Всенаправленный поглотитель за счет эффекта плазмона пустоты в видимой области со значительно усиленным локализованным электрическим полем

Фон

Поверхностный плазмонный резонанс (ППР), который представляет собой когерентные колебания электронов на границах раздела благородных металлов и диэлектрических материалов, может повысить эффективность поглощения света благородными металлами [1]. В настоящее время поглотители на основе ППР широко исследуются с различными плазмонными системами, включая массивы решеток [2,3,4,5,6,7,8,9], металлические наночастицы [10,11,12,13,14 , 15,16,17,18,19,20,21] и наноотверстия в металлических пленках [22,23,24,25]. Изменяя геометрические и физические параметры, такие как форма, размер и материал конструкций, а также диэлектрическая среда, можно эффективно контролировать и улучшать свойства поглощения в видимой области. В общем, распространяющиеся поверхностные плазмоны (PSP) и локализованные поверхностные плазмоны (LSP) принадлежат к SPR. Металлические наночастицы обычно связаны с эффектом LSP, в то время как перфорация на металлической пленке может вызывать как эффект PSP, так и эффект пустого плазмона (VP). VP представляют собой один из типов LSP, связанных с наноразмерными структурами, которые могут поддерживать электромагнитный дипольный резонанс, подобный резонансу металлических наночастиц [26, 27]. Эффект PSP в поглотителях на основе массива наноотверстий может не только устранить недостатки поляризационной чувствительности в поглотителях на основе одномерных металлических решеток, но также реализовать почти идеальное поглощение на той же длине волны в видимой области, используя больший размер элементов наноструктур по сравнению с к устройствам на основе массивов наночастиц. Принимая во внимание вышеупомянутые преимущества, механизм поглощения эффекта PSP в структурах массива наноотверстий был широко исследован и опубликован [22,23,24,25]. Однако поглощение, вызванное эффектом PSP, очень чувствительно к углу падения из-за своего внутреннего механизма [28], который снижает общую эффективность поглощения в поглотителях. Напротив, поглощение, вызванное эффектом VP, нечувствительно к углу и поляризации падающего света. Между тем, поскольку он чувствителен к окружающей диэлектрической проницаемости, положение пика резонансного поглощения можно регулировать путем изменения материалов окружающей среды, показывая потенциал для дифференциации показателя преломления окружающих материалов. Таким образом, систематическое изучение эффекта VP имеет большое значение [25, 29,30,31,32]. Тем не менее, эффективность поглощения, вызванная VP, обычно ниже, чем эффективность, достигаемая с помощью других эффектов, например эффекта Фабри-Перо (FP) в структуре металл-изолятор-металл (MIM).

В этой статье систематически исследовался широкоугольный и высокоэффективный поглотитель, состоящий из перфорированной металлической пленки и заземленной металлической плоскости, разделенных диэлектрическим слоем. Комбинация и взаимодействие резонанса FP в спейсере и эффекта VP в наноотверстиях приводит к повышению эффективности поглощения до 99,8%. Кроме того, пиком поглощения, вызванного эффектом VP, можно управлять путем изменения структурных или физических параметров, таких как толщина перфорированной металлической пленки, период массивов наноотверстий и показатель преломления окружающей среды. Кроме того, положение резонансной длины волны нечувствительно к длине края квадратного наноотверстия и углу падения света. Стоит упомянуть, что предлагаемое устройство может также работать как датчик, определяющий показатель преломления окружающей среды, где можно получить добротность (FOM) 3,16 (которая совместима с показателями обычных металлических наночастиц [33, 34]). . Результаты, представленные в этой работе, могут расширить сферу действия механизма поглощения и могут предоставить новый способ разработки поглотителей, которые могут иметь потенциальное применение, например, в солнечных элементах, фотодетекторах и тепловых излучателях.

Методы

Структура сконструированного поглотителя схематически проиллюстрирована на рис. 1, который содержит верхний слой серебра, измельченный решеткой с квадратными отверстиями, диоксид алюминия (Al ₂ О ₃ ) средний слой и нижний серебряный слой. Толщина каждого слоя обозначается как h . ₁ , h ₂ , и h ₃ соответственно ( h ₃ предполагается, что он намного больше, чем толщина скин-слоя серебра, что предотвращает передачу света от нижнего слоя серебра). Период и длина края квадратных отверстий в верхнем слое обозначаются как p . и w , соответственно. Модель Лортенца – Друде используется для описания оптических констант серебра [35]. Показатель преломления Al ₂ О ₃ установлен как n _d =1,76. Метод конечных разностей во временной области (FDTD) был использован для исследования оптических свойств структуры. Во всех расчетах область моделирования была установлена ​​как 200 × 200 × 2000 нм ³ в трех измерениях (где 200 нм - период решетки). Граничные условия периода задаются в x - и y-направление, а идеально согласованный слой (PML) устанавливается в z -направление. Достаточно мелкая сетка (1 × 1 × 1 нм ³ ) используется для расчета эффективности поглощения и распределения электрического поля с высоким пространственным разрешением. Мы установили время моделирования равным 1000 фс, чтобы убедиться, что поля полностью распадаются до окончания моделирования.

Схематическое изображение предлагаемого поглотителя на основе массива наноотверстий

Результаты и обсуждение

Без ограничения общности геометрические параметры задавались как p =200 нм, ширина =60 нм, h ₁ =20 нм, h ₂ =250 нм и h ₃ =200 нм. Предположим, во-первых, что на конструкцию нормально падает плоская волна. Черная линия на рис. 2а представляет рассчитанный отклик поглощения. По сравнению с поглотителем FP без периодических массивов нанотверстий в верхнем слое, появляется новый пик поглощения около 635 нм с эффективностью поглощения до 99,8%. Чтобы понять происхождение этого нового пика поглощения, рассчитаны спектры поглощения различных комбинаций трех слоев вместе с плоской серебряной пленкой толщиной 20 нм, которые показаны на рис. 2b. Без нижнего отражающего серебряного слоя пики, соответствующие резонансу FP, смещаются в сторону большей длины волны и имеют низкую эффективность поглощения (см. Рис. 2b; TL + ML) из-за изменения фазы отражения на нижней границе раздела и утечки энергии через передачу. Когда средний слой удаляется, резонансные пики FP в конечном итоге исчезают, и новый пик поглощения показывает большой сдвиг в синий цвет от 635 до 482 нм (см. Рис. 2b; TL). Гигантский синий сдвиг связан с изменением показателя преломления диэлектрических материалов окружающей среды при удалении среднего слоя. При дальнейшем удалении массивов наноотверстий (см. Рис. 2b; плоская серебряная пленка толщиной 20 нм) резкий пик поглощения около 482 нм исчезает. Следовательно, новый пик поглощения, расположенный на 635 нм, коррелирует с наноотверстиями в верхнем металлическом слое, где положение пика и эффективность поглощения изменяются за счет связи резонанса VP и резонанса FP. Новый пик также чувствителен к показателю преломления окружающих материалов, что указывает на то, что он связан с плазмонным эффектом (PSP или VP). Для дальнейшего подтверждения механизма нового пика поглощения выполняются численные расчеты для анализа возможного режима PSP спроектированных структур. Показано, что максимальная резонансная длина волны для моды PSPs (0, 1) на границе раздела серебро / диэлектрик составляет 480 нм, что намного меньше пика резонансного поглощения при 635 нм. Поэтому мы считаем, что новый пик возникает из-за ВП эффекта наноотверстий.

а Расчетные спектры поглощения предложенного поглотителя на основе массива наноотверстий по сравнению с поглотителем FP без наноотверстий в верхнем слое. б Рассчитаны спектры поглощения с использованием различных комбинаций трех слоев, а также 20 нм серебра. TL, верхний слой; ML, средний слой; BL, нижний слой

Зависимость положения пика поглощения от углов падения может также служить убедительным доказательством различения механизма поглощения между PSP и эффектом VP. Чтобы узнать дисперсию эффекта ВП и усилить нашу предыдущую интерпретацию, мы численно исследуем зависящую от угла дисперсию моды ВП. Расчетные контуры поглощения для предлагаемого поглотителя для поперечной электрической (TE) и поперечной магнитной (TM) поляризации показаны соответственно на рис. 3a и b в зависимости от длины волны и угла падения. Для TE поляризации, как угол падения θ увеличивается, пик поглощения VP не смещается, в то время как другие три пика резонансного поглощения FP смещаются в сторону более короткой длины волны. Пиковое смещение резонанса FP можно понять с помощью следующего условия резонанса (состояния стоячей волны в среднем слое диэлектрика):

где φ ₁ и φ ₂ - фазовые сдвиги на границах верхней и нижней границы резонатора и m целое число. Кроме того, для TM поляризации пик поглощения VP показывает небольшое красное смещение при увеличении угла падения. Три пика резонансного поглощения FP представляют собой синий сдвиг, который такой же, как и для TE поляризации. Чтобы выяснить механизм поглощения, вызванный резонансным режимом VP, мы думаем, что поглощение, вызванное резонансным режимом VP, включает два процесса. Первый процесс - это возбуждение резонансной моды ВП падающим светом. Когда собственная резонансная частота структуры наноотверстий совпадает с частотой падающего света, колебания электронов проводимости на границе раздела не имеют отношения к поляризации и углу падающего света. Затем второй процесс - это излучение «резонансного диполя», модулированного резонатором FP. Поскольку возбуждение и излучение не зависят от поляризации и угла падения, положение пика поглощения, вызванного резонансной модой VP, не изменяется в зависимости от угла падения и поляризации.

Расчетные контуры поглощения предлагаемого поглотителя на основе массива наноотверстий в зависимости от длины волны и угла падения: a TE и b Поляризация TM. Здесь конструктивные параметры поглотителя заданы как p =200 нм, ширина =60 нм, h ₁ =20 нм, h ₂ =250 нм и h ₃ =200 нм

Распределение пиков поглощения в электромагнитном поле позволяет лучше понять природу поглощения резонанса FP и VP. Расчетное пространственное распределение электрического поля (верхние панели) и магнитного поля (нижние панели) для различных длин волн пиков поглощения показано на рис. 4 (для нормального падения света). Для режима резонанса FP (372 нм, 546 нм и 1113 нм) электрическое поле и магнитные поля ограничиваются и усиливаются в среднем слое, и формируются различные порядки резонанса, соответствующие определенным рисункам. На диаграммах электрического и магнитного поля видно, что резонансная мода первого порядка располагается на длине волны 1113 нм, резонансная мода второго порядка - на 546 нм, а резонансная мода третьего порядка - на 372 нм. Напротив, для моды VP на 635 нм электрическое поле значительно усиливается и локализуется на краях отверстий, как показано на рис. 4c. По сравнению с падающим светом максимальная напряженность электрического поля | E | ² «горячих точек» увеличилось в 2284 раза. Сильно увеличенная напряженность электрического поля полезна для большого числа потенциальных приложений. Более того, распределение магнитного поля демонстрирует, что магнитное поле в основном ограничено вблизи верхней границы полости, что согласуется с локализованным характером моды VP (см. Рис. 4g).

Расчетные пространственные распределения электрического поля ( a - г ) и магнитный ( e - ч ) поля для нормального падения света. Длина волны падающего света составляет 372 нм ( a , e ), 546 нм ( b , f ), 635 нм ( c , г ) и 1113 нм ( d , ч ). Черными штриховыми линиями обозначено поперечное сечение конструкции. Здесь параметры структуры установлены как p =200 нм, ширина =60 нм, h ₁ =20 нм, h ₂ =250 нм, h ₃ =200 нм и ε ₂ =3,1

В определенных условиях резонансы FP и VP могут взаимодействовать друг с другом, вызывая сильную гибридную модовую характеристику. Чтобы предположить связь между резонансами FP и VP, необходимо указать зависимость характеристик поглощения от толщины h ₂ среднего диэлектрического слоя исследуется путем непрерывной настройки h ₂ от 20 до 500 нм. Результаты представлены на рис. 5а. По мере того, как толщина диэлектрического слоя становится толще, длина волны резонансной моды FP увеличивается (черные пунктирные линии), что согласуется с предсказанием уравнения. (1). Как только длина волны резонанса FP перекрывается с длиной волны резонанса VP (белая пунктирная линия), режимы резонанса FP и VP объединяются в гибридную резонансную моду FP-VP. Стоит отметить, что режим резонанса ВП может исчезнуть, когда он при определенных условиях близок к режиму резонанса ФП. В отсутствие режима резонанса VP сильное поглощение происходит в резонансе полости FP, что также соответствует деструктивной интерференции между светом, отраженным от верхнего слоя серебра (с дополнительной потерей фазы на полуволне), и светом, отраженным от нижний серебряный слой. Когда длина волны резонансной моды FP приближается к резонансной моде VP, свет сначала поглощается структурами с наноотверстиями, вызывая коллективные колебания электронов зоны проводимости около наноотверстий серебра. Впоследствии, как колеблющиеся диполи, наноотверстия могут излучать вверх и вниз. Восходящий свет будет конструктивно интерферировать с отраженной составляющей нисходящего света (отраженной нижним слоем серебра). Таким образом, когда режим резонанса VP совпадает с режимом резонанса FP, деструктивная интерференция выходящего света может быть перенесена на конструктивную интерференцию. Этот сценарий приводит к сильному отражению и отсутствию поглощения на рис. 5а (см. Синие области вдоль белой пунктирной линии). Также наблюдается, что при толщине диэлектрического слоя h ₂ меньше 50 нм, эффективность поглощения, вызванная VP, ниже, а длина волны показывает красное смещение. Когда толщина диэлектрика h ₂ При значительном уменьшении изображение ВП через поверхность раздела зеркала с металлом будет соединяться с ВП верхнего металлического слоя, что приведет к уменьшению энергии мод зеркальной связи и увеличению резонансной длины волны. Красное смещение пика поглощения, вызванное более сильным эффектом зеркальной связи, также подтверждено существующей литературой [36, 37]. Также исследуется абсорбционная характеристика предлагаемого поглотителя для различной толщины верхнего металлического слоя, как показано на рис. 5b. Ясно, что длину волны пиков поглощения, вызванных резонансом эффекта VP, можно легко отрегулировать, изменив толщину верхнего слоя. В качестве верхнего металлического слоя толщиной h ₁ уменьшается, пик поглощения показывает очевидное красное смещение, предполагая, что мода VP чувствительна к толщине верхнего слоя. Кроме того, с уменьшением толщины верхнего металлического слоя вторая мода FP показывает небольшое красное смещение, и амплитуда пика поглощения постепенно уменьшается. Эта особенность, связанная со второй резонансной модой FP, аналогична таковой для чистого трехслойного поглотителя без массивов нанотверстий [38]. Однако, когда толщина верхнего слоя уменьшается до h ₁ =10 нм, наблюдается расщепление пиков (около 600 нм), которого нет в чистых трехслойных поглотителях.

а Расчетный контур поглощения для предлагаемого поглотителя на основе массива наноотверстий в зависимости от длины волны и толщины разделительного слоя h ₂ . Черная пунктирная линия представляет резонанс FP, а белая пунктирная линия представляет режим VP. На вставке показаны изображения (штриховые прямоугольники) верхнего металлического слоя по отношению к поверхности раздела зеркального металла (белая штриховая линия). б Расчетное поглощение предлагаемого поглотителя на основе массива наноотверстий в зависимости от h ₁ изменяется от 10 до 30 нм. c Расчетный контур поглощения для предлагаемого поглотителя на основе массива наноотверстий в зависимости от w с p =200 нм. г Расчетный контур поглощения для предлагаемого поглотителя на основе массива наноотверстий в зависимости от p с w =60 нм

Также рассчитано геометрическое влияние наноотверстий на свойства ВП. На рис. 5в период решетки дырок p фиксируется на 200 нм, а ширина отверстия w изменяется с 50 до 150 нм. Для пиков поглощения FP, когда w увеличивается, резонанс моды первого порядка на 1113 нм показывает красное смещение, в то время как положение моды второго порядка на 546 нм и моды третьего порядка на 372 нм практически не изменяется. Кроме того, наблюдается красное смещение эффекта VP с увеличением w , поскольку электроны будут испытывать большее время при колебаниях между двумя сторонами пустоты (когда ширина отверстия w достаточно больше, связь в ближнем поле между двумя пустотами также будет присутствовать [39]). На рис. 5г показано влияние периода решетки на абсорбционные свойства эффекта ВП. Здесь w фиксируется на 60 нм и p изменяется от 100 до 500 нм. Для пиков резонансного поглощения ФП, когда p увеличивается, резонансная мода первого порядка на 1113 нм показывает красное смещение, когда p меньше 200 нм и остается неизменным при p больше 200 нм. Красное смещение для меньшего p ( p <200 нм) связано с изменением эффективного среднего показателя преломления верхнего слоя с p (или соотношение сторон w ² / p ² ). Но когда p больше 200 нм, на эффективный средний показатель преломления редко влияет малый размер пор. Резонансная мода второго порядка на 546 нм и резонансная мода третьего порядка на 372 нм не показывает сдвига, когда p изменения. Для второго режима FP, когда p больше, чем 300 нм, будут присутствовать множественные появившиеся узкие пики поглощения, которые можно отнести к эффекту PSP. Когда речь идет о пике поглощения VP (~ 635 нм), наблюдается красное смещение, и эффективность поглощения становится меньше как p растет. Подобное явление также наблюдалось для поглотителей на основе массива наночастиц, а красное смещение возникает из-за дальнодействующего дипольного взаимодействия [40]. Кроме того, мы также обнаружили, что сильная связь резонанса VP может подавлять ближайший эффект FP. Это явление наблюдается в ситуации, когда w выше 100 нм или p меньше 150 нм, как показано на рис. 5c и d. В общем, красное смещение пика поглощения VP соответствует увеличению w или p .

Поскольку мода VP ограничена около наноотверстий, положение пика поглощения, вызванного эффектом VP, зависит от показателя преломления материала в отверстиях. Этот эффект можно использовать для создания датчика для определения диэлектрической проницаемости окружающей среды. Спектры отражения для различных показателей преломления материалов в наноотверстиях были рассчитаны и представлены на рис. 6а. Окружающий показатель преломления изменен с n =1,332 (вода) до n =1,372 (минорный раствор глюкозы) с интервалом Δ n =0,01. Пики резонансного поглощения FP практически не имеют отношения к окружающему показателю преломления. Напротив, как и характеристики LSP, пик поглощения VP показывает зависимость от окружающего показателя преломления материала. Чтобы измерить производительность плазмонного датчика, можно использовать величину, называемую добротностью (FOM). FOM определяется как чувствительность S _λ делится на ширину линии Γ ; здесь S _λ часто обозначается просто Δ λ / RIU (на единицу изменения показателя преломления) и Γ - полная ширина на полувысоте (FWHM). В расчетах мы используем более точное дифференциальное частное с Δ n =0,01 для n =1,332, n =1,342, n =1,352 и n =1,362. Рисунок 6b показывает, что максимальная чувствительность по сдвигу длины волны на единицу показателя преломления составляет ≈ 186 нм / RIU. В нашем случае ширина резонансной линии VP-моды составляет ≈ 59 нм, что приводит к максимальному FOM ≈ 3.16. Значение FOM в нашей работе совместимо с зарегистрированными устройствами на основе металлических наночастиц [33, 34] (экспериментальный FOM =0,8–5,4), а также с недавно опубликованными структурами металлических решеток с теоретическим значением FOM 2 [41]. Однако это намного ниже теоретических результатов, достигнутых с помощью очень сложных наноструктур [42, 43].

а Спектры отражения при нормальном падении предлагаемого поглотителя на основе массива наноотверстий с показателем преломления отверстия ( n ) меняется с 1.332 на 1.372. Параметры конструкции и материала установлены как h ₁ =20 нм, h ₂ =250 нм, h ₃ =200 нм, ε ₂ =3,1, p =200 нм и w =60 нм. б Положение провала отражения и вычисленный FOM как функция показателя преломления дырок ( n =1,332–1,362)

Выводы

В заключение, мы систематически исследовали эффект ВП в трехслойном поглотителе на основе массива наноотверстий с использованием метода FDTD. Благодаря эффекту VP на резонансной длине волны может быть достигнута высокая эффективность поглощения до 99,8% и сильно увеличенная напряженность электрического поля (увеличенная в 2284 раза). Высокая эффективность поглощения также достигается за счет гибридизации между режимами FP и VP. С помощью моделирования доказана интенсивность влияния ВП на поляризацию света и угол падения, а также исследована зависимость эффекта ВП от структурных параметров. Кроме того, режим VP имеет максимальное значение FOM, равное 3,16, что может быть полезно для создания плазмонных датчиков для определения диэлектрической проницаемости окружающей среды. Систематическое исследование, представленное в этой статье, подчеркивает отсутствие механизма поглощения, основанного на эффекте VP, и предлагает новую конструкцию высокоэффективных и многофункциональных поглотителей.

Сокращения

FDTD:

Конечная разность во временной области

FOM:

Достоинства

FP:

Фабри – Перо

LSP:

Локализованные поверхностные плазмоны

MIM:

Металл-изолятор-металл

PML:

Идеально подобранный слой

PSP:

Распространение поверхностных плазмонов

SPR:

Поверхностный плазмонный резонанс

TE:

Поперечный электрический

TM:

Поперечный магнитный

Вице-президенты:

Плазмоны пустоты