Mejora de la absorción de banda ancha insensible al ángulo de grafeno utilizando una metauperficie de múltiples ranuras

Resumen

Se demuestra numéricamente un absorbente de grafeno de banda ancha insensible al ángulo que cubre todo el espectro visible, que es el resultado de múltiples acoplamientos de las resonancias de dipolos eléctricos y magnéticos en las estrechas ranuras metálicas. Esto se logra integrando la hoja de grafeno con una metasuperficie de múltiples ranuras separada por un espaciador de polimetil metacrilato (PMMA), y se puede lograr una eficiencia de absorción promedio del 71,1% en el rango espectral de 450 a 800 nm. La ubicación del pico de absorción del grafeno se puede ajustar mediante la profundidad del surco, y el ancho de banda de absorción se puede controlar de manera flexible adaptando tanto el número como la profundidad del surco. Además, la mejora de la absorción de luz de banda ancha del grafeno es resistente a las variaciones de los parámetros de la estructura, y se pueden mantener buenas propiedades de absorción incluso cuando el ángulo de incidencia se incrementa a 60 °.

Antecedentes

Se ha demostrado que el grafeno es un buen candidato para los dispositivos optoelectrónicos debido a sus notables propiedades electrónicas, mecánicas y ópticas sintonizables [1, 2, 3]. Para muchas aplicaciones, como las fotodetecciones y las células solares, se desea una fuerte absorción de grafeno para generar una gran cantidad de pares de electrones y huecos y producir una gran fotocorriente [4, 5]. Desde los terahercios hasta los rangos del infrarrojo medio, el grafeno se comporta como un metal y puede funcionar como un buen absorbente debido a su fuerte respuesta plasmónica [6, 7, 8]. Por el contrario, en las regiones visible e infrarroja cercana, el grafeno exhibe una absorción casi independiente de la longitud de onda de alrededor del 2,3% a una incidencia normal [9], lo que limita seriamente su aplicación adicional en la detección fotoeléctrica.

En los últimos años, se han sugerido varios enfoques para mejorar la absorción de luz del grafeno en las regiones visible e infrarroja cercana, y los mecanismos físicos detrás de la mejora de la absorción del grafeno incluyen el efecto epsilon-casi cero [10], la resonancia de la cavidad [11, 12,13], reflectancia total atenuada [14], resonancia en modo guiado [15,16,17,18], acoplamiento crítico [19,20,21], resonancia Fano [22, 23], resonancia plasmónica [24,25 , 26] y resonancia magnética [27,28,29]. Desafortunadamente, los anchos de banda de esos absorbedores son generalmente estrechos debido a su naturaleza de resonancia. Muy recientemente, se ha demostrado que el ancho de banda de absorción del grafeno se puede ampliar aumentando los canales de absorción de luz [30,31,32,33,34,35]. Por un lado, utilizando el resonador de parche [30] o las matrices de nanodiscos Ag [31], se puede lograr una mejora de la absorción de luz de doble banda del grafeno. Se pueden obtener más canales de absorción de luz de grafeno aumentando el grosor de la guía de ondas [32], y es posible mejorar la absorción de banda ancha del grafeno mediante el uso de múltiples matrices de nanodiscos Ag [33]. Por otro lado, los canales de absorción angular del grafeno pueden aumentarse mediante el uso de una configuración de reflexión total atenuada [34], y la absorción mejorada de grafeno en forma de peine angularmente densa se puede obtener mediante la excitación de la resonancia en modo guiado de uno- cristales fotónicos dimensionales [35]. En aplicaciones reales, la mejora del acoplamiento luz-grafeno en un amplio rango espectral es muy importante para dispositivos como fotodetectores y energía fotovoltaica. Sin embargo, hay pocas investigaciones sobre la mejora de la absorción de banda ancha del grafeno en las regiones visible e infrarroja cercana, y son muy deseables los absorbentes de banda ancha de grafeno insensibles al ángulo que cubran toda la región visible.

En este trabajo, se propone un nuevo absorbente de grafeno de banda ancha insensible a los ángulos que cubre toda la región visible integrando la hoja de grafeno con una metasuperficie de múltiples ranuras. La banda de absorción mejorada del grafeno ha surgido de los múltiples acoplamientos de resonancias dipolares eléctricas y magnéticas confinadas en la cavidad del surco. La banda de absorción de grafeno se puede controlar de forma flexible adaptando tanto el número como la profundidad de las ranuras. Se puede mantener una alta eficiencia de absorción incluso si los parámetros de la estructura y el ángulo de incidencia se alteran significativamente.

Métodos

La Figura 1 muestra un diagrama esquemático de la metasuperficie de múltiples ranuras iluminada por la onda plana TM (el vector del campo magnético se encuentra a lo largo de la y -axis) para mejorar la absorción de grafeno de banda ancha insensible a los ángulos. La celda unitaria de la estructura consta de una hoja de grafeno plana y una película de plata estampada con cinco ranuras separadas por un espaciador de polimetilmetacrilato (PMMA). La capa de PMMA funciona como una capa amortiguadora que controla el acoplamiento entre el grafeno y la película de plata estampada, y también se puede transferir fácilmente a la superficie con múltiples ranuras mediante recubrimiento por rotación en la aplicación. El período de la celda unitaria es Λ , el grosor del espaciador de PMMA es t , el grosor de la película plateada inferior es D y el sustrato es sílice. La geometría de la ranura se describe tanto por su ancho w y su profundidad. El ancho de las cinco ranuras es igual y sus profundidades son d ₁ , d ₂ , d ₃ , d ₄ y d ₅ , respectivamente. El índice de refracción del PMMA es 1,49 [36], y los índices de refracción complejos de la película de plata se toman de Palik [37]. La hoja de grafeno plana consta de N capas de grafeno monocapa, y el grosor de la hoja de grafeno es de 3,4 nm como N =10 [11, 27]. El grafeno monocapa se modela como una superficie infinitesimalmente delgada con la conductividad superficial σ _g calculado a partir de la fórmula de Kubo [38, 39]. A temperatura finita, se puede dividir en contribuciones intra e interbanda:

$$ {\ sigma} _g \ left (\ omega \ right) ={\ sigma} _ {\ mathrm {intra}} \ left (\ omega \ right) + {\ sigma} _ {\ mathrm {inter}} \ left (\ omega \ right) $$ (1)

un Diagrama esquemático de la metasuperficie de múltiples ranuras para la absorción de grafeno de banda ancha insensible al ángulo. b Diagrama de sección transversal de una celda unitaria de la estructura

$$ {\ sigma} _ {\ mathrm {intra}} \ left (\ omega \ right) =- j \ frac {e ^ 2 {k} _BT} {\ pi {\ mathrm {\ hslash}} ^ 2 \ izquierda (\ omega -2j \ Gamma \ right)} \ left [\ frac {\ mu_c} {k_BT} +2 \ mathrm {l} n \ left ({e} ^ {- \ frac {\ mu_c} {k_BT} } +1 \ right) \ right] $$ (2) $$ {\ sigma} _ {\ mathrm {inter}} \ left (\ omega \ right) =- j \ frac {e ^ 2} {4 \ pi \ mathrm {\ hslash}} \ mathrm {l} n \ left [\ frac {2 \ left | {\ mu} _c \ right | - \ left (\ omega -j2 \ Gamma \ right) \ mathrm {\ hslash} } {2 \ left | {\ mu} _c \ right | + \ left (\ omega -j2 \ Gamma \ right) \ mathrm {\ hslash}} \ right] $$ (3)

donde e y ħ son la carga elemental y la constante de Planck reducida, respectivamente. k _B es la constante de Boltzmann, μ _c es el potencial químico, Γ =1/2 τ es la tasa de dispersión fenomenológica, y τ es el momento de relajación del impulso. Los parámetros físicos del grafeno se establecen como μ _c =0,15 eV, T =300 K y τ =0,50 ps.

En las simulaciones, se adopta el método de dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) (soluciones Lumerical FDTD) para calcular las propiedades de absorción de la metasuperficie de múltiples ranuras basada en grafeno. Las condiciones de contorno periódicas (PBC) se emplean en el x direcciones, mientras que los límites en la z dirección se adoptan como capas perfectamente adaptadas (PML). Reflectividad ( R ) y transmisividad ( T ) se obtienen mediante dos monitores en la parte superior e inferior de la estructura. La película de plata inferior se elige para que sea ópticamente lo suficientemente gruesa ( D =100 nm) para evitar la transmisión de luz; por lo tanto, la absorción total ( A ) de la estructura se puede reducir como A =1– R . La absorción de grafeno ( A _g ) se puede calcular como [24]:

$$ {A} _g =\ left [{P} _ {\ mathrm {arriba}} \ left (\ lambda \ right) - {P} _ {\ mathrm {abajo}} \ left (\ lambda \ right) \ derecha] / {P} _ {\ mathrm {in}} \ left (\ lambda \ right) $$ (4)

donde P _arriba ( λ ) y P _abajo ( λ ) son los poderes que pasan a través de los planos ascendente y descendente de la hoja de grafeno en la longitud de onda λ , respectivamente. P _en ( λ ) representa la potencia incidente en la longitud de onda λ . En simulación, P _en ( λ ) es la potencia de la fuente de luz, y se insertan dos monitores de potencia en los planos superior e inferior del grafeno para obtener P _arriba ( λ ) y P _abajo ( λ ). Estos poderes se extraen del campo total en las simulaciones FDTD.

Resultados y discusiones

La Figura 2 muestra la respuesta espectral de la metasuperficie de múltiples ranuras sin y con grafeno. Los parámetros de la estructura, como el número de ranuras, la profundidad y la anchura de las ranuras y el grosor del espaciador de PMMA, se optimizan para obtener una mejora de la absorción de banda ancha en la región visible. Como puede verse en la Fig. 2a, la metasuperficie de múltiples ranuras sin grafeno puede funcionar como un absorbente plasmónico y la absorción de luz puede mejorarse en la región visible debido al efecto plasmón superficial de la película de plata nanoestructurada. Consulte la Fig. 2b para ver la metasuperficie de múltiples ranuras con grafeno, y la absorción de luz se puede mejorar significativamente en toda la región visible. La absorción promedio de la estructura total alcanza el 92,7% en el rango de longitud de onda de 400-800 nm, que es comparable con muchos absorbentes plasmónicos, tanto en eficiencia de absorción como en ancho de banda de absorción [40,41,42,43]. Curiosamente, la energía de la luz se disipa principalmente en grafeno en lugar de plata. La eficiencia de absorción del grafeno se mejora significativamente en una región de longitud de onda extendida, y su eficiencia de absorción promedio alcanza el 71,1% en el rango espectral de 450 a 800 nm. Sin embargo, debido a que el modo de plasmón de superficie solo puede ser excitado por la polarización TM, no hay una mejora de absorción obvia para la metasuperficie de múltiples ranuras bajo la iluminación de la onda TE (consulte el archivo adicional 1:Figura S1).

un Espectros de la metasuperficie de múltiples ranuras sin grafeno. b Espectros de absorción de la estructura total, grafeno y plata para la metasuperficie de múltiples ranuras con grafeno. Los parámetros son Λ =300 millas náuticas, t =5 nm, ancho =30 millas náuticas, D =100 nm, d ₁ =20 millas náuticas, d ₂ =35 nm, d ₃ =50 nm, d ₄ =80 nm, d ₅ =90 nm, N =10 y θ _c =0 °

Para obtener información sobre el efecto de la mejora de la absorción de banda ancha del grafeno bajo la iluminación de la onda TM, se investigan las distribuciones del campo eléctrico y magnético de la estructura para diferentes longitudes de onda. Como se puede ver en la Fig.3, el campo eléctrico está altamente concentrado y mejorado alrededor de la esquina de la ranura metálica, y su dirección es casi paralela a la x -eje, correspondiente a un modo de resonancia dipolo eléctrico [44, 45]. Por el contrario, el campo magnético está fuertemente mejorado en la cavidad de la ranura metálica y su dirección es perpendicular a la xoz -plano, correspondiente a un modo de resonancia dipolo magnético [26, 46]. El acoplamiento electromagnético de las resonancias del dipolo eléctrico y magnético en las ranuras metálicas aumenta notablemente la interacción luz-grafeno, lo que resulta en una mayor absorción de luz del grafeno. Tenga en cuenta que la ubicación de la mejora del campo se concentra principalmente en el surco menos profundo para la longitud de onda corta, y se desplaza a un surco más profundo a medida que aumenta la longitud de onda; por lo tanto, se pueden soportar múltiples acoplamientos de las resonancias dipolares eléctricas y magnéticas para la estructura de múltiples ranuras con diferentes profundidades de ranura, lo que da como resultado una absorción de luz de banda ancha del grafeno que cubre toda la región visible.

Distribuciones normalizadas de campos eléctricos y magnéticos de la celda unitaria de la estructura en las longitudes de onda de 450 nm para ( a ) y ( b ); 600 nm para ( c ) y ( d ); 750 nm para ( e ) y ( f ). El área de trazo blanco insertada es la vista ampliada de las ranuras y las flechas rojas indican la dirección del campo eléctrico. Los parámetros de la estructura son los mismos que en la Fig. 2

Para identificar aún más la ubicación del pico de absorción del grafeno de la metasuperficie de múltiples ranuras, se estudian las propiedades resonantes de la estructura de una sola ranura. Para la estructura de un solo surco que se muestra en el recuadro de la Fig. 4b, la longitud de onda de resonancia de la cavidad del surco bajo polarización TM se da como [47]:

$$ 2 {n} _ {\ mathrm {eff}} {d} _g + \ frac {1} {2} \ lambda =M \ lambda, $$ (5)

donde M es el número de modo y M =1 en el cálculo; n _ef es el índice de refracción efectivo de la cavidad de la ranura, que puede ser equivalente al índice de refracción de modo de la guía de ondas metal-aislante-metal (MIM). Solo el modo fundamental de TM ₀ se puede admitir porque el ancho del surco es mucho menor que la longitud de onda, y el n correspondiente _ef se puede determinar utilizando la dispersión de modo uniforme de la guía de ondas MIM [48]:

$$ \ tanh \ left (\ frac {w \ sqrt {\ beta ^ 2- {k} _0 ^ 2 {\ varepsilon} _d}} {2} \ right) =- \ frac {\ varepsilon_d \ sqrt {\ beta ^ 2- {k} _0 ^ 2 {\ varepsilon} _m}} {\ varepsilon_m \ sqrt {\ beta ^ 2- {k} _0 ^ 2 {\ varepsilon} _d}}, $$ (6)

donde ε _d y ε _m son las constantes dieléctricas de PMMA y plata, respectivamente; k ₀ es el vector de onda de la luz incidente, β es la constante de propagación del modo de guía de ondas MIM, y n _ef = β / k ₀ .

Respuesta de absorción de grafeno para la estructura de un solo surco como se muestra en el recuadro de la figura. un Respuesta de absorción de grafeno en función de la profundidad del surco. b FDTD resultado de la ubicación del pico de absorción del grafeno en función de la profundidad del surco y resultado teórico de la longitud de onda de resonancia en función de la profundidad del surco. Los parámetros son Λ =300 millas náuticas, t =5 nm, N =10 y w =30 millas náuticas

Como se puede ver en la Fig. 4a, para la estructura de un solo surco, la eficiencia de absorción del grafeno aumenta a medida que aumenta la profundidad del surco, y el pico de absorción del grafeno también se desplaza a la longitud de onda más larga. Como puede verse en la Fig. 4b, las ubicaciones de los picos de absorción de grafeno están en buen acuerdo con los resultados teóricos de la longitud de onda de resonancia de la cavidad del surco. La pendiente del resultado FDTD es 8,48, que está cerca de la pendiente del resultado teórico de 10,46. Según Eq. (5), la ubicación del pico de absorción del grafeno se desplaza al rojo con el aumento de la profundidad del surco, y cubre toda la región visible a medida que la profundidad del surco varía dentro del rango de 20 a 90 nm. Por lo tanto, la ubicación del pico de absorción del grafeno se puede ajustar por la profundidad del surco, y la absorción de banda ancha del grafeno se puede realizar si se integran múltiples surcos con diferentes profundidades de surco en la celda unitaria de la estructura, lo que verifica aún más el mecanismo físico de Absorción de luz de banda ancha de grafeno para la metasuperficie de múltiples ranuras. Sin embargo, durante un período fijo y un ancho de ranura fijo, no significa que cuanto mayor sea el número de ranura, mejor será el rendimiento de absorción del grafeno (consulte el archivo adicional 1:Figura S2). Por lo tanto, el rendimiento de absorción del grafeno se puede controlar de manera flexible adaptando tanto el número como la profundidad de la ranura para la configuración de múltiples ranuras.

Para evaluar más a fondo el rendimiento de absorción del grafeno integrado con la metasuperficie de múltiples ranuras, primero investigamos la influencia del grosor de la capa espaciadora en la absorción de luz del grafeno. Como se puede ver en la Fig.5, la respuesta de absorción del grafeno es robusta a la variación del grosor de la capa espaciadora, y la banda ancha de absorción se puede mantener a medida que el grosor de la capa espaciadora aumenta de 5 nm a 20 nm. . A medida que aumenta el grosor de la capa espaciadora, la banda de absorción del grafeno cambia a la longitud de onda más larga debido al aumento del grosor óptico de la estructura. Además, debido a que la capa espaciadora posee la función de la capa amortiguadora, que controla el acoplamiento electromagnético entre la ranura metálica y el grafeno, la eficiencia de absorción promedio del grafeno disminuye con el aumento del espesor de la capa espaciadora.

La respuesta de absorción del grafeno en función del grosor de la capa espaciadora para la estructura con múltiples ranuras y otros parámetros son los mismos que en la Fig. 2

La Figura 6 muestra la influencia del número de grafeno monocapa y el ancho del surco en la absorción de luz del grafeno, y se puede ver que el rendimiento de absorción del grafeno es robusto a las variaciones de ambos N y w . En la Fig. 6a, la absorción de luz del grafeno se puede mejorar notablemente a medida que el número de grafeno monocapa aumenta a 10; sin embargo, la mejora de la absorción general se ralentiza para N > 10 y se satura como N aumenta a 30. La absorción de luz del grafeno no siempre aumenta con el aumento del número de grafeno monocapa, y también se puede observar un fenómeno similar en las rejillas de resonancia de guía de ondas basadas en grafeno [49]. En la Fig. 6b, se puede ver que la banda de absorción se desplaza hacia el azul a medida que aumenta el ancho de la ranura, y la absorción promedio alcanza su máximo en el valor de diseño de w =30 nm tanto para la estructura total como para el grafeno en la región visible. Debido a que el acoplamiento electromagnético de las resonancias del dipolo eléctrico y magnético está confinado principalmente en la ranura, la desviación del valor de diseño del ancho de la ranura con ± 10 nm afectará claramente el rendimiento de absorción de la metasuperficie con múltiples ranuras.

un Respuesta de absorción de grafeno en función del número de grafeno monocapa. b Espectros de absorción de la estructura total y grafeno en función del ancho de la ranura con N =10. Los demás parámetros son los mismos que en la Fig. 2

También investigamos la robustez angular del absorbedor de grafeno propuesto integrado con la metasuperficie de múltiples ranuras. En la Fig. 7, se puede encontrar que la respuesta de absorción del grafeno es robusta a la variación del ángulo de incidencia. Se puede calcular que se puede lograr una eficiencia de absorción promedio del 61,5% incluso en θ _c =60 ° dentro del rango espectral de 450–800 nm, y la banda de absorción se mantiene casi igual aunque el ángulo de incidencia se altera significativamente. Esto se debe a que la mejora de la absorción de banda ancha del grafeno integrado con la metasuperficie de múltiples ranuras se origina a partir del acoplamiento de las resonancias del dipolo eléctrico y magnético en la cavidad de la ranura, que es casi inmune a la variación del ángulo de incidencia. Los rendimientos de absorción insensible al ángulo son muy importantes porque los rendimientos de absorción de la mayoría de los absorbentes basados en grafeno generalmente dependen del ángulo de incidencia [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23 , 24,25, 28,29,30,31,32,33,34,35]. A diferencia de los absorbentes anteriores basados en grafeno, la estructura propuesta posee una banda de absorción amplia y un rendimiento insensible al ángulo simultáneamente, lo que es muy deseado en una variedad de áreas, como los absorbentes omnidireccionales.

La respuesta de absorción del grafeno en función del ángulo de incidencia de la estructura con múltiples ranuras y otros parámetros son los mismos que en la Fig. 2

Conclusiones

En conclusión, se propone un absorbente de grafeno de banda ancha insensible a los ángulos integrado con una metasuperficie de múltiples ranuras y se investiga numéricamente su propiedad de absorción de la luz. La banda de absorción del grafeno cubre toda la región visible y se puede lograr una eficiencia de absorción promedio del 71,1% en el rango espectral de 450 a 800 nm. La banda de absorción extendida del grafeno ha surgido de los múltiples acoplamientos de resonancias dipolares eléctricas y magnéticas confinadas en la cavidad del surco, y su mecanismo puede verificarse utilizando la estructura de un solo surco. La ubicación del pico de absorción del grafeno se puede ajustar por la profundidad del surco, y el ancho de banda de absorción del grafeno se puede controlar de manera flexible adaptando tanto el número como la profundidad del surco. Las propiedades de absorción de banda ancha del grafeno casi no se ven afectadas por la variación del grosor de la capa espaciadora, el número de grafeno monocapa y el ancho de la ranura. En particular, los espectros de absorción de luz del grafeno permanecen casi iguales incluso en ángulos grandes. La idea de utilizar una metasuperficie de múltiples ranuras para ampliar la banda de interacción entre la luz y el grafeno también podría adoptarse en la región del infrarrojo cercano y otros dispositivos optoelectrónicos basados en grafeno.

Abreviaturas

FDTD:: Dominio del tiempo de diferencia finita
MIM:: Metal-aislante-metal
PBC:: Condiciones de contorno periódicas
PML:: Capas perfectamente combinadas
PMMA:: Polimetacrilato de metilo

Deposición de vapor químico de matrices de nanotubos de carbono alineadas verticalmente:efectos críticos de las capas amortiguadoras de óxido Nanoesferas de caolinita de estructura jerárquica con propiedades de adsorción notablemente mejoradas para el azul de metileno

Nanomateriales

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