Absorbedor omnidireccional por el efecto del plasma del vacío en la región visible con campo eléctrico localizado muy mejorado

Distribuciones de campo espacial calculadas de electricidad ( a - d ) y magnético ( e - h ) campos para incidencia de luz normal. La longitud de onda de la luz incidente es 372 nm ( a , e ), 546 nm ( b , f ), 635 nm ( c , g ) y 1113 nm ( d , h ). Las líneas de trazos negros indican la sección transversal de la estructura. Aquí, los parámetros de la estructura se establecen como p =200 millas náuticas, ancho =60 millas náuticas, h ₁ =20 millas náuticas, h ₂ =250 millas náuticas, h ₃ =200 nm y ε ₂ =3.1

En determinadas condiciones, la resonancia FP y VP pueden acoplarse entre sí, dando lugar a una característica de modo híbrido fuerte. Para sugerir el acoplamiento entre la resonancia FP y VP, la dependencia de las respuestas de absorción del espesor h ₂ de la capa dieléctrica media se estudia ajustando continuamente h ₂ de 20 a 500 nm. Los resultados se muestran en la Fig. 5a. A medida que aumenta el grosor de la capa dieléctrica, aumenta la longitud de onda del modo de resonancia FP (las líneas de trazos negros), de acuerdo con la predicción de la Ec. (1). Una vez que la longitud de onda de resonancia FP se superpone a la longitud de onda de resonancia VP (la línea de trazos blancos), los modos de resonancia FP y VP se acoplan en un modo de resonancia FP-VP híbrido. Vale la pena señalar que el modo de resonancia VP puede desaparecer cuando está cerca del modo de resonancia FP en determinadas condiciones. En ausencia del modo de resonancia VP, la fuerte absorción se produce en la resonancia de la cavidad FP, que también corresponde a la interferencia destructiva entre la luz reflejada por la capa superior de plata (con una pérdida de fase de media onda adicional) y la reflejada por la capa inferior de plata. Cuando la longitud de onda del modo de resonancia FP se acerca al modo de resonancia VP, la luz es absorbida en primer lugar por las estructuras de nanoagujeros, lo que induce una oscilación colectiva de electrones de banda de conducción cerca de los nanoagujeros de plata. Posteriormente, como dipolos oscilantes, los nanoagujeros pueden emitir radiaciones hacia arriba y hacia abajo. La luz ascendente interferirá constructivamente con el componente reflejado de la luz descendente (reflejada por la capa plateada inferior). Por tanto, cuando el modo de resonancia VP coincide con el modo de resonancia FP, la interferencia destructiva de la luz saliente puede transferirse a la interferencia constructiva. Este escenario conduce a una fuerte reflexión y la ausencia de absorción en la Fig. 5a (vea las regiones azules a lo largo de la línea de trazos blancos). También se observa que cuando el espesor de la capa dieléctrica h ₂ es menor que 50 nm, la eficiencia de absorción inducida por VP es menor y la longitud de onda muestra un corrimiento al rojo. Cuando el espesor dieléctrico h ₂ se reduce significativamente, la imagen de los VP a través de la interfaz de metal espejo se acoplará con los VP de la capa superior de metal, lo que provocará una disminución de la energía del modo de acoplamiento del espejo y un aumento de la longitud de onda de resonancia. El corrimiento al rojo del pico de absorción causado por el efecto de acoplamiento espejo más fuerte también ha sido probado por la literatura existente [36, 37]. También se investiga la respuesta de absorción del absorbente propuesto para varios espesores del espesor de la capa superior de metal, como se presenta en la Fig. 5b. Claramente, la longitud de onda de los picos de absorción causados ​​por la resonancia del efecto VP se puede ajustar fácilmente modificando el grosor de la capa superior. Como el espesor de la capa de metal superior h ₁ disminuye, el pico de absorción muestra un desplazamiento al rojo obvio, lo que sugiere que el modo VP es susceptible al grosor de la capa superior. Además, con la disminución del espesor de la capa superior de metal, el segundo modo FP muestra un ligero desplazamiento al rojo y la amplitud del pico de absorción disminuye gradualmente. Esta característica relacionada con el segundo modo de resonancia FP es similar a la del absorbente de triple capa puro sin arreglos de nanoagujeros [38]. Sin embargo, cuando el espesor de la capa superior se reduce a h ₁ =10 nm, hay una aparente división del pico (alrededor de 600 nm) que no está presente en los absorbentes puros de triple capa.

un Contorno de absorción calculado para el absorbedor propuesto basado en una matriz de nanoagujeros en función de la longitud de onda y el espesor de la capa espaciadora h ₂ . La línea discontinua negra representa la resonancia FP y la línea discontinua blanca representa el modo VP. El recuadro muestra las imágenes (los rectángulos de guión) de la capa superior de metal con respecto a la interfaz de metal espejo (la línea de guión blanca). b Absorción calculada del absorbedor propuesto basado en una matriz de nanoagujeros en función de h ₁ cambiando de 10 a 30 nm. c Contorno de absorción calculado para el absorbedor propuesto basado en una matriz de nanoagujeros en función de w con p =200 nm. d Contorno de absorción calculado para el absorbedor propuesto basado en una matriz de nanoagujeros en función de p con w =60 millas náuticas

También se calcula el efecto geométrico de los nanoagujeros sobre las propiedades de VP. En la Fig. 5c, el período de celosía de agujeros p se fija en 200 nm y el ancho del agujero w se cambia de 50 a 150 nm. Para picos de absorción FP, cuando w aumenta, la resonancia del modo de primer orden a 1113 nm muestra un corrimiento al rojo, mientras que la posición del modo de segundo orden a 546 nm y el modo de tercer orden a 372 nm casi permanecen sin cambios. Además, también se observa un corrimiento al rojo del efecto VP con el aumento de w , ya que los electrones experimentarán un tiempo más largo cuando oscilen entre dos lados del vacío (cuando el ancho del agujero w es lo suficientemente grande, también estará presente un acoplamiento de campo cercano entre dos vacíos [39]). En la Fig. 5d, se representa gráficamente el efecto del período de red sobre las propiedades de absorción del efecto VP. Aquí, w se fija en 60 nm y p cambia de 100 a 500 nm. Para picos de absorción de resonancia FP, cuando p aumenta, el modo de resonancia de primer orden a 1113 nm muestra un corrimiento al rojo cuando p es menor que 200 nm y permanece sin cambios cuando p es mayor de 200 nm. El corrimiento al rojo para la p más pequeña ( p <200 nm) se debe a la variación del índice de refracción medio efectivo de la capa superior con p (o relación de aspecto w ² / p ² ). Pero, cuando p es mayor de 200 nm, el índice de refracción medio efectivo rara vez se ve afectado por el tamaño de poro pequeño. El modo de resonancia de segundo orden a 546 nm y el modo de resonancia de tercer orden a 372 nm no muestran ningún cambio cuando p cambios. Para el segundo modo FP, cuando p es mayor de 300 nm, aparecerán múltiples picos de absorción estrechos que pueden atribuirse al efecto de las PSP. Cuando se trata del pico de absorción de VP (~ 635 nm), se observa un corrimiento al rojo y la eficiencia de absorción se reduce a p crece. También se observó un fenómeno similar para los absorbentes basados ​​en la matriz de nanopartículas y el desplazamiento al rojo se origina a partir de una interacción dipolo de largo alcance [40]. Además, también encontramos que el fuerte acoplamiento de la resonancia VP puede inhibir el efecto FP cercano. Este fenómeno se observa en la situación en la que w está por encima de 100 nm o p es menor de 150 nm, como se muestra en la Fig. 5c y d. En general, un corrimiento al rojo del pico de absorción de VP va acompañado del aumento de w o p .

Dado que el modo VP está confinado cerca de los nanoagujeros, la posición del pico de absorción inducida por el efecto VP depende del índice de refracción del material en los orificios. Este efecto se puede emplear para construir un sensor para distinguir la constante dieléctrica circundante. Los espectros de reflexión para diversos índices de refracción de materiales en nanoagujeros se han calculado y representado en la Fig. 6a. El índice de refracción circundante se cambia de n =1.332 (agua) a n =1.372 (solución de glucosa menor) con un intervalo de Δ n =0,01. Los picos de absorción de resonancia FP son casi irrelevantes con el índice de refracción circundante. Por el contrario, al igual que las características de LSP, el pico de absorción de VP muestra una dependencia del índice de refracción circundante del material. Para medir el rendimiento de un sensor plasmónico, se puede usar una cantidad llamada figura de mérito (FOM). La FOM se define como sensibilidad S _λ dividido por el ancho de línea Γ ; aquí, S _λ a menudo se denota simplemente Δ λ / RIU (por unidad de cambio de índice de refracción) y Γ es el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM). En el cálculo, usamos un cociente diferencial más fino con Δ n =0.01 para n =1.332, n =1.342, n =1.352 y n =1,362. La Figura 6b muestra que la sensibilidad máxima en términos de cambio de longitud de onda por unidad de índice de refracción es ≈ 186 nm / RIU. En nuestro caso, el ancho de línea de resonancia del modo VP es ≈ 59 nm y conduce a un FOM máximo ≈ 3,16. El valor de FOM en nuestro trabajo es compatible con los dispositivos reportados basados ​​en nanopartículas metálicas [33, 34] (FOM experimental =0.8-5.4) así como con las estructuras de rejillas metálicas reportadas recientemente con un valor de FOM teórico de 2 [41]. Sin embargo, es mucho más bajo que los resultados teóricos logrados por nanoestructuras altamente complicadas [42, 43].

un Espectros de reflexión de incidencia normal del absorbente propuesto basado en una matriz de nanoagujeros con el índice de refracción del orificio ( n ) cambiando de 1.332 a 1.372. Los parámetros estructurales y de material se establecen como h ₁ =20 millas náuticas, h ₂ =250 millas náuticas, h ₃ =200 nm, ε ₂ =3.1, p =200 nm y w =60 nm. b La posición de la caída de reflexión y la FOM calculada en función del índice de refracción de los agujeros ( n =1.332–1.362)