Filtros de color de metauperficie que utilizan configuraciones de niobato de litio y aluminio

Introducción

Recientemente, los avances en la investigación de metamateriales han avanzado hacia la realización de metasuperficies sintonizables que permiten el control en tiempo real de sus propiedades geométricas y ópticas, creando así oportunidades excepcionales en el campo de los metamateriales sintonizables activamente. Se ha informado que abarcan el visible [1,2,3,4,5,6], el infrarrojo (IR) [7,8,9,10,11,12] y el terahercio (THz) [12,13, 14,15,16,17,18,19,20,21] rangos espectrales. Como las propiedades ópticas únicas de las metasuperficies dependen de la interacción entre la luz incidente y la nanoestructura, se pueden lograr propiedades deseables adaptando adecuadamente la forma, el tamaño y la composición de la estructura. Las metauperficies han permitido la manipulación de entidades de campo cercano permitiendo así la reconfiguración de características intrigantes como respuesta magnética [1, 22], absorción casi perfecta [14, 15, 23], transparencia [17, 19], ingeniería de fase [18, 20, 21, 24], detección de MIR e imágenes térmicas [10], modulación de resonancia [9] para muchos tipos de filtros [1, 2, 3, 4, 5] y sensores [6, 7, 8, 12, 13, 14 ] aplicaciones.

Hasta la fecha, se han informado muchos mecanismos de ajuste activos para mejorar la flexibilidad de la metasuperficie. La mayoría de los diseños están en los rangos espectrales IR [10,11,12, 25,26,27] y THz [28,29,30,31]. Aunque se han reportado varios enfoques para metasuperficies sintonizables activamente en el rango espectral visible, como estiramiento mecánico [32], fuerza electrostática [33], resonancia Mie [34], cristal líquido [35], material de cambio de fase [36,37 , 38], y material electro-óptico [39, 40] Sin embargo, el número de estudios sobre metasuperficies sintonizables activamente en el rango espectral visible es limitado. Entre los mecanismos de ajuste de los métodos electro-ópticos, la metasuperficie sintonizable basada en grafeno atrae recientemente una gran atención a los investigadores [41, 42, 43]. Además, el niobato de litio (LN) es uno de los materiales más importantes, considerado el "silicio de la fotónica". Los enfoques de metasuperficie en LN han llamado mucho la atención debido a su amplia ventana de transparencia, gran coeficiente electroóptico de segundo orden de hasta 30 pm / V y gran compatibilidad con circuitos fotónicos integrados [44]. Debido a su gran susceptibilidad no lineal de segundo orden, el índice de refracción de LN se puede ajustar linealmente aplicando un campo eléctrico sobre él [44]. La incorporación de LN en el diseño de metasuperficie abre las posibilidades de filtros de color ultrasensibles con sintonización activa electroóptica. Los métodos de ajuste activos mencionados anteriormente dependen en gran medida de las propiedades no lineales del material natural. A menudo carecen de características deseables, como un amplio rango de sintonización y un rendimiento uniforme en todo el rango de sintonización o que requieren un alto voltaje de accionamiento que limita severamente sus aplicaciones. Entre estos métodos, los metamateriales sintonizables activamente que utilizan tecnología de sistemas microelectromecánicos (MEMS) se estudian ampliamente debido a que las características geométricas del metamaterial pueden modificarse directamente [26, 29]. Los metamateriales sintonizables basados ​​en MEMS a menudo utilizan una cavidad de Fabry-Perot (F-P) y luego cambian el espacio entre dos capas estructurales para ajustar la resonancia [37, 45]. Estas estructuras pueden producir un ancho de banda de transmisión o absorción estrecho con un amplio rango de sintonía que lo hace deseable para aplicaciones de próxima generación.

En este estudio, se presentan dos diseños de filtros de color de metasuperficie (MCF). Son metasuperficies ajustables basadas en Al (TAM) y metasuperficies ajustables basadas en LN (TLNM) mediante el uso de simulaciones basadas en el dominio de tiempo de diferencia finita (FDTD) de Lumerical Solution para investigar sus características ópticas en el rango espectral visible. La dirección de propagación de la luz incidente está configurada para ser perpendicular a la x - y plano en las simulaciones numéricas. El ángulo de polarización de la luz incidente se establece en 0 y significa que el vector eléctrico oscila a lo largo de la x -dirección del eje como polarización TM. Las condiciones de contorno periódicas también se adoptan en el x y y direcciones, y las condiciones de contorno de capa perfectamente adaptadas (PML) se asumen tanto en z direcciones. La intensidad de la reflexión se calcula mediante un monitor situado encima del dispositivo. Los dispositivos propuestos exhiben sintonías activas y grandes rangos de sintonía. TAM y TLNM exhiben absorciones de banda ultra estrecha casi perfectas que abarcan todo el rango espectral visible. Para la aplicación de detección ambiental, TAM exhibe alta sensibilidad mientras que TLNM exhibe alta FOM. Estos diseños pueden usarse potencialmente en pantallas de alta resolución, sensores de índice de refracción y dispositivos adaptativos en el rango espectral visible.

Diseños y métodos

La Figura 1a muestra los dibujos esquemáticos de TAM y TLNM propuestos. Se componen de metasuperficies rectangulares suspendidas de Al y LN elípticas sobre sustrato de Si recubiertas con una capa de espejo de Al encima. El espacio entre la capa de espejo de Al inferior y la metasuperficie superior se puede ajustar mediante el uso de tecnología MEMS para formar una cavidad F-P entre estas dos capas. Las dimensiones geométricas correspondientes son la longitud del agujero rectangular en la metasuperficie Al y dos ejes del agujero elíptico en la metasuperficie LN a lo largo de x -dirección ( D _x ) y y -dirección ( D _y ), los períodos a lo largo de x -dirección ( P _x ) y y -dirección ( P _y ), el grosor de la metasuperficie ( t ) y el espacio entre la metasuperficie y la capa inferior del espejo ( g ). Aquí, definimos las proporciones de períodos y las longitudes de la metasuperficie rectangular de Al y la metasuperficie elíptica de LN a lo largo de x -dirección y y -dirección como K _x = P _x / D _x y K _y = P _y / D _y , respectivamente, para averiguar las respuestas electromagnéticas efectivas en todo el rango espectral visible.

un Dibujos esquemáticos de TAM y TLNM. b - d Los espectros de reflexión de TAM con diferentes ( b ) D _x , ( c ) K _x y ( d ) K _y valores

La Figura 1b – d muestra los espectros de reflexión de TAM cambiando D _x , K _x y K _y valores, respectivamente. En la Fig. 1b, los parámetros se mantienen tan constantes como D _y =200 nm, g =450 nm y K _x = K _y =1,2. Los espectros de absorción casi perfectos se mantienen cambiando D _x valores de 110 nm a 200 nm. La resonancia tiene una longitud de onda de 535 nm. La Figura 1c muestra los espectros de reflexión de TAM con diferentes K _x valores. Otros parámetros se mantienen tan constantes como D _x = D _y =200 nm, g =450 nm y K _y =1,2. Las resonancias se mantienen casi constantes en el rango de longitud de onda de 530 nm a 540 nm. La Figura 1d muestra los espectros de reflexión de TAM con diferentes K _y valores. Los otros parámetros se mantienen tan constantes como D _x = D _y =200 nm, g =450 nm y K _x =1,2. Cambiando K _y valores de 1,1 a 1,5, las resonancias se desplazan al azul con un rango de longitud de onda variable de menos de 60 nm. Estos resultados indican que los impactos de D _x , K _x y K _y Los valores de la longitud de onda resonante de TAM son bastante menores, lo que significa que el TAM propuesto posee una alta tolerancia de desviación de fabricación para las variaciones de D _x , K _x y K _y valores. En las siguientes discusiones, K _x y K _y se mantienen tan constantes como 1.2 y D _x está configurado para ser igual a D _y para investigar la capacidad de sintonización activa de los dispositivos TAM y TLNM propuestos.

Resultados y discusiones

Para aumentar la flexibilidad y aplicabilidad del dispositivo propuesto, la metasuperficie está diseñada para ser suspendida de modo que deje un espacio entre ella y la capa del espejo inferior para formar un resonador FP y como resultado de lo cual, la luz incidente quedará atrapada en este espacio y luego absorbido por el dispositivo. Respecto a la D _y y g Los valores son los principales factores que contribuyen al cambio de la longitud de onda resonante, la absorción casi perfecta de TAM se puede ajustar en todo el rango espectral visible emparejando D _y y valores de g como se muestra en la Fig. 2a. Cuatro pares de D _y y g Los valores se eligen para investigar la capacidad de sintonización de TAM. Ellos son ( D _y , g ) =(160 nm, 355 nm), (200 nm, 450 nm), (240 nm, 540 nm), (280 nm, 645 nm), respectivamente. Al componer de D _y y g valores, la absorción perfecta se puede realizar a diferentes longitudes de onda de 433,9 nm, 533,5 nm, 629,8 nm y 740,9 nm. Las imágenes de color insertadas de la Fig. 2a son los colores visibles correspondientes de los espectros de reflexión para los ojos humanos calculados mediante el uso de funciones de coincidencia CIE RGB para imitar los colores reales en las superficies del dispositivo. La relación de resonancias y D _y Los valores se resumen y grafican en la Fig. 2b. Las resonancias se desplazan al rojo linealmente abarcando todo el rango espectral visible aumentando D _y valores de 150 nm a 290 nm. El coeficiente de corrección correspondiente es 0,99401. Muestra una gran capacidad de sintonización para el dispositivo TAM propuesto. La frecuencia de resonancia de un resonador F-P se puede determinar mediante [46]

$$ {v} _q =\ frac {qc} {2g} $$ (1)

un Espectros de reflexión de TAM con diferentes D _y y g valores. b La relación de resonancias y D _y valores

donde q es el índice de modo, g es la longitud de la cavidad F-P, y c =c ₀ / n , donde c ₀ es la velocidad de la luz en el vacío y n es el índice de refracción del medio. Esto indica que la frecuencia resonante se puede sintonizar moviendo la metasuperficie suspendida verticalmente en este diseño propuesto, es decir, cambiando el g valor.

La Figura 3 muestra los espectros de reflexión de TAM con diferentes g valores en las condiciones de D _y =200 nm (Fig. 3a) y D _y =250 nm (Fig. 3b), respectivamente. En la Fig. 3a, las resonancias se desplazan al rojo desde la longitud de onda de 490 nm a 590 nm cambiando g valores de 410 nm a 510 nm. El rango de sintonía es de 100 nm. El ancho completo más estrecho a la mitad del máximo (FWHM) de resonancia es 29,9 nm para g =470 nm. En la Fig. 3b, las resonancias se desplazan al rojo desde la longitud de onda de 580 nm a 691 nm cambiando g valores de 490 nm a 610 nm. El rango de sintonía es de 111 nm. El FWHM más estrecho de resonancia es 31,8 nm para g =530 nm. El rango de sintonía es 2 veces mayor que el reportado en la referencia [39] y mejor que los reportados en las referencias anteriormente [37, 38, 40]. La Figura 3c, d muestra las relaciones correspondientes de resonancias y g valores de la Fig. 3a, b, respectivamente. Las resonancias se desplazan al rojo linealmente en 9,2 nm por incremento de 10 nm de g valor como se muestra en la Fig. 3c, y en 9,0 nm por incremento de 10 nm de g valor como se muestra en la Fig. 3d. Los rangos de sintonización son 90,5 nm y 110,7 nm, respectivamente. Todos los espectros de reflexión son absorciones casi perfectas. Los coeficientes de corrección correspondientes son 0.99950 y 0.99969, respectivamente. Dichos diseños de TAM propuesto pueden servir como un filtro de color ultrasensible o usarse en varias aplicaciones de detección.

Espectros de reflexión de TAM con diferentes g valores en las condiciones de a D _y =200 nm, b D _y =250 nm. c, d Las relaciones de resonancias y g valores de a y b , respectivamente

Para mejorar el rendimiento de TAM en términos de FWHM y el rango de longitud de onda de sintonía mientras se mantiene la absorción casi perfecta, se propone y presenta TLNM como se muestra en la Fig. 1a. Debido a que el patrón de nanoestructuras siempre sufre el efecto de esquina y la desviación de fabricación, el patrón geométrico se diseña como un agujero elíptico. Los parámetros de D _x y D _y representar las longitudes de macroeje y eje menor a lo largo de x- y y -direcciones, respectivamente, mientras que K _x y K _y los parámetros se mantienen tan constantes como 1.2 y D _x el valor es 110 nm. La Figura 4a muestra los espectros de reflexión de TLNM con cuatro combinaciones de D _y y g valores. t el valor se mantiene tan constante como 200 nm. TLNM exhibe la característica de absorción perfecta con un ancho de banda ultra estrecho que abarca todo el rango espectral visible. Los valores de FWHM de los espectros de reflexión son 3 nm. Tal FWHM ultra-estrecho es contribuido por la resonancia F-P, que puede ser determinada por

$$ \ mathrm {FWHM} =\ frac {\ lambda_q ^ 2} {2 \ pi g} \ frac {1-R} {\ sqrt {R}} $$ (2)

un Espectros de reflexión de TLNM con diferentes D _y y g valores. b La relación de resonancias y D _y valores

donde λ _q es la longitud de onda resonante, el subíndice q es el índice de modo, g es la longitud de la cavidad F-P y R es la reflectancia de las superficies del resonador F-P entre la metasuperficie inferior de Al y la metasuperficie superior de Al / LN. El valor de FWHM podría reducirse como resultado de una mayor intensidad de reflexión de TLNM, lo que significa que el rendimiento óptico se puede mejorar en gran medida mediante el uso de material LN. La relación de resonancias y D _y los valores de la Fig. 4a se resumen como se muestra en la Fig. 4b. Las resonancias se desplazan al rojo linealmente abarcando desde 427 nm hasta 673 nm aumentando D _y valores de 250 nm a 500 nm, y el coeficiente de corrección correspondiente es 0.97815. Por lo tanto, demuestra una capacidad de sintonización lineal del dispositivo propuesto.

La metasuperficie LN elíptica suspendida es móvil, que puede modificarse directamente para lograr sintonización óptica mediante el uso de tecnología MEMS. La Figura 5a, b muestra los espectros de reflexión de TLNM con diferentes g valores bajo dos condiciones de D _y =350 millas náuticas, t =210 nm y D _y =450 nm, t =280 nm, respectivamente. En la figura 5a, aumentando g valores de 390 nm a 570 nm, las resonancias se desplazan al rojo de 465,9 nm a 553,5 nm. En la Fig. 5b, aumentando g valores de 540 nm a 780 nm, las resonancias se desplazan al rojo de 613,6 nm a 731,2 nm. La Figura 5c, d muestra las relaciones correspondientes de resonancias, g valores, y los correspondientes valores FWHM de la Fig. 5a, b, respectivamente. Las resonancias se desplazan al rojo de forma bastante lineal. Los coeficientes de corrección correspondientes son 0,99864 y 0,99950 para dos casos, respectivamente. Para el caso de D _y =350 millas náuticas, t =210 nm, el rango de sintonización es 87,6 nm y el valor medio de FWHM es 3 nm, como se muestra en la Fig. 5c. Mientras que para el caso de D _y =450 nm, t =280 nm, el rango de sintonización es de 117,6 nm y el valor medio de FWHM es de 4 nm, como se muestra en la Fig. 5d. Puede verse que el valor de FWHM más estrecho es de 1,5 nm a la longitud de onda de 466 nm como se muestra en la Fig. 5a y que es de 3,2 nm a la longitud de onda de 615 nm como se muestra en la Fig. 5b. Se comparan con los resultados de los diseños TAM propuestos, los valores FWHM de TLNM se mejoran 10 veces al menos manteniendo la absorción perfecta. Es una gran mejora del rendimiento óptico mediante el uso de la metasuperficie LN. Estos resultados indican que TLNM se puede utilizar potencialmente en muchas aplicaciones, como filtros de color ultrasensibles, absorbentes, detectores y sensores de acuerdo con estas características extraordinarias de banda ultra estrecha, absorción perfecta y amplio rango de sintonía.

Espectros de reflexión de TLNM. Los parámetros están optimizados para el rango máximo ajustable en las condiciones de a D _y =350 millas náuticas, t =210 nm, b D _y =450 nm, t =280 nm. c , d Las relaciones de resonancias, g valores y valores FWHM correspondientes de a y b , respectivamente

Para investigar más a fondo si los dispositivos TAM y TLNM se pueden implantar en aplicaciones prácticas, por ejemplo, sensores ambientales, se exponen en el entorno circundante con diferentes índices de refracción ambiental ( n ). La Figura 6 muestra los espectros de reflexión de TAM expuestos en el entorno circundante con diferentes índices de refracción de 1.0 a 1.3. Las dimensiones geométricas de TAM se mantienen tan constantes como D _x =110 millas náuticas, D _y =200 nm y g =450 nm. Hay dos resonancias desplazadas al rojo con rangos de sintonización de 84,6 nm ( ω ₁ ) y 172,1 nm ( ω ₂ ). Las relaciones de resonancias y n los valores se resumen en la Fig. 6b. Las sensibilidades se calculan como 246,7 nm / RIU y 481,5 nm / RIU, y las cifras de méritos correspondientes (FOM) son 11 y 14 para la primera resonancia ( ω ₁ ) y segunda resonancia ( ω ₂ ), respectivamente. Estas sensibilidades más altas son causadas por el estrecho FWHM de resonancias, que son 21,6 nm ( ω ₁ ) y 34 nm ( ω ₂ ). Estas características son muy adecuadas para aplicaciones pragmáticas de detección.

un Espectros de reflexión de TAM expuestos en el entorno circundante con diferentes índices de refracción ( n ). b La relación de resonancias y n valores

Sin embargo, el inconveniente es que la intensidad de reflexión de ω ₁ es relativamente alto y el de ω ₂ aumenta a más del 20% como n aumenta a 1,3. Para superar esta limitación, TLNM está diseñado para poseer propiedades ópticas estables debido a las caracterizaciones de la metasuperficie LN. La Figura 7 muestra los espectros de reflexión de TLNM expuestos en el entorno circundante con diferentes n valores en las condiciones de D _y =350 millas náuticas, t =210 nm, g =490 nm y D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm como se muestra en la Fig. 7a, b, respectivamente. En la Fig. 7a, las resonancias de TLNM con D _y =350 millas náuticas, t =210 nm, g =490 nm se desplazan al rojo con un rango de sintonización de 58,4 nm al aumentar n valores de 1.0 a 1.2. Mientras que las resonancias de TLNM en las condiciones de D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm se desplazan al rojo con un rango de sintonización de 78,2 nm al aumentar n valores de 1.0 a 1.2. Dentro de estos dos casos, TLNM exhibe una absorción casi perfecta, donde la fluctuación de la intensidad de la reflexión es menor al 5%. Los espectros de reflexión son más estables que los de TAM. Las relaciones de resonancias y n los valores se representan en la Fig. 7c, d para los dos casos, respectivamente. Para la condición de TLNM con D _y =350 millas náuticas, t =210 nm, g =490 nm, la sensibilidad y el valor medio de FWHM son 291,4 nm / RIU y 3 nm, respectivamente. La FOM correspondiente se calcula como 97 como se muestra en la Fig. 7c. Para la condición de TLNM con D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm, la sensibilidad y el valor medio de FWHM son 390,3 nm / RIU y 4 nm, respectivamente. La FOM correspondiente se calcula como 97,5 como se muestra en la Fig. 7d, que se mejora 7 veces en comparación con la de TAM que se muestra en la Fig. 6. Significa que TLNM muestra un mejor rendimiento de detección para ser utilizado en las aplicaciones de sensores ambientales.

Espectros de reflexión de TLNM expuestos en el entorno circundante con diferentes índices de refracción ( n ) bajo las condiciones de a D _y =350 millas náuticas, t =210 nm, g =490 nm, b D _y =450 nm, t =280 nm, g =580 nm. c , d Las relaciones de resonancias, n valores y valores FWHM correspondientes, respectivamente

Conclusión

En conclusión, presentamos dos diseños de filtro de color sintonizable de alta eficiencia basado en metasuperficies rectangulares suspendidas de Al y LN elípticas sobre sustrato de Si recubierto con una capa de espejo de Al encima. Al alterar diferentes composiciones de D _x , g y t valores de TAM y TLNM, las respuestas electromagnéticas pueden realizar una absorción perfecta con una eficiencia ultra alta que abarca todo el rango espectral visible. Al aumentar g valores, las resonancias de TAM y TLNM se pueden sintonizar 110,7 nm y 117,6 nm, respectivamente. Para la aplicación de detección ambiental, TAM exhibe una sensibilidad ultra alta de 481.5 nm / RIU y TLNM exhibe un valor FOM ultra alto de 97.5. La FWHM de TLNM se mejora 10 veces como máximo y la FOM se puede mejorar 7 veces en comparación con las de TAM. De acuerdo con las características antes mencionadas de banda ultra-estrecha, especialmente FWHM de 3 nm para TLNM, absorción perfecta y un amplio rango de sintonía que rara vez se reportan en el espectro visible simultáneamente mediante la implantación de metasuperficie de Al o LN, indica que los dispositivos propuestos pueden ser potencialmente utilizado en muchas aplicaciones tales como filtros de color ultrasensibles con alta pureza de color, alta resolución para técnicas de visualización e imágenes, absorbentes sintonizables de alta eficiencia deseables en ópticas integradas, sensores de índice de refracción, etc. Entre estas aplicaciones, TLNM exhibe un rendimiento con mayor FOM y FWHM más estrecho, mientras que TAM posee una mayor sensibilidad para los sensores de índice de refracción.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Abreviaturas

MCF:

Filtros de color de metauperficie

LN:

Niobato de litio

TAM:

Metasuperficie de aluminio ajustable

TLNM:

Metasuperficie ajustable de LN

F-P:

Fabry-Perot

FOM:

Figura de mérito

IR:

Infrarrojos

THz:

Terahercios

FDTD:

Dominio de tiempo de diferencia finita

PML:

Capa perfectamente combinada

Heterounión 2D / 2D del esquema R Ti3C2 MXene / MoS2 Nanoheets para un rendimiento fotocatalítico mejorado Absorbedor solar asistido por nanoantenas y semiconductores para captura de luz de banda ultra ancha