,35,36,37,38]. Misalnya, Cheng et al. mengusulkan PLA sempit band berdasarkan konfigurasi MDM, yang dapat mencapai sensitivitas sekitar 590 nm ∕RIU [31]. Bhattarai et al. menunjukkan PLA sempit band jamur berdasarkan mekanisme ruang Fabry-Perot, dan sensitivitasnya hingga 2508 nm∕ RIU [32]. Kemudian, PLA lain berdasarkan konfigurasi MDM telah terus diusulkan dan diteliti secara teoritis [33,34,35,36,37]. Meskipun PLA sempit band ini dapat mencapai sensitivitas tinggi, produksi skala besar memakan waktu dan mahal karena kompleksitas desain metasurface. Oleh karena itu, akan sangat membantu jika PLA sempit band dapat didukung oleh struktur yang relatif sederhana. Yong et al. mengusulkan skema desain sederhana PLA untuk aplikasi sensing berdasarkan metasurface logam murni [38,39,40]. Untuk PLA ini, logam mulia emas atau perak biasanya digunakan, yang juga akan meningkatkan biaya pembuatan.
Akhir-akhirnya, metasurface berbasis struktur nano silika telah menarik perhatian besar karena aplikasinya dalam detektor [41], gelombang pelapis fotonik [42], generator dan filter warna [43, 44], dan PLA [45,46,47,48,49,50]. Serupa dengan struktur nano logam, silika adalah salah satu material RI tinggi yang layak yang dapat mendukung berbagai SPR dengan desain struktural pada rentang frekuensi optik. Selain itu, silika juga dapat diproses secara hemat biaya dan cukup kompatibel dengan proses CMOS [44, 49]. Oleh karena itu, dapat dipercaya bahwa penyerapan sempurna sempit band dalam PLA berbasis metasurface silika akan sangat signifikan untuk aplikasi sensing [50]. Misalnya, Ahmmed et al. mengusulkan PLA berdasarkan metasurface hibrid yang terdiri dari array nano-disk silika amorfa yang ditetapkan pada lapisan emas, yang dapat berfungsi sebagai sensor RI di wilayah inframerah dekat [50]. Namun, itu hanya bekerja dalam satu sempit band yang membatasi aplikasi potensial dalam sensing deteksi multi. Se pengetahuan kami, sangat jarang ditemukan laporan tentang PLA multi-band yang efisiensi tinggi menggunakan metasurface, yang operasinya valid di wilayah terlihat.
Dalam karya ini, PLA triple-band berbasis metasurface hibrid di wilayah terlihat diusulkan dan divalidasi secara teoritis, yang dapat digunakan untuk pengukuran RI. Metasurface hibrid, yang terdiri dari array struktur nano silang silika berukuran tunggal pada substrat emas, menunjukkan penyerapan sempurna triple-band dengan absorbansi lebih dari 98% pada tiga frekuensi resonansi yang berbeda. Mekanisme fisika di balik fenomena penyerapan sempurna yang diamati juga telah diilustrasikan dengan menganalisis distribusi spasial medan listrik, aliran daya, dan densitas kehilangan daya pada resonansi. Pengaruh parameter geometris struktur nano unit sel terhadap properti penyerapan PLA juga telah diteliti. Selanjutnya, puncak penyerapan PLA dikonfirmasi sensitif terhadap nilai RI medium di sekitarnya, sehingga menjadikannya calon potensial untuk aplikasi sensing. Selain itu, PLA berbasis metasurface hibrid dapat diproduksi dengan mudah dan sederhana, serta dapat diintegrasikan dengan mudah ke dalam perangkat plasmonik, elektronik, dan fotonik pada chip yang sama. Desain triple-band PLA ini membuka jalan yang efektif untuk realisasi perangkat nano-fotonik berbasis metasurface hibrid, yang dapat menjadi calon untuk aplikasi potensial dalam sensing deteksi multi, deteksi, dan spektroskopi terlihat yang ditingkatkan.
Metode
Gambar 1 menyajikan skema desain PLA terlihat berbasis metasurface hibrid, yang hanya terdiri dari dua lapis fungsional: array periodik struktur nano silang silika membentuk lapis atas sebagai resonan dielektrik, sementara lapis bawah adalah substrat emas. Terbukti bahwa berbagai struktur nano silika plasmonik yang berpola dapat mendukung mode SPR yang berbeda di bawah penerangan cahaya insiden, yang dapat digunakan untuk membangun PLA dari rentang terahertz hingga frekuensi terlihat karena properti optik yang menguntungkan [42,43,44,45,46,47,48].
Ilustrasi skematis PLA sempit band triple terlihat. a Struktur array periodik 2D. b Depan. c Pandangan perspektif struktur nano unit sel
Di wilayah terlihat, silika semi-konduktor adalah material hemat biaya dengan RI tinggi yang dapat dianggap sebagai resonan dielektrik dengan desain struktural khusus [43,44,45,46,47,48,49]. Selain itu, terdapat keuntungan utama bahwa silika semi-konduktor dapat tumbuh secara efisien pada substrat heterogen (seperti substrat emas) pada suhu rendah dengan mengandalkan kompatibilitas yang mencukupi dengan proses CMOS [44, 49], yang mudah memenuhi persyaratan produksi skala besar. Dalam rentang terlihat yang kami minati (350–500 THz), nilai RI silika sekitar konstan, yaitu sekitar nsi = 3,7 × (1 + 0,0025i) [50,51,52]. Lapisan substrat emas (Au) dapat digambarkan oleh model Drude bergantung frekuensi dari data eksperimental [53]. Ketebalan substrat emas lebih besar dari kedalaman penetrasi cahaya insiden di wilayah terlihat. Berbeda dengan konfigurasi MDM tipikal, PLA yang diusulkan berdasarkan metasurface hibrid dibentuk oleh struktur nano DM dua lapis periodik sub-panjang gelombang, dan dapat diharapkan bahwa PLA yang diusulkan independen polarisasi karena simetri rotasi geometris struktur nano silang dan jaring persegi. Parameter geometris terbaik dari desain ini diberikan sebagai berikut: px = py = 400 nm, l = 350 nm, w = 100 nm, h = 85 nm, dan ts = 100 nm. Seperti yang ditunjukkan pada Fig. 1c, unit sel PLA yang diusulkan diatur untuk konstansi periodisitas 400 nm sepanjang arah x- dan y-axis untuk menghindari difraksi untuk frekuensi hingga 750 THz.
PLA yang diusulkan berdasarkan metasurface hibrid dirancang dan diteliti dengan menggunakan alat simulasi berbasis metode elemen hingga (FEM) di CST Microwave Studio. Seperti yang ditunjukkan pada Fig. 1c, gelombang plane dengan rentang frekuensi lebar dari 350 hingga 500 THz dipertimbangkan sebagai sumber penerangan dengan vektor gelombang yang tegak lurus pada permukaan metasurface hibrid. Dalam simulasi, ukuran mesh diatur menjadi 0,3 nm, yang jauh lebih kecil dari panjang gelombang operasi dan ukuran unit sel. Untuk memastikan kesalahan numerik yang dapat diabaikan, kami juga melakukan tes konvergensi standar sebelum simulasi unit sel. Kondisi batas periodik sepanjang arah x- dan y-axis digunakan untuk mempertimbangkan susunan periodik metasurface hibrid. Cahaya linear polarisasi insiden diatur untuk menyebar sepanjang arah z-axis sedangkan medan listrik (Ex) dan magnetik (Hy) berada pada arah x- dan y-axis, masing-masing. Dalam desain kami, karena transmisi terblokir oleh substrat emas, absorbansi dapat dihitung hanya dengan A(ω) = 1 - R(ω) = |S11|2, di mana S11 adalah koefisien refleksi.
Hasil dan Pembahasan
Gambar 2 menyajikan spektrum refleksi dan absorbansi simulasi PLA berbasis metasurface hibrid di bawah penerangan cahaya insiden normal di wilayah terlihat. Tiga titik resonansi yang jelas diamati pada f1 = 402,5 THz, f2 = 429,5 THz, dan f3 = 471,5 THz, masing-masing. Pada resonansi ini, refleksi menurun menjadi 1,9%, 1,3%, dan 0,4%, dan absorbansi yang sesuai meningkat ke nilai maksimal sebesar 98,1%, 98,7%, dan 99,6%, masing-masing. Menurut karya-karya sebelumnya [45,46,47,48], dapat ditebakan bahwa penyerapan sempurna pada tiga resonansi dapat diturunkan dari eksitasi mode SPR urutan lebih tinggi dalam struktur nano silang silika di bawah penerangan cahaya insiden normal yang akan dibahas lebih lanjut. Meskipun silika semi-konduktor RI tinggi dan substrat emas rifleksi tinggi yang banyak digunakan dalam karya-karya sebelumnya telah diterapkan dalam desain kami [17, 38,39,40, 46, 48,49,50], masih layak untuk ditunjukkan bahwa desain PLA baru dalam karya ini menunjukkan properti yang relatif ditingkatkan, yaitu dalam hal penyerapan sempurna triple-band di wilayah terlihat dengan menggunakan struktur nano silang silika berukuran tunggal. Selain itu, dapat diharapkan bahwa PLA yang diusulkan tidak sensitif terhadap polarisasi untuk cahaya insiden normal karena simetri rotasi geometris unit sel yang tinggi yang serupa dengan desain sebelumnya [54,55,56].
Spektrum refleksi (R(ω)) dan absorbansi (A(ω)) simulasi dari PLA berbasis metasurface hibrid terlihat yang dirancang di bawah penerangan cahaya insiden normal
Selain itu, lebar paruh setengah maksimum (FWHM) dan faktor Q dari PLA yang diusulkan juga telah dihitung sesuai dengan referensi sebelumnya [40]. Pada posisi resonansi tiga yang disebutkan di atas, nilai FWHM sekitar 64,875 THz, 27,75 THz, dan 34,125 THz, dan faktor Q yang sesuai (=fi/FWHMi, i = 1, 2, 3) sekitar 6,48, 14,57, dan 13,82, masing-masing. Harap diperhatikan bahwa penyerapan sempurna triple-band dapat diamati dalam kasus ideal dengan media udara. Namun, mungkin untuk menyesuaikan properti penyerapan resonansi dengan menyesuaikan nilai RI luar/lingkungan dari PLA yang dirancang. Ini berarti frekuensi operasi dapat diatur secara signifikan dengan mengubah nilai RI lingkungan yang mengelilingi PLA. Dengan demikian, PLA yang dirancang dengan resonansi yang tajam dapat memberikan beberapa aplikasi potensial dalam sensor dan detektor multi.
Untuk memverifikasi mekanisme fisika di balik fenomena penyerapan sempurna triple-band yang diamati dari PLA yang dirancang, distribusi spasial medan listrik (Ex, bidang x-z) dan magnetik (Hy, bidang y-z) pada tiga puncak penyerapan telah diteliti secara sistematis, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 3. Jelas, pola distribusi spasial medan listrik dan magnetik yang kuat (Ex dan Hy) sangat berbeda pada frekuensi resonansi yang berbeda, mengungkapkan eksitasi mode SPR yang berbeda. Namun, jelas bahwa baik medan listrik maupun magnetik selalu sangat terkonsentrasi pada antarmuka silang silika dan substrat emas ketika resonansi terjadi. Fitur bidang spasial ini menunjukkan bahwa mode terpandu dengan berbagai urutan lebih tinggi pada antarmuka struktur nano silang silika dan substrat emas telah dirangsang. Dapat dipercaya bahwa resonansi terpandu yang intens pada antarmuka dielektrik/logam dirangsang ketika cahaya insiden terhubung antara gelombang pelapis dengan indeks bias yang berbeda [57,58,59,60]. Sementara itu, kopling resonansi antara cahaya insiden dan mode terpandu struktur nano dielektrik/logam memungkinkan, yang serupa dengan efek resonansi mode terpandu gratasi logam [21, 59, 60].
Distribusi medan listrik a–c (Ex di bidang x-z dari y = 0 nm) dan medan magnetik d–f (Hy di bidang y-z dari x = 0 nm) dalam struktur nano unit sel PLA pada frekuensi resonansi yang berbeda: (a, d) f1 = 402,5 THz, (b, e) f2 = 429,5 THz, dan (c, f) f3 = 471,5 THz
Untuk mengilustrasikan resonansi mode terpandu dari struktur nano PLA yang dirancang, kita dapat mengasumsikan struktur nano silang silika yang dirancang sebagai gelombang pelapis dielektrik di wilayah terlihat. Ketika cahaya insiden memasuki celah di antara dua unit sel yang berdekatan, ia akan difraktur ke dalam lapis silika dan kemudian dipantulkan oleh substrat emas, kemudian dipandu ke antarmuka silika/substrat emas. Karena desain unit sel yang simetris, cahaya yang dipandu dari celah yang berdekatan menyebar berlawanan dan akhirnya digabungkan untuk membentuk gelombang berdiri dalam lapis gelombang pelapis [58,59,60]. Menurut hasil yang ditunjukkan pada Fig. 3a–f, dapat ditemukan bahwa hanya mode terpandu ganjil dalam struktur nano yang dapat dirangsang di bawah penerangan cahaya insiden normal. Fig. 3a–f menunjukkan mode urutan pertama, mode urutan ketiga, dan mode urutan kelima dalam struktur nano, masing-masing. Hasil ini sangat konsisten dengan PLA sebelumnya berdasarkan konfigurasi MDM [58, 61], di mana mode urutan kedua tidak dapat dirangsang untuk cahaya insiden normal. Ini karena eksitasi mode terpandu harmonik terutama ditentukan oleh parameter geometris struktur nano yang dirancang. Ini berarti hanya mode terpandu ganjil atau harmonik yang dapat dirangsang di bawah desain struktur nano khusus yang sesuai dalam karya ini. Eksitasi mode terpandu dengan urutan lebih tinggi dalam struktur nano ini akan berkontribusi untuk meningkatkan kopling cahaya insiden ke celah udara dan melokalkan di antarmuka silika/emas, yang pada akhirnya menciptakan penyerapan cahaya sempurna pada berbagai frekuensi resonansi. Seperti yang diketahui, kehilangan energi cahaya insiden yang diinduksi oleh eksitasi mode terpandu dalam struktur nano selalu cukup besar untuk memperkenalkan tingkat penyerapan yang tinggi pada resonansi [20, 21, 26, 58,59,60,61]. Selain itu, resonansi mode terpandu ini terutama ditentukan oleh ukuran geometris dan media di sekitar struktur nano yang dirancang [58]. Dapat disimpulkan bahwa mode terpandu urutan lebih tinggi juga dapat digunakan untuk mendapatkan PLA berkinerja tinggi di wilayah terlihat dengan parameter geometris yang sedang dibandingkan dengan menggunakan mode dasar dengan struktur sub-panjang gelombang yang lebih dalam [61].
Untuk mendapatkan pemahaman yang lebih dalam dan kualitatif tentang penyerapan sempurna di atas, distribusi 3D dari aliran daya dan densitas kehilangan daya untuk cahaya terpolarisasi y insiden normal pada berbagai frekuensi resonansi (f1 = 402,5 THz, f2 = 429,5 THz, dan f3 = 471,5 THz) juga telah diteliti, seperti yang diilustrasikan pada Fig. 4a–c. Pertama, aliran daya cahaya input awalnya merupakan aliran paralel di ruang jauh dari struktur nano pada resonansi. Ketika aliran cahaya insiden mendekati PLA, sebagian besar mengalir "melintasi" unit sel, kemudian bergulir di dalam lapis silika dan akhirnya terkonsentrasi pada antarmuka silika dan substrat emas. Dalam kasus ini, bentuk spasial dari aliran daya di struktur nano menunjukkan berbagai karakteristik pada berbagai frekuensi penyerapan. Profil aliran daya yang disebabkan oleh eksitasi mode terpandu terjadi di dalam struktur nano, dan kehilangan intrinsik biasanya terjadi di dalam material bulk. Karena sifat kehilangan dielektrik silika dan emas di wilayah terlihat, dapat dianggap bahwa kehilangan energi cahaya yang diinduksi oleh eksitasi mode terpandu dengan berbagai urutan lebih tinggi terutama berasal dari struktur nano silang silika dan substrat emas.
Distribusi tiga dimensi (3D) dari a–c aliran daya dan d–f densitas kehilangan daya dari PLA pada frekuensi resonansi yang berbeda: (a, d) f1 = 402,5 THz, (b, e) f2 = 429,5 THz, dan (c, f) f3 = 471,5 THz
Gambar 4d–f menggambarkan distribusi 3D dari densitas kehilangan daya dalam struktur nano unit sel pada frekuensi f1 = 402,5 THz, f2 = 429,5 THz, dan f3 = 471,5 THz, masing-masing. Terlihat bahwa densitas kehilangan daya terutama menyebar pada antarmuka antara struktur nano silang silika dan substrat emas. Jelas, energi cahaya insiden sepenuhnya terkonsentrasi dalam struktur nano PLA yang dirancang. Karena silika dan emas dalam struktur nano keduanya merupakan material kehilangan dielektrik di wilayah terlihat, sehingga dissipasi energi cahaya terjadi dalam PLA yang dirancang [48, 49]. Dalam desain kami, silang silika jauh lebih menguntungkan untuk meningkatkan kinerja penyerapan daripada persegi dan disk sebelumnya, karena celah struktur nano tipe silang yang diusulkan akan dengan mudah menangkap lebih banyak cahaya insiden karena eksitasi mode terpandu [47,48,49]. Sebagai kenyataannya, silika terstruktur dengan desain geometris yang sesuai itu sendiri dapat berfungsi sebagai PLA yang baik, mengandalkan fitur kehilangan material silika di wilayah terlihat [49]. Selain itu, silang silika juga dapat diasumsikan sebagai lapis anti-refleksi, yang membuat substrat emas menjadi material penyerap yang hampir sempurna pada resonansi. Emas masih plasmonik di wilayah terlihat karena bagian nyata dari permitivitasnya negatif [53]. Harap diperhatikan bahwa cahaya insiden akan dengan kuat dihalangi oleh substrat emas, dan penyerapan sempurna akan mustahil tanpa respons SPR.
Berdasarkan analisis di atas, dapat disimpulkan bahwa penyerapan sempurna triple-band PLA yang diusulkan berasal dari mode terpandu urutan lebih tinggi dan sifat kehilangan dielektrik silika dan substrat emas di wilayah terlihat. Dengan kata lain, resonansi mode terpandu dan kehilangan struktur nano adalah dua faktor kunci untuk penyerapan sempurna dari PLA yang dirancang.
Selanjutnya, pengaruh parameter geometris untuk setiap unit sel terhadap properti penyerapan desain PLA kami telah diteliti secara sistematis melalui studi parametrik. Untuk PLA yang diusulkan dalam karya ini, hanya empat parameter geometris yang perlu dipertimbangkan: lebar kawat (w), panjang kawat (l), tinggi (h) struktur nano silang silika, dan periodisitas (p) dari unit sel. Serangkaian spektrum absorbansi dari PLA yang dirancang dengan parameter geometris yang berbeda (w, h, l, dan p) telah diilustrasikan pada Fig. 5a–d. Layak untuk diperhatikan bahwa hanya satu parameter geometris yang dapat diatur pada satu waktu, sementara yang lain tetap konstan.
Ketergantungan penyerapan sempurna pada parameter geometris yang berbeda dari PLA yang diusulkan. a–c Lebar kawat (w), tinggi (h), panjang kawat (l) struktur nano silang silika, dan d periodisitas (p) dari unit sel
Berdasarkan Fig. 5a, b, dapat diamati bahwa absorbansi puncak resonansi dapat dipertahankan di atas 95% ketika mengubah satu parameter geometris sementara yang lain tetap konstan. Namun, frekuensi operasi ternyata sensitif terhadap parameter geometris PLA. Ketika periodisitas (p) PLA tetap, frekuensi puncak penyerapan ternyata berbanding terbalik dengan ukuran geometris (w, h, dan l) dari unit sel, yang sangat konsisten dengan studi sebelumnya [58, 62]. Ini karena indeks biasa efektif dari resonansi mode terpandu meningkat seiring bertambahnya w, h, dan l. Properti absorbansi PLA dengan berbagai ukuran w telah digambarkan pada Fig. 5a. Dengan mengubah w dari 85 hingga 105 nm dengan langkah 5 nm, red-shift yang jelas dari spektrum penyerapan dapat diamati dengan jelas. Untuk PLA dengan lebar kawat yang lebih lebar (w > 100 nm) dari silang silika, absorbansi puncak penyerapan pertama dan kedua akan menurun sedikit, tetapi yang ketiga dapat hampir dipertahankan. Respons ini terutama disebabkan oleh pengaruh kopling dan penahanan yang melemah yang diinduksi oleh struktur nano. Selain itu, dibandingkan dengan puncak resonansi kedua dan ketiga, dapat ditemukan bahwa puncak pertama jauh lebih sensitif terhadap variasi lebar kawat w, sehingga mengakibatkan fenomena red-shift yang mencolok. Properti absorbansi PLA dengan berbagai ukuran h telah disajikan pada Fig. 5b. Ketika tinggi h meningkat dari 80 hingga 100 nm dengan interval 5 nm, variasi spektrum penyerapan serupa dengan kasus mengubah lebar kawat w, dan frekuensi puncak penyerapan juga menunjukkan red-shift yang sedikit. Seiring bertambahnya h, dapat ditemukan bahwa absorbansi puncak resonansi pertama secara bertahap meningkat sementara yang kedua menurun sedikit, dan yang ketiga dapat hampir dipertahankan konstan. Seperti yang ditunjukkan pada Fig. 5c, dapat ditemukan bahwa puncak penyerapan akan bergerak ke frekuensi yang lebih rendah ketika panjang kawat l meningkat dari 340 nm hingga 360 nm dengan langkah 5 nm. Seiring bertambahnya panjang kawat l, absorbansi puncak penyerapan pertama menurun sedikit sementara puncak resonansi lainnya tetap konstan. Seperti yang ditunjukkan pada Fig. 5d, pola variasi yang sebaliknya sepenuhnya, yang dapat digambarkan sebagai "blue-shift" dari puncak penyerapan, ditemukan ketika periodisitas p meningkat dari 390 hingga 430 nm dengan interval 10 nm. Seiring bertambahnya periodisitas p, absorbansi puncak resonansi pertama meningkat sedikit sementara puncak penyerapan lainnya hampir tidak berubah. Secara keseluruhan, hasil yang diilustrasikan pada Fig. 5 mengonfirmasi bahwa puncak penyerapan ini terkait dengan karakteristik gelombang berdiri yang telah ditunjukkan pada Fig. 3, yang menunjukkan bahwa frekuensi dan efisiensi operasi PLA yang diusulkan dapat diatur secara langsung oleh parameter geometris relatif termasuk lebar kawat (w), tinggi (h), panjang kawat (l), dan periodisitas (p).
Menurut hasil dan pembahasan di atas tentang PLA triple-band yang dirancang, dapat diharapkan menjadi calon yang menjanjikan untuk aplikasi pengukuran RI. Untuk menjelaskan kelayakan PLA triple-band yang dirancang kami untuk aplikasi sensing, perilaku spektrum absorbansi sebagai fungsi dari nilai RI analit di sekitarnya telah divalidasi lebih lanjut. Seperti yang ditunjukkan pada Fig. 6a, analit di sekitarnya diisi di celah struktur nano silang silika dari PLA yang diusulkan. Karena PLA kami memiliki tiga sempit band dan penyerapan sempurna sekitar frekuensi resonansi, dapat diharapkan untuk menunjukkan kinerja sensing yang baik. Ketergantungan spektrum absorbansi terhadap perubahan nilai RI analit di sekitarnya telah disajikan pada Fig. 6b. Harap diperhatikan bahwa absorbansi dapat dipertahankan di atas 95% ketika nilai RI analit di sekitarnya berubah dari n = 1,0 hingga n = 1,4 dengan langkah 0,1, sementara perpindahan frekuensi dari tiga puncak resonansi cukup mencolok yang dapat digambarkan sebagai red-shift yang jelas dengan meningkatnya nilai RI analit di sekitarnya. Variasi titik frekuensi 1 (f1), 2 (f2), dan 3 (f3) ternyata sekitar 2,53 THz, 4,13 THz dan 3,19 THz secara rata-rata, masing-masing. Faktanya, kemampuan sensing PLA telah luas diterima untuk dijelaskan oleh definisi sensitivitas RI massal (S): S = Δf/Δn, di mana Δf dan Δn adalah perubahan frekuensi resonansi dan nilai RI, masing-masing [63]. Menurut definisi di atas, seperti yang ditunjukkan pada Fig. 6c, nilai S rata-rata dari tiga titik frekuensi (f1, f2, dan f3) dievaluasi sekitar 25,3, 41,3, dan 31,9 THz/RIU, masing-masing. Karena karakteristik sensing yang luar biasa, desain PLA triple-band dapat dipercaya menjanjikan di bidang terkait sensor.
a Skema PLA untuk aplikasi pengukuran RI. b spektrum absorbansi simulasi PLA dengan mengubah nilai RI analit di sekitarnya dari n = 1,0 hingga n = 1,4 dengan langkah 0,1. c Garis lurus (garis padat) dan frekuensi resonansi simulasi (simbol rongga) sebagai fungsi dari nilai RI analit di sekitarnya
Kesimpulan
Secara kesimpulan, desain sederhana PLA triple-band berbasis metasurface hibrid telah diusulkan dan diteliti secara numerik dalam karya ini, yang dapat dipercaya dapat digunakan untuk pengukuran RI. PLA yang diusulkan berbasis metasurface hibrid dirancang untuk hanya terdiri dari array periodik struktur nano silang silika yang ditetapkan pada substrat emas. Hasil numerik menunjukkan bahwa PLA yang dirancang dapat menunjukkan absorbansi yang relatif tinggi sebesar 98,1%, 98,7%, dan 99,6% pada 402,5 THz, 429,5 THz dan 471,5 THz, masing-masing. Gambaran fisika dari PLA yang dirancang telah dieksplorasi dengan menganalisis distribusi spasial medan listrik dan magnetik pada tiga frekuensi resonansi yang berbeda. Ternyata energi EM dapat terurai melalui gelombang berdiri yang berasal dari berbagai mode terpandu urutan lebih tinggi di antarmuka kehilangan antara struktur nano silang silika dan substrat emas, yang mengakibatkan penyerapan sempurna triple-band. Selain itu, distribusi spasial aliran daya dan densitas kehilangan menunjukkan bahwa fitur kehilangan dielektrik silika dan emas di wilayah terlihat juga krusial untuk penyerapan sempurna PLA. Selain itu, properti penyerapan resonansi dari struktur nano PLA yang dirancang kami juga dikonfirmasi dapat diatur dengan baik di wilayah terlihat dengan mengatur parameter geometris unit sel. Selanjutnya, frekuensi puncak resonansi telah ditunjukkan sangat sensitif terhadap variasi RI analit yang diisi dalam PLA yang diusulkan. Nilai sensitivitas RI massal rata-rata S dari PLA sekitar 25,3, 41,3, dan 31,9 THz/RIU, masing-masing. PPA yang diusulkan mudah diproduksi dengan teknik etching ion reaktif dalam (DRIE) atau litografi sinar elektron canggih (EBL), yang hemat biaya dan kompatibel dengan proses CMOS [44, 49]. Oleh karena itu, desain PLA ini dapat membuka jalan baru untuk aplikasi pengukuran RI multi-spektral di wilayah terlihat, terutama untuk deteksi bio-molekul, gas, diagnosis medis, dan sensing spasial biosensoring. Ini juga memiliki potensi dalam aplikasi substrat untuk kegiatan sensing multi dari diferenciasi dan proliferasi sel akar saraf neural.
Ketersediaan Data dan Bahan
Data yang dihasilkan dan/atau dianalisis selama studi ini tersedia dari penulis atas permintaan yang wajar.
