Absorbedor de luz perfecto de triple banda basado en una metauperficie híbrida para aplicaciones de detección

Resultados y discusiones

La Figura 2 presenta los espectros de reflectancia y absorbancia simulados del PLA basados ​​en metasuperficie híbrida bajo iluminación de luz incidente normal en la región visible. Evidentemente, se observan tres puntos de resonancia distintos en f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz y f ₃ =471,5 THz, respectivamente. En estas resonancias, la reflectancia se reduce al 1,9%, 1,3% y 0,4%, y la absorbancia correspondiente aumenta a los valores máximos de 98,1%, 98,7% y 99,6%, respectivamente. De acuerdo con trabajos previos [45,46,47,48], se podría conjeturar que la absorción perfecta en tres resonancias podría atribuirse a las excitaciones de modos SPR de orden superior en nanoestructuras cruzadas de silicio bajo iluminación de luces incidentes normales que se discutirán más tarde. Aunque tanto el silicio semiconductor de alto RI como el sustrato de oro de alta reflectancia que se utilizan ampliamente en trabajos anteriores se han aplicado en nuestro diseño [17, 38,39,40, 46, 48,49,50], todavía vale la pena señalarlo que el nuevo diseño propuesto de PLA en este trabajo exhibe una propiedad relativamente mejorada que es en términos de una absorción perfecta de triple banda en la región visible mediante la utilización de nanoestructura cruzada de silicio de tamaño único. Además, se puede esperar que el PLA propuesto sea insensible a la polarización para la luz incidente normal debido a su alta simetría de rotación geométrica de la celda unitaria que es similar a los diseños anteriores [54,55,56].

La reflectancia simulada ( R (ω)) y absorbancia ( A (ω)) espectros del PLA basado en metasuperficie híbrido visible diseñado bajo iluminación de luz incidente normal

Además, la anchura total a la mitad del máximo (FWHM) y el factor Q del PLA propuesto también se han calculado de acuerdo con la referencia anterior [40]. En esas tres posiciones de resonancia mencionadas anteriormente, el valor de FWHM es de aproximadamente 64,875 THz, 27,75 THz y 34,125 THz, y el factor Q correspondiente (= f _i / FWHM _i , yo =1, 2, 3) es de aproximadamente 6,48, 14,57 y 13,82, respectivamente. Cabe señalar que la absorción perfecta de triple banda se puede observar en el caso ideal con medios de aire. Sin embargo, es posible ajustar la propiedad de absorción de resonancia ajustando el valor de RI exterior / ambiental del PLA diseñado. Significa que la frecuencia de operación podría regularse significativamente cambiando el valor de RI del entorno que rodea al PLA. Por lo tanto, el PLA diseñado con resonancias pronunciadas puede proporcionar algunas aplicaciones potenciales en sensores y detectores multiplex.

Para verificar el mecanismo físico detrás del fenómeno de absorción perfecta de triple banda observado del PLA diseñado, las distribuciones espaciales de ( E _x , x-z plano) y magnético ( H _y , y-z plano) en esos tres picos de absorción se han investigado sistémicamente, como se muestra en la Fig. 3. Obviamente, los patrones de distribución espacial de los campos eléctricos y magnéticos fuertes ( E _x y H _y ) son significativamente diferentes en varias frecuencias de resonancia, revelando las excitaciones de diferentes modos SPR. Sin embargo, es evidente que tanto el campo eléctrico como el magnético siempre están fuertemente concentrados en la interfaz de la cruz de silicio y el sustrato de oro cuando se produce la resonancia. Estas características del campo espacial indican que se han excitado los modos guiados con diferentes órdenes superiores en la interfaz de la nanoestructura cruzada de silicio y el sustrato de oro. Se puede creer que las intensas resonancias del modo guiado en la interfaz dieléctrico / metal se excitan cuando la luz incidente se acopla entre guías de ondas con diferentes índices de refracción [57,58,59,60]. Mientras tanto, son posibles los acoplamientos resonantes entre la luz incidente y el modo guiado de la nanoestructura dieléctrica / metálica, que es similar al efecto de resonancia del modo guiado de rejilla metálica [21, 59, 60].

Distribuciones de a - c campo eléctrico ( E _x en el x-z plano de y =0 nm) y d - f campo magnético ( H _y en el y-z plano de x =0 nm) en la nanoestructura de celda unitaria del PLA a diferentes frecuencias de resonancia:( a , d ) f ₁ =402,5 THz, ( b , e ) f ₂ =429,5 THz y ( c , f ) f ₃ =471,5 THz

Para ilustrar la resonancia en modo guiado de la nanoestructura PLA diseñada, podemos asumir la nanoestructura cruzada de silicio diseñada como una guía de ondas dieléctrica en la región visible. Cuando la luz incidente incide en los espacios entre las dos celdas unitarias adyacentes, sería difractada en la capa de silicio y luego reflejada por el sustrato de oro, posteriormente guiada hacia la interfaz del sustrato de silicio / oro. Debido al diseño simétrico de la celda unitaria, las luces guiadas de acoplamiento de los espacios adyacentes se propagan de manera opuesta y, en consecuencia, se combinan para formar una onda estacionaria en la capa de la guía de ondas [58, 59, 60]. De acuerdo con estos resultados que se muestran en la Fig. 3a-f, se puede encontrar que solo los modos guiados por armónicos impares en la nanoestructura pueden excitarse bajo la iluminación de luz incidente normal. La Figura 3a-f muestra el modo de primer orden, el modo de tercer orden y el modo de quinto orden en la nanoestructura, respectivamente. Los resultados concuerdan con los PLA anteriores basados ​​en la configuración de MDM [58, 61], en los que el modo de segundo orden no podía excitarse para las luces incidentes normales. Es porque las excitaciones de los modos guiados armónicos están determinadas principalmente por los parámetros geométricos de la nanoestructura diseñada. Significa que solo los modos impares o guiados por armónicos podrían excitarse bajo el diseño especial apropiado de nanoestructura en este trabajo. Las excitaciones de modo guiado con órdenes superiores en esta nanoestructura contribuirían a mejorar las luces incidentes que se acoplan en el espacio de aire y se localizan en la interfaz silicio / oro, creando finalmente una absorción de luz perfecta en varias frecuencias de resonancia. Como es bien sabido, la pérdida de energía de la luz incidente inducida por los modos guiados de excitación en la nanoestructura es siempre lo suficientemente grande como para introducir el alto nivel de absorción en las resonancias [20, 21, 26, 58, 59, 60, 61]. Además, estas resonancias de modo guiado están determinadas principalmente por los tamaños geométricos y los medios circundantes de la nanoestructura diseñada [58]. Se puede concluir que los modos guiados de orden superior también podrían aplicarse para obtener el PLA de alto rendimiento en la región visible con parámetros geométricos moderados en comparación con el uso del modo fundamental con una estructura de sub-longitud de onda más profunda [61].

Para obtener una comprensión más profunda y cualitativa de la absorción perfecta anterior, las distribuciones 3D de la corriente de flujo de energía y la densidad de pérdida de energía para incidentes normales y -luces polarizadas en varias frecuencias de resonancia ( f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz y f ₃ =471,5 THz) también se han estudiado, como se ilustra en la Fig. 4a-c. En primer lugar, los flujos de energía de la luz de entrada son originalmente corrientes paralelas en el espacio lejos de la nanoestructura en las resonancias. Cuando los flujos de luz incidente se acercan al PLA, la mayoría de ellos fluyen "a través" de la celda unitaria, posteriormente se enrollan en la capa de silicio y finalmente se concentran en la interfaz del sustrato de silicio y oro. En este caso, la forma espacial de las corrientes de flores de poder en la nanoestructura exhibe varias características a diferentes frecuencias de absorción. Los perfiles de flujo de energía causados ​​por las excitaciones en modo guiado tienen lugar en la nanoestructura y la pérdida intrínseca suele ocurrir en materiales a granel. Debido a la naturaleza de pérdida dieléctrica del silicio y el oro en la región visible, se puede considerar que las pérdidas de energía lumínica inducidas por las excitaciones en modo guiado con diferentes órdenes superiores deben originarse principalmente a partir de la nanoestructura cruzada de silicio y el sustrato de oro.

Las distribuciones tridimensionales (3D) de a - c flujo de energía y d - f Densidad de pérdida de potencia del PLA a diferentes frecuencias de resonancia:( a , d ) f ₁ =402,5 THz, ( b , e ) f ₂ =429,5 THz y ( c , f ) f ₃ =471,5 THz

La Figura 4d-f ilustra las distribuciones 3D de la densidad de pérdida de potencia en la nanoestructura de celda unitaria a frecuencias de f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz y f ₃ =471,5 THz, respectivamente. Se puede observar que las densidades de pérdida de potencia se distribuyen principalmente en la interfaz entre la nanoestructura cruzada de silicio y el sustrato de oro. Obviamente, el poder de la luz incidente está completamente confinado en la nanoestructura de PLA diseñada. Dado que el silicio y el oro en la nanoestructura son material de pérdida dieléctrica en la región visible, la disipación de energía luminosa tiene lugar en el PLA diseñado [48, 49]. En nuestro diseño, la cruz de silicio es mucho más favorable para mejorar el rendimiento de absorción que el cuadrado y el disco anteriores, ya que los huecos de la nanoestructura de tipo cruzada propuesta fácilmente capturarían más luces incidentes debido a las excitaciones del modo guiado [47,48,49 ]. De hecho, el silicio estructurado con un diseño geométrico apropiado en sí mismo puede servir como un buen PLA, basándose en la característica de pérdida del material de silicio en la región visible [49]. Además, la cruz de silicio también podría asumirse como una capa antirreflectante, lo que hace que el sustrato de oro sea un material de absorción casi perfecto en las resonancias. El oro sigue siendo plasmónico en la región visible ya que la parte real de su permitividad es negativa [53]. Cabe señalar que la luz incidente será fuertemente repelida por el sustrato de oro, y la absorción perfecta sería imposible sin la respuesta de los SPR.

Basándose en los análisis anteriores, se podría concluir que la absorción perfecta de triple banda del PLA propuesto se origina a partir de los modos guiados con naturaleza de pérdida dieléctrica y de orden superior del sustrato de silicio y oro en la región visible. En una palabra, la resonancia en modo guiado y las pérdidas de la nanoestructura son los dos factores clave para la perfecta absorción del PLA diseñado.

A continuación, las influencias de los parámetros geométricos para cada celda unitaria sobre la propiedad de absorción de nuestro PLA de diseño se han investigado sistemáticamente mediante un estudio paramétrico. En cuanto al PLA propuesto en este trabajo, solo se necesitan considerar cuatro parámetros geométricos:ancho del alambre ( w ), longitud del cable ( l ), altura ( h ) de nanoestructura cruzada de silicio, y la periodicidad ( p ) de la celda unitaria. Una serie de espectros de absorbancia del PLA diseñado con diferentes parámetros geométricos ( w , h , l y p ) se han ilustrado en la Fig. 5a – d. Vale la pena señalar que solo se puede regular un parámetro geométrico a la vez, mientras que los demás permanecen constantes.

La dependencia de la absorción perfecta de diferentes parámetros geométricos del PLA propuesto. un - c Ancho del cable ( w ), altura ( h ), longitud del cable ( l ) de la nanoestructura cruzada de silicio, y d periodicidad ( p ) de la celda unitaria

Sobre la base de la Fig. 5a, b, se puede observar que la absorbancia de los picos de resonancia se puede mantener por encima del 95% cuando se cambia un parámetro geométrico mientras que otros permanecen constantes. Sin embargo, se encuentra que la frecuencia de operación es sensible a los parámetros geométricos del PLA. Cuando la periodicidad ( p ) del PLA es fijo, la frecuencia de pico de absorción resulta ser inversamente proporcional a los tamaños geométricos ( w , h y l ) de la celda unitaria, lo que concuerda con estudios anteriores [58, 62]. Esto se debe a que el índice de refracción efectivo de las resonancias en modo guiado aumenta con el aumento de w , h y l . Las propiedades de absorbancia del PLA con diferentes tamaños de w se han representado en la Fig. 5a. Con cambiar w de 85 a 105 nm en un paso de 5 nm, se puede observar claramente el corrimiento al rojo distinguido del espectro de absorción. Para el PLA con un ancho de cable más ancho ( w > 100 nm) de cruz de silicio, la absorbancia del primer y segundo picos de absorción disminuirá ligeramente, pero el tercero casi se puede mantener. Este tipo de respuesta resulta principalmente del efecto de acoplamiento debilitado y de confinamiento inducido por la nanoestructura. Además, en comparación con el segundo y tercer picos de resonancia, se puede encontrar que el primer pico es mucho más sensible a las variaciones del ancho del cable w , lo que resulta en un notable fenómeno de desplazamiento al rojo. Las propiedades de absorbancia del PLA con diferentes tamaños de h se han presentado en la Fig. 5b. Cuando la altura h aumenta de 80 a 100 nm en intervalos de 5 nm, las variaciones de los espectros de absorción son similares al caso de cambiar el ancho del cable w , y las frecuencias de los picos de absorción también presentan un ligero desplazamiento hacia el rojo. Con el aumento de h , se puede encontrar que la absorbancia del primer pico de resonancia aumenta gradualmente mientras que el segundo disminuye ligeramente, y el tercero se puede mantener casi constante. Como se muestra en la Fig. 5c, se puede encontrar que los picos de absorción cambiarán a las frecuencias más bajas cuando la longitud del cable l aumenta de 340 nm a 360 nm en un paso de 5 nm. A medida que aumenta la longitud del cable l , la absorbancia del primer pico de absorción disminuye ligeramente mientras que los otros picos de resonancia permanecen constantes. Como se muestra en la Fig. 5d, se ha encontrado una tendencia de variación completamente contraria, que puede describirse en términos de un "desplazamiento azul" de los picos de absorción, cuando la periodicidad p aumentar de 390 a 430 nm en intervalos de 10 nm. Con el aumento de la periodicidad p , la absorbancia del primer pico de resonancia aumenta ligeramente mientras que los otros picos de absorción prácticamente no cambian. En resumen, los resultados ilustrados en la Fig.5 confirman que estos picos de absorción están relacionados con las características de las ondas estacionarias que se han demostrado en la Fig.3, lo que indica que la frecuencia de operación y la eficiencia del PLA propuesto podrían ser reguladas directamente por la geometría relativa. parámetros que incluyen el ancho del cable ( w ), altura ( h ), longitud del cable ( l ) y periodicidad ( p ).

De acuerdo con los resultados y discusiones del PLA de triple banda diseñado anteriormente, podría esperarse como un candidato prometedor para la aplicación de detección de RI. Para aclarar la viabilidad de nuestro PLA de triple banda diseñado para aplicaciones de detección, se ha verificado aún más el comportamiento de los espectros de absorbancia en función de los valores de RI del analito circundante. Como se muestra en la Fig. 6a, el analito circundante se rellena en los huecos de la nanoestructura cruzada de silicio del PLA propuesto. Dado que nuestro PLA tiene un ancho de banda triple estrecho y una absorción perfecta alrededor de la frecuencia de resonancia, se podría esperar que exhibiera un buen rendimiento de detección. La dependencia de los espectros de absorbancia del cambio del valor de RI del analito circundante se ha presentado en la Fig. 6b. Cabe señalar que la absorbancia podría mantenerse por encima del 95% cuando el valor de RI del analito circundante cambia de n =1.0 a n =1,4 con un paso de 0,1, mientras que los cambios de frecuencia de los tres picos de resonancia son bastante conspicuos, lo que podría describirse en términos de un desplazamiento hacia el rojo obvio con el valor de RI creciente del analito circundante. Las variaciones de los puntos de frecuencia 1 ( f ₁ ), 2 ( f ₂ ) y 3 ( f ₃ ) resultan ser de aproximadamente 2,53 THz, 4,13 THz y 3,19 THz de media, respectivamente. De hecho, se ha aceptado ampliamente que la capacidad de detección del PLA se describe mediante una definición de sensibilidad (S) de RI en masa: S =Δ f / Δ n , donde Δ f y Δ n son el cambio de la frecuencia de resonancia y el valor de RI, respectivamente [63]. De acuerdo con la definición anterior, como se muestra en la Fig. 6c, el promedio S valores de tres puntos de frecuencia ( f ₁ , f ₂ y f ₃ ) se evalúan en aproximadamente 25,3, 41,3 y 31,9 THz / RIU, respectivamente. Debido a la excelente característica de detección, se podría creer que el diseño del PLA de triple banda es prometedor en los campos relacionados con los sensores.

un El esquema de la aplicación de detección PLA para RI. b los espectros de absorbancia simulados del PLA variando los valores de RI del analito circundante de n =1.0 a n =1,4 por paso de 0,1. c Ajuste lineal (líneas sólidas) y frecuencias de resonancia simuladas (símbolos huecos) en función de los valores de RI del analito circundante

Conclusiones

En conclusión, en este trabajo se ha propuesto e investigado numéricamente un diseño simple del PLA de triple banda basado en metasuperficie híbrida, que se puede creer que es aplicable para la detección de RI. El PLA propuesto basado en la metasuperficie híbrida está diseñado para que solo consista en matrices periódicas de nanoestructuras cruzadas de silicio depositadas sobre un sustrato de oro. Los resultados numéricos indican que el PLA diseñado puede exhibir una absorbancia relativamente alta de 98,1%, 98,7% y 99,6% a 402,5 THz, 429,5 THz y 471,5 THz, respectivamente. Las imágenes físicas del PLA diseñado se han explorado analizando las distribuciones espaciales del campo eléctrico y magnético en tres frecuencias de resonancia diferentes. Resulta ser que la energía EM podría disiparse a través de las ondas estacionarias originadas en diferentes modos guiados de orden superior en la interfaz con pérdida entre la nanoestructura cruzada de silicio y el sustrato de oro, lo que conduce a la absorción perfecta de triple banda. Además, las distribuciones espaciales de la corriente de flujo de energía y la densidad de pérdida revelan que la característica de pérdida dieléctrica del silicio y el oro en la región visible también es crítica para la perfecta absorción del PLA. Además, también se ha confirmado que las propiedades de absorción de resonancia de nuestra nanoestructura de PLA diseñada están bien ajustadas en la región visible mediante la regulación de los parámetros geométricos de la celda unitaria. Además, se ha demostrado que las frecuencias de los picos de resonancia son muy sensibles a las variaciones de RI del analito circundante rellenado en el PLA propuesto. La sensibilidad de RI global promedio S los valores de PLA son aproximadamente 25,3, 41,3 y 31,9 THz / RIU, respectivamente. El PPA propuesto es fácil de fabricar mediante la técnica de grabado de iones reactivos profundos (DRIE) o la litografía avanzada por haz de electrones (EBL), que es rentable y compatible con el proceso CMOS [44, 49]. Por lo tanto, este diseño del PLA puede abrir una nueva vía para las aplicaciones de detección de RI multiespectral en la región visible, especialmente para la detección biomolecular, de gases, el diagnóstico médico y la biosección espacial. También tiene potencial en aplicaciones de sustratos para actividades de detección múltiple de diferenciación y proliferación de células madre neurales.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos generados y / o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

Abreviaturas

PLA:

Perfect Light Absorber

RI:

Índice de refracción

RIU:

Unidad de índice de refracción

2D:

Bidimensional

MDM:

Metal-dielectric-metal

SPRs:

Surface plasmon resonances

EM:

Electromagnético

CMOS:

Semiconductor de óxido de metal complementario

FEM:

Método de elementos finitos

FWHM:

Ancho completo a la mitad del máximo

DRIE:

Deep reactive ion etching

EBL:

Litografía por haz de electrones

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