Absorbedor de luz triple-banda de metasuperficie híbrida para detección RI de alta sensibilidad

Resumen

Se presenta un diseño simple de absorbedor de luz perfecto (PLA) triple-banda basado en metasuperficie híbrida en región visible, aplicable para detección de índice de refracción (RI). A diferencia de diseños previos, la metasuperficie híbrida propuesta para PLA visible consiste únicamente en arrays periódicos de nanoestructuras de silicio en cruz y sustrato de oro. Los arrays periódicos de silicio en cruz depositados sobre sustrato oro contribuyen a excitar modos guiados bajo iluminación luz incidente normal. Según resultados simulación, tres picos de absorción perfecta de 98,1 %, 98,7 % y 99,6 % ubicados en 402,5 THz, 429,5 THz y 471,5 THz respectivamente, observados claramente en PLA. Este efecto triple-banda se atribuye a pérdida intrínseca de material silicio originada de excitaciones modo guiado causadas por ondas estacionarias de diferentes órdenes. Se confirma que propiedades absorción perfecta PLA pueden regularse fácilmente cambiando parámetros geométricos de nanoestructura unidad-celda. Además, PLA diseñado como sensor RI logra sensibilidad ~25,3, 41,3 y 31,9 THz/unidad índice refracción (RIU). Se cree que diseño propuesto PLA para detección RI proporciona gran potencial en sensado, detección, espectroscopía visible mejorada, etc.

Introducción

Metasuperficies, rama importante de metamateriales ópticos, son arquitecturas array bidimensionales (2D) formadas por nanoestructuras plasmónicas sub-longitud onda consistentes en dieléctricos y metales patrón. En años recientes, metasuperficies investigadas extensivamente por potencial aplicación en componentes ópticos free-space miniaturizados: lentes, placas de onda, filtros espectrales, absorbedores. Uno de aspectos destacados: absorbedores luz perfectos (PLA) en región óptica por aplicaciones prometedoras en comunicación óptica, emisión térmica, cosecha luz, sensado. Generalmente, PLAs basados metasuperficies realizados por configuración tri-capa metal-dieléctrico-metal (MDM) o bi-capa dieléctrico-metal (DM), donde diversas resonancias plasmónicas de superficie (SPRs) excitadas causan confinamiento energía luz en metales patrón o interfaz metal-dieléctrico. Además, pérdidas ópticas intrínsecas de materiales metálicos y dieléctricos en PLA son factores importantes y ventajosos para mejorar absorción energía electromagnética (EM) luces incidentes. Se ha confirmado que capacidad absorción PLA suele depender de forma, tamaño, espesor, composición de metasuperficie plasmónica, también sensibles a índice refracción (RI) material circundante. Para aplicaciones sensado, PLA banda estrecha investigado intensivamente por gran profundidad modulación. Cuando PLA colocado en entorno gas o líquido, frecuencia pico absorción se desplaza significativamente con cambio valor RI material circundante. Numerosas metasuperficies basadas PLA banda estrecha propuestas e investigadas teóricamente. Por ejemplo, Cheng et al. propusieron PLA banda estrecha configuración MDM, sensibilidad ~590 nm/RIU. Bhattarai et al. demostraron PLA banda estrecha mushroom-capped basado mecanismo cavidad Fabry-Perot, sensibilidad hasta 2508 nm/RIU. Otros PLAs configuración MDM propuestos continuamente. Aunque estos PLAs banda estrecha logran alta sensibilidad, producción a gran escala consume tiempo y coste por complejidad diseño metasuperficie. Sería extremadamente útil si PLA banda estrecha soportada por estructuras relativamente simples. Yong et al. propusieron esquema diseño simple PLAs para sensado basado metasuperficie todo-metal. Para estos PLAs, metales nobles oro o plata usualmente utilizados, aumentando coste fabricación.

Recientemente, metasuperficies basadas nanoestructuras silicio atraen gran atención por aplicaciones en detectores, guías onda fotónicas, generadores/filtros color, PLAs. Similar a nanoestructuras metálicas, silicio es material factible alto RI que soporta diversos SPRs por diseño estructural en rango frecuencia óptica. Además, silicio puede crecer coste-efectivamente sobre sustrato heterogéneo (sustrato oro) a baja temperatura con compatibilidad apreciable proceso CMOS, fácil para producción gran escala. En rango visible interés (350-500 THz), valor RI silicio aproximadamente constante ~ nsi = 3,7 × (1 + 0,0025i). Sustrato oro (Au) descrito por modelo Drude dependiente frecuencia datos experimentales. Espesor sustrato oro mayor que profundidad penetración luz incidente en visible. Diferente configuración MDM típica, PLA propuesto basado metasuperficie híbrida formado por nanoestructura DM bi-capa sub-longitud onda, y se espera polarización-independiente por simetría rotación geométrica nanoestructura cruz y red cuadrada. Parámetros geométricos optimizados: px = py = 400 nm, l = 350 nm, w = 100 nm, h = 85 nm, ts = 100 nm. Como Fig. 1c, celda unidad PLA período constante 400 nm direcciones x-y para evitar difracción frecuencias hasta 750 THz.

PLA propuesto diseñado e investigado mediante herramienta simulación basada método elementos finitos (FEM) en CST Microwave Studio. Como Fig. 1c, excitación onda plana amplio rango frecuencia 350-500 THz considerada fuente iluminación con vector onda normal a superficie metasuperficie híbrida. En simulación, tamaño malla 0,3 nm, mucho menor longitud onda y tamaño celda unidad. Para asegurar errores numéricos despreciables, test convergencia estándar realizado antes simulación celda unidad. Condiciones frontera periódicas direcciones x-y usadas para considerar disposición periódica metasuperficie híbrida. Luz polarizada lineal incidente propagada dirección z-axis modo campo eléctrico (Ex) y magnético (Hy) direcciones x-y respectivamente. En diseño, transmisión bloqueada por sustrato oro, absorbancia calculada solo A(ω) = 1 - R(ω) = |S11|², donde S11 coeficiente reflexión.

Resultados y discusiones

Fig. 2 presenta espectros reflectancia y absorbancia simulados PLA basado metasuperficie híbrida bajo iluminación luz incidente normal en visible. Tres puntos resonancia distintos observados en f1=402,5 THz, f2=429,5 THz, f3=471,5 THz. En estas resonancias, reflectancia disminuye a 1,9 %, 1,3 %, 0,4 %, y absorbancia aumenta a valores máximos 98,1 %, 98,7 %, 99,6 % respectivamente. Según trabajos previos, absorción perfecta tres resonancias atribuida a excitaciones modos SPR orden superior en nanoestructuras silicio cruz bajo iluminación luces incidente normal. Aunque silicio semiconductor alto RI y sustrato oro alta reflectancia ampliamente usados en trabajos previos aplicados en nuestro diseño, diseño novedoso PLA exhibe propiedad mejorada: triple-banda absorción perfecta en visible usando nanoestructura cruz silicio tamaño único. Además, se espera PLA propuesto insensible a polarización para luz incidente normal por alta simetría rotación geométrica celda unidad similar diseños previos.

Ancho banda a mitad máxima (FWHM) y factor Q PLA propuesto calculados según referencia previa. En tres posiciones resonancia, FWHM ~64,875 THz, 27,75 THz, 34,125 THz; factor Q (=fi/FWHMi, i=1,2,3) ~6,48, 14,57, 13,82. Triple-banda absorción perfecta observada caso ideal aire. Posible sintonizar propiedad absorción resonancia ajustando valor RI exterior/entorno PLA. Frecuencia operación regulada significativamente cambiando RI entorno PLA. PLA diseñado con resonancias pronunciadas proporciona aplicaciones potenciales sensores/detectores multiplex.

Para verificar mecanismo físico detrás triple-banda absorción perfecta PLA, distribuciones espaciales campo eléctrico (Ex, plano x-z) y magnético (Hy, plano y-z) en tres picos absorción investigadas sistemáticamente Fig. 3. Patrones distribución campos eléctrico y magnético fuertes significativamente diferentes en varias frecuencias resonancia, revelando excitaciones diferentes modos SPR. Sin embargo, evidente que ambos campos siempre fuertemente concentrados en interfaz nanoestructura cruz silicio y sustrato oro cuando resonancia ocurre. Estas características campo espacial indican modos guiados diferentes órdenes superiores en interfaz nanoestructura cruz silicio y sustrato oro excitados. Se cree que resonancias modo guiado intensas en interfaz dieléctrico/metal excitadas cuando luz incidente acoplada entre guías onda diferentes índices refracción. Mientras, acoplamientos resonantes entre luz incidente y modo guiado nanoestructura dieléctrico/metal posibles, similar efecto resonancia modo guiado rejilla metal.

Para ilustrar resonancia modo guiado nanoestructura PLA diseñada, asumimos nanoestructura cruz silicio como guía onda dieléctrica visible. Cuando luz incidente incide gaps entre dos celdas unidad adyacentes, difractada en capa silicio y reflejada por sustrato oro, posteriormente guiada en interfaz silicio/sustrato oro. Debido diseño simétrico celda unidad, luces guiadas acopladas gaps adyacentes propagan opuestamente y combinan formar onda estacionaria en capa guía onda. Según resultados Fig. 3a-f, solo modos armónicos impares en nanoestructura excitados bajo iluminación luz incidente normal. Fig. 3a-f muestran modo primer orden, tercer orden, quinto orden respectivamente. Resultados consistentes con PLAs previos configuración MDM, donde modo segundo orden no excitado para luces incidente normal. Es porque excitaciones modos armónicos guiados determinadas principalmente por parámetros geométricos nanoestructura diseñada. Solo modos impares o armónicos guiados excitados bajo diseño nanoestructura especial apropiado en este trabajo. Excitaciones modo guiado órdenes superiores contribuyen mejorar acoplamiento luces incidente en gap aire y localizar en interfaz silicio/oro, creando absorción luz perfecta varias frecuencias resonancia. Pérdida energía luz inducida por excitaciones modo guiado nanoestructura siempre suficiente introducir alto nivel absorción resonancias. Estas resonancias modo guiado principalmente determinadas por tamaños geométricos y medios circundantes nanoestructura diseñada. Modos guiado órdenes superiores también aplicables obtener PLA alto rendimiento visible con parámetros geométricos moderados comparado usar modo fundamental con estructura sub-longitud onda profunda.

Para comprensión cualitativa profunda absorción perfecta, distribuciones 3D flujo potencia y densidad pérdida potencia para luces incidente normal y-polarizadas en varias frecuencias resonancia (f1=402,5 THz, f2=429,5 THz, f3=471,5 THz) estudiadas Fig. 4a-c. Flujo potencia entrada originalmente corrientes paralelas espacio lejos nanoestructura resonancias. Cuando flujos luz incidente se acercan PLA, mayoría fluyen "a través" celda unidad, posteriormente se curvan en capa silicio y finalmente concentran en interfaz silicio/oro. Forma espacial flujos potencia exhibe características varias frecuencias absorción. Perfiles flujo potencia causados excitaciones modo guiado ocurren en nanoestructura, pérdida intrínseca usualmente ocurre materiales bulk. Debido naturaleza pérdida dieléctrica silicio y oro en visible, pérdidas energía luz inducidas excitaciones modo guiado diferentes órdenes superiores originadas principalmente nanoestructura cruz silicio y sustrato oro.

Fig. 4d-f ilustra distribuciones 3D densidad pérdida potencia en nanoestructura celda unidad frecuencias f1, f2, f3. Densidades pérdida potencia distribuyen principalmente interfaz entre nanoestructura cruz silicio y sustrato oro. Potencia luz incidente completamente confinada nanoestructura PLA diseñada. Silicio y oro nanoestructura materiales pérdida dieléctrica visible, disipación energía luz ocurre PLA diseñada. En diseño, cruz silicio más favorable mejorar rendimiento absorción que cuadrado y disco previos, ya que gaps cruz captura más luces incidente debido excitaciones modo guiado. De hecho, silicio estructurado con diseño geométrico apropiado sirve como buen PLA, basándose característica pérdida silicio visible. Además, cruz silicio también capa antirreflejo, haciendo sustrato oro material absorción casi perfecta resonancias. Oro aún plasmónico visible ya parte real permitividad negativa. Luz incidente fuertemente repelida sustrato oro, absorción perfecta imposible sin respuesta SPRs.

Basado análisis arriba, triple-banda absorción perfecta PLA propuesta originada modos guiados órdenes superiores y naturaleza pérdida dieléctrica silicio y sustrato oro visible. Resonancia modo guiado y pérdidas nanoestructura dos factores clave absorción perfecta PLA diseñada.

Influjos parámetros geométricos cada celda unidad propiedad absorción diseño PLA investigados sistemáticamente estudio paramétrico. Para PLA propuesta, solo cuatro parámetros geométricos: ancho alambre (w), largo alambre (l), altura (h) nanoestructura cruz silicio, periodicidad (p) celda unidad. Series espectros absorbancia PLA con diferentes parámetros geométricos (w, h, l, p) ilustrados Fig. 5a-d. Solo un parámetro regulado a la vez, otros constantes.

Base Fig. 5a, b, absorbancia picos resonancia mantenida >95 % cambiando un parámetro geométrico otros constantes. Frecuencia operación sensible parámetros geométricos PLA. Cuando periodicidad (p) PLA fija, frecuencia pico absorción inversamente proporcional tamaños geométricos (w, h, l) celda unidad, consistente estudios previos. Índice refracción efectivo resonancias modo guiado aumenta con aumento w, h, l. Propiedades absorbancia PLA diferentes tamaños w Fig. 5a. Cambiando w 85 a 105 nm paso 5 nm, desplazamiento rojo claro espectro absorción observado. PLA ancho alambre w > 100 nm, absorbancia primer y segundo picos disminuye ligeramente, tercero casi mantenido. Respuesta debilitamiento acoplamiento y confinamiento inducido nanoestructura. Primer pico mucho más sensible variaciones w, resultando desplazamiento rojo saliente. Propiedades absorbancia PLA diferentes tamaños h Fig. 5b. Altura h aumenta 80 a 100 nm intervalos 5 nm, variaciones espectros absorción similares caso w, frecuencias picos ligero desplazamiento rojo. Con aumento h, absorbancia primer pico aumenta gradualmente, segundo disminuye ligeramente, tercero casi constante. Fig. 5c, picos absorción desplazan frecuencias menores cuando largo alambre l aumenta 340 a 360 nm paso 5 nm. Con aumento l, absorbancia primer pico disminuye ligeramente, otros picos constantes. Fig. 5d, variación contraria "blue-shift" picos absorción cuando periodicidad p aumenta 390 a 430 nm intervalos 10 nm. Con aumento p, absorbancia primer pico aumenta ligeramente, otros picos casi inalterados. En suma, resultados Fig. 5 confirman picos absorción relacionados características ondas estacionarias demostradas Fig. 3, indicando frecuencia operación y eficiencia PLA propuesta reguladas directamente parámetros geométricos relativos w, h, l, p.

Según resultados y discusiones PLA triple-banda diseñada, esperado candidato prometedor aplicación sensado RI. Para clarificar practicabilidad PLA triple-banda diseñada sensado, comportamiento espectros absorbancia función valores RI analito circundante verificado. Fig. 6a, analito circundante llenado gaps nanoestructura cruz silicio PLA propuesta. PLA triple banda estrecha absorción perfecta alrededor frecuencia resonancia, buen rendimiento sensado esperado. Dependencia espectros absorbancia cambio valor RI analito circundante Fig. 6b. Absorbancia mantenida >95 % cuando valor RI analito cambia n=1,0 a n=1,4 paso 0,1, mientras desplazamientos frecuencia tres picos resonancia conspicuos, descrito desplazamiento rojo obvio con aumento RI analito. Variaciones puntos frecuencia 1 (f1), 2 (f2), 3 (f3) ~2,53 THz, 4,13 THz, 3,19 THz promedio. Capacidad sensado PLA descrita definición sensibilidad RI bulk (S): S = Δf/Δn, donde Δf, Δn cambios frecuencia resonancia y valor RI. Según definición, Fig. 6c, valores promedio S tres puntos frecuencia (f1, f2, f3) ~25,3, 41,3, 31,9 THz/RIU. Excelente característica sensado, diseño PLA triple-banda prometedor campos sensores.

Conclusiones

En conclusión, diseño simple PLA triple-banda basado metasuperficie híbrida propuesto e investigado numéricamente, aplicable sensado RI. PLA propuesta consiste solo arrays periódicos nanoestructuras cruz silicio depositadas sustrato oro. Resultados numéricos indican PLA exhibe absorbancia 98,1 %, 98,7 %, 99,6 % en 402,5 THz, 429,5 THz, 471,5 THz. Imágenes físicas PLA exploradas analizando distribuciones espaciales campo eléctrico y magnético tres frecuencias resonancia. Energía EM disipada ondas estacionarias originadas diferentes modos guiados órdenes superiores interfaz pérdida silicio cruz nanoestructura y sustrato oro, conduciendo triple-banda absorción perfecta. Distribuciones espaciales flujo potencia y densidad pérdida revelan característica pérdida dieléctrica silicio y oro visible crítico absorción perfecta PLA. Propiedades absorción resonancia PLA nanostructura confirmadas sintonizables visible regulando parámetros geométricos celda unidad. Frecuencias picos resonancia demostradas muy sensibles variaciones RI analito circundante llenado PLA. Sensibilidad RI bulk promedio S ~25,3, 41,3, 31,9 THz/RIU. PLA propuesta fácil fabricar por grabado reactivo iones profundo (DRIE) o litografía haz electrones avanzada (EBL), coste-efectivamente compatible proceso CMOS. Diseño PLA abre nueva vía aplicaciones sensado RI multi-espectral visible, especialmente bio-molecular, detección gas, diagnóstico médico, biosensado espacial. También potencial sustratos actividades sensado multiplex diferenciación/proliferación células madre neurales.

Disponibilidad de datos y materiales

Conjuntos datos generados/analizados durante estudio actual disponibles autor correspondiente bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

PLA:

Absorbedor de Luz Perfecto

RI:

Índice de refracción

RIU:

Unidad índice refracción

2D:

Bidimensional

MDM:

Metal-dieléctrico-metal

SPRs:

Resonancias plasmónicas superficie

EM:

Electromagnético

CMOS:

Semiconductor óxido metal complementario

FEM:

Método elementos finitos

FWHM:

Ancho banda mitad máxima

DRIE:

Grabado reactivo iones profundo

EBL:

Litografía haz electrones