Desain dan Simulasi Filter Warna Metasurface Sesuaikan dengan Aluminium dan Niobiat Litium

Pendahuluan

Terkait, kemajuan penelitian metamaterial telah maju menuju realisasi metasurface sesuaikan yang memungkinkan kontrol real-time atas properti geometris dan optiknya, sehingga menciptakan peluang luar biasa dalam bidang metamaterial yang dapat disesuaikan secara aktif. Mereka telah dilaporkan mencakup cahaya terlihat [1,2,3,4,5,6], inframerah (IR) [7,8,9,10,11,12], dan terahertz (THz) [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21] rentang spektrum. Seperti yang diketahui, properti optik unik dalam metasurface bergantung pada interaksi antara cahaya insiden dan struktur nano, properti yang diinginkan dapat dicapai dengan menyusun dengan baik bentuk, ukuran, dan komposisi struktur. Metasurface telah memungkinkan manipulasi entitas medan dekat sehingga memungkinkan rekonfigurasi fitur menarik seperti respons magnet [1, 22], serapan hampir sempurna [14, 15, 23], transparansi [17, 19], rekayasa fase [18, 20, 21, 24], penginderaan MIR dan imaging termal [10], modulasi resonansi [9] untuk banyak jenis filter [1,2,3,4,5], dan sensor [6,7,8, 12,13,14] aplikasi.

Sampai saat ini, banyak mekanisme penyesuaian aktif telah dilaporkan untuk meningkatkan fleksibilitas metasurface. Sebagian besar desain berada dalam rentang spektrum IR [10,11,12, 25,26,27] dan THz [28,29,30,31]. Meskipun telah ada berbagai pendekatan yang dilaporkan untuk metasurface yang dapat disesuaikan secara aktif dalam rentang spektrum cahaya terlihat, seperti peregangan mekanis [32], gaya elektrostatis [33], resonansi Mie [34], cair kristal [35], material perubahan fase [36,37,38], dan material elektro-optik [39, 40] Namun, jumlah studi tentang metasurface yang dapat disesuaikan secara aktif dalam rentang spektrum cahaya terlihat terbatas. Di antara mekanisme penyesuaian metode elektro-optik, metasurface berbasis grafen yang dapat disesuaikan baru-baru ini menarik perhatian massal dari para peneliti [41,42,43]. Selain itu, niobiat litium (LN) adalah salah satu material terpenting, yang dianggap sebagai "silikon fotonika." Pendekatan metasurface pada LN telah menarik perhatian besar karena jendela transparansi yang luas, koefisien elektro-optik orde kedua besar hingga 30 pm/V, dan kompatibilitas yang baik dengan sirkuit fotonika terintegrasi [44]. Akibat sensitisibilitas nonlinear orde kedua yang besar, indeks bias LN dapat disesuaikan secara linier dengan memberikan medan listrik padanya [44]. Penggabungan LN dalam desain metasurface membuka kemungkinan untuk filter warna ultra-sensitif dengan penyesuaian aktif elektro-optik. Metode penyesuaian aktif yang disebutkan di atas sangat bergantung pada properti nonlinear material alami. Mereka seringkali kurang memiliki karakteristik yang diinginkan, seperti rentang penyesuaian yang besar dan kinerja seragam di seluruh rentang penyesuaian atau membutuhkan tegangan pengendali tinggi yang sangat membatasi aplikasi mereka. Di antara metode ini, metamaterial yang dapat disesuaikan secara aktif menggunakan teknologi sistem mikro-elektro-mekanik (MEMS) banyak dipelajari karena karakteristik geometris metamaterial dapat langsung dimodifikasi [26, 29]. Metamaterial yang dapat disesuaikan berbasis MEMS seringkali menggunakan ruang Fabry-Perot (F-P) dan kemudian mengubah jarak antara dua lapisan struktural untuk menyesuaikan resonansi [37, 45]. Struktur ini dapat menghasilkan bandwidth serapan atau transmisi yang sempit dengan rentang penyesuaian yang besar yang membuatnya menguntungkan untuk aplikasi generasi berikutnya.

Dalam studi ini, dua desain filter warna metasurface (MCF) disajikan. Mereka adalah metasurface berbasis Al yang dapat disesuaikan (TAM) dan metasurface berbasis LN yang dapat disesuaikan (TLNM) dengan menggunakan simulasi berbasis finite difference time domain (FDTD) Lumerical Solution untuk mengevaluasi karakteristik optik mereka dalam rentang spektrum cahaya terlihat. Arah propagasi cahaya insiden ditetapkan tegak lurus terhadap bidang x–y dalam simulasi numerik. Sudut polarisasi cahaya insiden ditetapkan 0 dan artinya vektor listrik berosilasi sepanjang arah sumbu x sebagai polarisasi TM. Kondisi batas periodik juga diadopsi dalam arah x dan y, dan kondisi batas lapisan cocok sempurna (PML) diasumsikan dalam kedua arah z. Intensitas refleksi dihitung oleh monitor yang diatur di atas perangkat. Perangkat yang diusulkan menunjukkan penyesuaian aktif dan rentang penyesuaian yang besar. TAM dan TLNM menunjukkan serapan ultra-sempit hampir sempurna yang mencakup seluruh rentang spektrum cahaya terlihat. Untuk aplikasi penginderaan lingkungan, TAM menunjukkan sensitivitas tinggi sementara TLNM menunjukkan FOM tinggi. Desain ini dapat potensial digunakan dalam layar resolusi tinggi, sensor indeks bias, dan perangkat adaptif dalam rentang spektrum cahaya terlihat.

Desain dan Metode

Gambar 1a menunjukkan gambar sketsa dari TAM dan TLNM yang diusulkan. Mereka terdiri dari metasurface persegi panjang Al dan elips LN yang digantung pada substrat Si dilapisi lapisan cermin Al di atas. Jarak antara lapisan cermin Al bawah dan metasurface atas dapat disesuaikan dengan menggunakan teknologi MEMS untuk membentuk ruang F-P di antara kedua lapisan ini. Dimensi geometris yang sesuai adalah panjang lubang persegi panjang dalam metasurface Al dan dua sumbu lubang elips dalam metasurface LN sepanjang arah x (D_x) dan arah y (D_y), periode sepanjang arah x (P_x) dan arah y (P_y), ketebalan metasurface (t), dan jarak antara metasurface dan lapisan cermin bawah (g). Di sini, kami mendefinisikan rasio periode dan panjang metasurface Al persegi panjang dan metasurface LN elips sepanjang arah x dan arah y sebagai K_x = P_x/D_x dan K_y = P_y / D_y, masing-masing, untuk mengetahui respons elektromagnetik efektif dalam seluruh rentang spektrum cahaya terlihat.

a Gambar sketsa TAM dan TLNM. b–d Spektrum refleksi TAM dengan nilai D_x yang berbeda (b), K_x (c), dan K_y (d)

Gambar 1b–d menunjukkan spektrum refleksi TAM dengan mengubah nilai D_x, K_x, dan K_y, masing-masing. Dalam Gambar 1b, parameter dipertahankan konstan sebagai D_y = 200 nm, g = 450 nm, dan K_x = K_y = 1,2. Spektrum serapan hampir sempurna dipertahankan dengan mengubah nilai D_x dari 110 nm hingga 200 nm. Resonansi berada pada panjang gelombang 535 nm. Gambar 1c menunjukkan spektrum refleksi TAM dengan nilai K_x yang berbeda. Parameter lain dipertahankan konstan sebagai D_x = D_y = 200 nm, g = 450 nm dan K_y = 1,2. Resonansi hampir konstan dalam rentang panjang gelombang 530 nm hingga 540 nm. Gambar 1d menunjukkan spektrum refleksi TAM dengan nilai K_y yang berbeda. Parameter lain dipertahankan konstan sebagai D_x = D_y = 200 nm, g = 450 nm dan K_x = 1,2. Dengan mengubah nilai K_y dari 1,1 hingga 1,5, resonansi bergeser ke biru dengan rentang panjang gelombang yang bervariasi kurang dari 60 nm. Hasil ini menunjukkan bahwa dampak nilai D_x, K_x, dan K_y pada panjang gelombang resonansi TAM cukup kecil, yang berarti bahwa TAM yang diusulkan memiliki toleransi tinggi terhadap deviasi manufaktur untuk variasi nilai D_x, K_x, dan K_y. Dalam pembahasan berikutnya, K_x dan K_y dipertahankan konstan sebagai 1,2 dan D_x ditetapkan sama dengan D_y untuk menyelidiki penyesuaian aktif perangkat TAM dan TLNM yang diusulkan.

Hasil dan Pembahasan

Untuk meningkatkan fleksibilitas dan penerapan perangkat yang diusulkan, metasurface dirancang untuk digantung sehingga terdapat jarak antara metasurface dan lapisan cermin bawah untuk membentuk resonator F-P dan akibatnya, cahaya insiden akan terperangkap dalam jarak ini dan kemudian diserap oleh perangkat. Terkait nilai D_y dan g adalah faktor utama yang berkontribusi pada pergeseran panjang gelombang resonansi, serapan hampir sempurna TAM dapat disesuaikan dalam seluruh rentang spektrum cahaya terlihat dengan memasangkan nilai D_y dan g seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a. Empasangan nilai D_y dan g dipilih untuk menyelidiki penyesuaian TAM. Mereka adalah (D_y, g) = (160 nm, 355 nm), (200 nm, 450 nm), (240 nm, 540 nm), (280 nm, 645 nm), masing-masing. Dengan menyusun nilai D_y dan g, serapan sempurna dapat direalisasikan pada panjang gelombang berbeda yaitu 433,9 nm, 533,5 nm, 629,8 nm, dan 740,9 nm. Gambar warna yang disisipkan dari Gambar 2a adalah warna cahaya terlihat yang sesuai dari spektrum refleksi untuk mata manusia yang dihitung dengan menggunakan fungsi pencocokan CIE RGB untuk meniru warna sebenarnya di permukaan perangkat. Hubungan resonansi dan nilai D_y diringkas dan digambarkan dalam Gambar 2b. Resonansi bergeser ke merah secara linier mencakup seluruh rentang spektrum cahaya terlihat dengan meningkatnya nilai D_y dari 150 nm hingga 290 nm. Koefisien koreksi yang sesuai adalah 0,99401. Ini menunjukkan penyesuaian yang luar biasa untuk perangkat TAM yang diusulkan. Frekuensi resonansi resonator F-P dapat ditentukan oleh [46]

a Spektrum refleksi TAM dengan nilai D_y dan g yang berbeda. b Hubungan resonansi dan nilai D_y

di mana q adalah indeks mode, g adalah panjang ruang F-P, dan c = c₀/n, di mana c₀ adalah kecepatan cahaya dalam vakum dan n adalah indeks bias medium. Ini menunjukkan bahwa frekuensi resonansi dapat disesuaikan dengan memindahkan metasurface yang digantung secara vertikal dalam desain yang diusulkan ini, yaitu, mengubah nilai g.

Gambar 3 menunjukkan spektrum refleksi TAM dengan nilai g yang berbeda dengan kondisi D_y = 200 nm (Gambar 3a) dan D_y = 250 nm (Gambar 3b), masing-masing. Dalam Gambar 3a, resonansi bergeser ke merah dari panjang gelombang 490 nm hingga 590 nm dengan mengubah nilai g dari 410 nm hingga 510 nm. Rentang penyesuaian adalah 100 nm. FWHM terpendek resonansi adalah 29,9 nm untuk g = 470 nm. Dalam Gambar 3b, resonansi bergeser ke merah dari panjang gelombang 580 nm hingga 691 nm dengan mengubah nilai g dari 490 nm hingga 610 nm. Rentang penyesuaian adalah 111 nm. FWHM terpendek resonansi adalah 31,8 nm untuk g = 530 nm. Rentang penyesuaian adalah 2 kali lipat dari yang dilaporkan dalam referensi [39] dan lebih baik daripada yang dilaporkan dalam referensi sebelumnya [37, 38, 40]. Gambar 3c, d menunjukkan hubungan yang sesuai antara resonansi dan nilai g dari Gambar 3a, b, masing-masing. Resonansi bergeser ke merah secara linier sebesar 9,2 nm per peningkatan nilai g 10 nm seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3c, dan sebesar 9,0 nm per peningkatan nilai g 10 nm seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3d. Rentang penyesuaian adalah 90,5 nm dan 110,7 nm, masing-masing. Semua spektrum refleksi adalah serapan hampir sempurna. Koefisien koreksi yang sesuai adalah 0,99950 dan 0,99969, masing-masing. Desain TAM yang diusulkan ini dapat berfungsi sebagai filter warna ultra-sensitif atau digunakan dalam berbagai aplikasi sensor.

Spektrum refleksi TAM dengan nilai g yang berbeda dengan kondisi a D_y = 200 nm, b D_y = 250 nm. c, d Hubungan resonansi dan nilai g dari a dan b, masing-masing

Untuk meningkatkan kinerja TAM dalam hal FWHM dan rentang panjang gelombang penyesuaian sambil mempertahankan serapan hampir sempurna, TLNM diusulkan dan disajikan seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1a. Ini karena pembuatan struktur nano selalu menderita efek sudut dan deviasi pembuatan sehingga pola geometris dirancang sebagai lubang elips. Parameter D_x dan D_y mewakili panjang sumbu besar dan sumbu kecil sepanjang arah x- dan y-richtung, masing-masing, sedangkan parameter K_x dan K_y dipertahankan konstan sebagai 1,2 dan nilai D_x adalah 110 nm. Gambar 4a menunjukkan spektrum refleksi TLNM dengan empat kombinasi nilai D_y dan g. Nilai t dipertahankan konstan sebagai 200 nm. TLNM menunjukkan karakteristik serapan sempurna dengan bandwidth ultra-sempit yang mencakup seluruh rentang spektrum cahaya terlihat. Nilai FWHM spektrum refleksi adalah 3 nm. FWHM ultra-sempit ini disumbangkan oleh resonansi F-P, yang dapat ditentukan oleh

a Spektrum refleksi TLNM dengan nilai D_y dan g yang berbeda. b Hubungan resonansi dan nilai D_y

di mana λ_q adalah panjang gelombang resonansi, subskrip q adalah indeks mode, g adalah panjang ruang F-P, dan R adalah refleksi permukaan ruang F-P antara metasurface Al bawah dan metasurface Al/LN di atas. Nilai FWHM dapat dikurangi akibat intensitas refleksi yang lebih tinggi TLNM, yang berarti kinerja optik dapat sangat ditingkatkan dengan menggunakan material LN. Hubungan resonansi dan nilai D_y dalam Gambar 4a diringkas seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4b. Resonansi bergeser ke merah secara linier mencakup dari 427 nm hingga 673 nm dengan meningkatnya nilai D_y dari 250 nm hingga 500 nm, dan koefisien koreksi yang sesuai adalah 0,97815. Oleh karena itu, ini menunjukkan penyesuaian linier dari perangkat yang diusulkan.

Metasurface LN elips yang digantung dapat dipindahkan, yang dapat langsung dimodifikasi untuk mencapai penyesuaian optik dengan menggunakan teknologi MEMS. Gambar 5a, b menunjukkan spektrum refleksi TLNM dengan nilai g yang berbeda dengan dua kondisi D_y = 350 nm, t = 210 nm, dan D_y = 450 nm, t = 280 nm, masing-masing. Dalam Gambar 5a, dengan meningkatnya nilai g dari 390 nm hingga 570 nm, resonansi bergeser ke merah dari 465,9 nm hingga 553,5 nm. Dalam Gambar 5b, dengan meningkatnya nilai g dari 540 nm hingga 780 nm, resonansi bergeser ke merah dari 613,6 nm hingga 731,2 nm. Gambar 5c, d menunjukkan hubungan yang sesuai antara resonansi, nilai g, dan nilai FWHM yang sesuai dari Gambar 5a, b, masing-masing. Resonansi bergeser ke merah cukup linier. Koefisien koreksi yang sesuai adalah 0,99864 dan 0,99950 untuk dua kasus, masing-masing. Untuk kasus D_y = 350 nm, t = 210 nm, rentang penyesuaian adalah 87,6 nm dan nilai FWHM rata-rata adalah 3 nm seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5c. Sedangkan untuk kasus D_y = 450 nm, t = 280 nm, rentang penyesuaian adalah 117,6 nm dan nilai FWHM rata-rata adalah 4 nm seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5d. Terlihat bahwa nilai FWHM terpendek adalah 1,5 nm pada panjang gelombang 466 nm seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a dan 3,2 nm pada panjang gelombang 615 nm seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5b. Mereka dibandingkan dengan hasil desain TAM yang diusulkan, nilai FWHM TLNM ditingkatkan 10 kali lipat setidaknya sambil mempertahankan serapan sempurna. Ini adalah peningkatan besar dari kinerja optik dengan menggunakan metasurface LN. Hasil ini menunjukkan bahwa TLNM dapat potensial digunakan dalam banyak aplikasi seperti filter warna ultra-sensitif, penyerap, detektor, dan sensor sesuai dengan karakteristik luar biasa bandwidth ultra-sempit, serapan sempurna, dan rentang penyesuaian yang besar.

Spektrum refleksi TLNM. Parameter dioptimalkan untuk rentang penyesuaian maksimum dengan kondisi a D_y = 350 nm, t = 210 nm, b D_y = 450 nm, t = 280 nm. c, d Hubungan resonansi, nilai g, dan nilai FWHM yang sesuai dari a dan b, masing-masing

Untuk menyelidiki lebih lanjut apakah perangkat TAM dan TLNM dapat diimplementasikan ke dalam aplikasi praktis, misalnya sensor lingkungan, mereka diekspos ke lingkungan sekitar dengan indeks bias lingkungan (n) yang berbeda. Gambar 6 menunjukkan spektrum refleksi TAM yang diekspos ke lingkungan sekitar dengan indeks bias yang berbeda dari 1,0 hingga 1,3. Dimensi geometris TAM dipertahankan konstan sebagai D_x = 110 nm, D_y = 200 nm, dan g = 450 nm. Terdapat dua resonansi yang bergeser ke merah dengan rentang penyesuaian masing-masing 84,6 nm (ω₁) dan 172,1 nm (ω₂). Hubungan resonansi dan nilai n diringkas dalam Gambar 6b. Sensitivitas dihitung sebagai 246,7 nm/RIU dan 481,5 nm/RIU, dan FOM yang sesuai adalah 11 dan 14 untuk resonansi pertama (ω₁) dan resonansi kedua (ω₂), masing-masing. Sensitivitas yang lebih tinggi ini disebabkan oleh FWHM sempit resonansi, yaitu 21,6 nm (ω₁) dan 34 nm (ω₂). Karakteristik ini sangat cocok untuk aplikasi sensor praktis.

a Spektrum refleksi TAM yang diekspos ke lingkungan sekitar dengan indeks bias (n) yang berbeda. b Hubungan resonansi dan nilai n

Namun, kelemahannya adalah intensitas refleksi ω₁ cukup tinggi dan intensitas ω₂ meningkat hingga lebih dari 20% saat n meningkat hingga 1,3. Untuk mengatasi keterbatasan ini, TLNM dirancang untuk memiliki properti optik yang stabil karena karakteristik metasurface LN. Gambar 7 menunjukkan spektrum refleksi TLNM yang diekspos ke lingkungan sekitar dengan nilai n yang berbeda dengan kondisi D_y = 350 nm, t = 210 nm, g = 490 nm, dan D_y = 450 nm, t = 280 nm, g = 580 nm seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7a, b, masing-masing. Dalam Gambar 7a, resonansi TLNM dengan D_y = 350 nm, t = 210 nm, g = 490 nm bergeser ke merah dengan rentang penyesuaian 58,4 nm dengan meningkatnya nilai n dari 1,0 hingga 1,2. Sementara resonansi TLNM dengan kondisi D_y = 450 nm, t = 280 nm, g = 580 nm bergeser ke merah dengan rentang penyesuaian 78,2 nm dengan meningkatnya nilai n dari 1,0 hingga 1,2. Dalam kedua kasus ini, TLNM menunjukkan serapan hampir sempurna, di mana fluktuasi intensitas refleksi kurang dari 5%. Spektrum refleksi lebih stabil daripada TAM. Hubungan resonansi dan nilai n digambarkan dalam Gambar 7c, d untuk dua kasus tersebut, masing-masing. Untuk kondisi TLNM dengan D_y = 350 nm, t = 210 nm, g = 490 nm, sensitivitas dan nilai FWHM rata-rata adalah 291,4 nm/RIU dan 3 nm, masing-masing. FOM yang sesuai dihitung sebagai 97 seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7c. Untuk kondisi TLNM dengan D_y = 450 nm, t = 280 nm, g = 580 nm, sensitivitas dan nilai FWHM rata-rata adalah 390,3 nm/RIU dan 4 nm, masing-masing. FOM yang sesuai dihitung sebagai 97,5 seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7d, yang ditingkatkan 7 kali lipat dibandingkan TAM yang ditunjukkan dalam Gambar 6. Ini berarti bahwa TLNM menunjukkan kinerja sensor yang lebih baik untuk digunakan dalam aplikasi sensor lingkungan.

Spektrum refleksi TLNM yang diekspos ke lingkungan sekitar dengan indeks bias (n) yang berbeda dengan kondisi a D_y = 350 nm, t = 210 nm, g = 490 nm, b D_y = 450 nm, t = 280 nm, g = 580 nm. c, d Hubungan resonansi, nilai n dan nilai FWHM yang sesuai, masing-masing

Kesimpulan

Dalam kesimpulan, kami menyajikan dua desain filter warna efisiensi tinggi yang dapat disesuaikan berdasarkan metasurface persegi panjang Al dan elips LN yang digantung pada substrat Si dilapisi lapisan cermin Al di atas. Dengan mengubah komposisi yang berbeda dari nilai D_x, g, dan t dari TAM dan TLNM, respons elektromagnetik dapat melakukan serapan sempurna dengan efisiensi ultra-tinggi yang mencakup seluruh rentang spektrum cahaya terlihat. Dengan meningkatnya nilai g, resonansi TAM dan TLNM dapat disesuaikan masing-masing 110,7 nm dan 117,6 nm. Untuk aplikasi penginderaan lingkungan, TAM menunjukkan sensitivitas ultra-tinggi 481,5 nm/RIU dan TLNM menunjukkan nilai FOM ultra-tinggi 97,5. FWHM TLNM ditingkatkan 10 kali lipat pada maksimum dan FOM dapat ditingkatkan 7 kali lipat dibandingkan TAM. Menurut karakteristik di atas yang disebutkan yaitu bandwidth ultra-sempit, khususnya FWHM 3 nm untuk TLNM, serapan sempurna dan rentang penyesuaian yang besar yang jarang dilaporkan dalam spektrum cahaya terlihat secara bersamaan dengan mengimplementasikan metasurface Al atau LN, ini menunjukkan bahwa perangkat yang diusulkan dapat potensial digunakan dalam banyak aplikasi seperti filter warna ultra-sensitif dengan kualitas warna tinggi, resolusi tinggi untuk teknik layar dan citra, penyerab efisiensi tinggi yang diinginkan dalam optika terintegrasi, sensor indeks bias, dll. Di antara aplikasi ini, TLNM menunjukkan kinerja dengan FOM lebih tinggi dan FWHM yang lebih sempit sementara TAM memiliki sensitivitas yang lebih tinggi untuk sensor indeks bias.

Ketersediaan Data dan Bahan

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

Singkatan

MCFs:

Filter warna metasurface

LN:

Niobiat litium

TAM:

Metasurface aluminium yang dapat disesuaikan

TLNM:

Metasurface LN yang dapat disesuaikan

F-P:

Fabry-Perot

FOM:

Figure-of-merit

IR:

Inframerah

THz:

Terahertz

FDTD:

Finite difference time domain

PML:

Lapisan cocok sempurna