Нечувствительное к углу широкополосное улучшение поглощения графена с использованием метаповерхности с множеством канавок

Фон

Графен был продемонстрирован как хороший кандидат для оптоэлектронных устройств из-за его замечательных электронных, механических и настраиваемых оптических свойств [1,2,3]. Для многих приложений, таких как фотодетекторы и солнечные элементы, требуется сильное поглощение графена, чтобы генерировать большое количество электронно-дырочных пар и производить большой фототок [4, 5]. От терагерцового до среднего инфракрасного диапазонов графен ведет себя как металл и может функционировать как хороший поглотитель из-за его сильного плазмонного отклика [6,7,8]. Напротив, в видимой и ближней инфракрасной областях графен демонстрирует почти независимое от длины волны поглощение около 2,3% при нормальном падении [9], что серьезно ограничивает его дальнейшее применение в фотоэлектрическом обнаружении.

В последние годы были предложены различные подходы для увеличения поглощения света графеном в видимой и ближней инфракрасной областях, а физические механизмы, лежащие в основе увеличения поглощения графена, включают эффект близкой к нулю эпсилон [10], объемный резонанс [11, 12,13], ослабленное полное отражение [14], резонанс с управляемыми модами [15,16,17,18], критическая связь [19,20,21], резонанс Фано [22, 23], плазмонный резонанс [24,25 , 26], и магнитный резонанс [27,28,29]. К сожалению, полосы пропускания этих поглотителей обычно узкие из-за их резонансной природы. Совсем недавно было показано, что полосу поглощения графена можно расширить за счет увеличения каналов поглощения света [30,31,32,33,34,35]. С одной стороны, используя патч-резонатор [30] или массив нанодисков Ag [31], можно добиться увеличения двухполосного поглощения света графеном. Больше каналов поглощения света графена может быть реализовано за счет увеличения толщины волновода [32], а широкополосное усиление поглощения графена возможно за счет использования множества массивов нанодисков Ag [33]. С другой стороны, угловые каналы поглощения графена могут быть увеличены за счет использования конфигурации ослабленного полного отражения [34], а усиленное поглощение графена в виде гребенки с угловой плотностью может быть получено путем возбуждения резонанса с направленной модой одного излучения. размерные фотонные кристаллы [35]. В реальных приложениях усиление связи свет-графен в широком спектральном диапазоне очень важно для таких устройств, как фотодетекторы и фотовольтаика. Однако исследований по усилению широкополосного поглощения графена в видимой и ближней инфракрасной областях очень мало, и очень желательны широкополосные поглотители из графена, не чувствительные к углу, которые покрывают всю видимую область.

В этой работе предлагается новый нечувствительный к углу широкополосный поглотитель из графена, покрывающий всю видимую область, путем объединения листа графена с метаповерхностью с множеством бороздок. Увеличенная полоса поглощения графена возникла из-за множественного взаимодействия электрического и магнитного дипольных резонансов, заключенных в полости канавки. Полосой поглощения графена можно гибко управлять, подбирая как количество, так и глубину канавок. Высокая эффективность поглощения может быть сохранена даже при значительном изменении параметров конструкции и угла падения.

Методы

На рисунке 1 показана схематическая диаграмма метаповерхности с множеством бороздок, освещенной плоской волной TM (вектор магнитного поля лежит вдоль y -ось) для усиления широкополосного поглощения графена без учета углов. Элементарная ячейка структуры состоит из плоского листа графена и узорчатой ​​серебряной пленки с пятью канавками, разделенными прокладкой из полиметилметакрилата (ПММА). Слой PMMA функционирует как буферный слой, который контролирует связь между графеном и узорчатой ​​серебряной пленкой, и его также можно легко перенести на поверхность с множеством канавок путем нанесения покрытия центрифугированием. Период элементарной ячейки Λ , толщина прокладки из ПММА составляет t , толщина нижней серебряной пленки составляет D , а подложка - кремнезем. Геометрия канавки описывается как его шириной w и его глубина. Ширина пяти канавок одинакова, а их глубина равна d ₁ , d ₂ , d ₃ , d ₄ , и d ₅ , соответственно. Показатель преломления ПММА равен 1,49 [36], а комплексные показатели преломления серебряной пленки взяты из Палика [37]. Плоский лист графена состоит из N слоев однослойного графена, а толщина листа графена составляет 3,4 нм как N =10 [11, 27]. Однослойный графен моделируется как бесконечно тонкая поверхность с поверхностной проводимостью σ _г рассчитывается по формуле Кубо [38, 39]. При конечной температуре его можно разделить на внутризонный и межзонный вклады:

а Принципиальная схема метаповерхности с множеством бороздок для нечувствительного к углам широкополосного поглощения графена. б Схема в разрезе элементарной ячейки конструкции

где e и ħ - элементарный заряд и приведенная постоянная Планка соответственно. к _B постоянная Больцмана, μ _c - химический потенциал, Γ =1/2 τ - феноменологическая скорость рассеяния, а τ - время релаксации импульса. Физические параметры графена заданы как μ _c =0,15 эВ, T =300 К и τ =0,50 пс.

При моделировании метод конечных разностей во временной области (FDTD) (численные решения FDTD) применяется для расчета абсорбционных свойств метаповерхности на основе графена с множеством бороздок. Периодические граничные условия (PBC) используются в x направления, а границы в z направление принимается как идеально согласованные слои (PML). Отражательная способность ( R ) и прозрачности ( T ) получаются двумя мониторами вверху и внизу конструкции. Нижняя серебряная пленка выбрана достаточно оптически толстой ( D =100 нм) для предотвращения пропускания света; следовательно, полное поглощение ( A ) конструкции можно сократить как A =1– R . Поглощение графена ( A _г ) можно рассчитать как [24]:

где P _вверх ( λ ) и P _вниз ( λ ) - мощности, проходящие через верхнюю и нижнюю плоскости графенового листа на длине волны λ , соответственно. P _в ( λ ) представляет собой падающую мощность на длине волны λ . В моделировании P _в ( λ ) - мощность источника света, и два монитора мощности вставляются в верхнюю и нижнюю плоскости графена, чтобы получить P _вверх ( λ ) и P _вниз ( λ ). Эти мощности извлекаются из общего поля при моделировании FDTD.

Результаты и обсуждения

На рисунке 2 показан спектральный отклик метаповерхности с множеством бороздок без графена и с графеном. Параметры структуры, такие как количество канавок, глубина и ширина канавки, а также толщина прокладки из ПММА, оптимизированы для получения увеличения широкополосного поглощения в видимой области. Как видно на рис. 2а, метаповерхность с множеством бороздок без графена может функционировать как плазмонный поглотитель, а поглощение света может быть увеличено в видимой области за счет эффекта поверхностного плазмона наноструктурированной серебряной пленки. См. Рис. 2b, где изображена метаповерхность с множеством бороздок с графеном, и поглощение света может быть значительно увеличено во всей видимой области. Среднее поглощение всей структуры достигает 92,7% в диапазоне длин волн 400–800 нм, что сопоставимо со многими плазмонными поглотителями как по эффективности поглощения, так и по ширине полосы поглощения [40,41,42,43]. Интересно, что световая энергия в основном рассеивается в графене, а не в серебре. Эффективность поглощения графена значительно увеличивается в расширенном диапазоне длин волн, а его средняя эффективность поглощения достигает 71,1% в спектральном диапазоне от 450 до 800 нм. Однако, поскольку мода поверхностного плазмона может быть возбуждена только посредством TM-поляризации, нет очевидного увеличения поглощения для метаповерхности с множеством бороздок при освещении TE-волной (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S1).

а Спектры метаповерхности с множеством штрихов без графена. б Спектры поглощения полной структуры, графена и серебра для многоствольной метаповерхности с графеном. Параметры: Λ =300 нм, t =5 нм, ширина =30 нм, D =100 нм, d ₁ =20 нм, d ₂ =35 нм, d ₃ =50 нм, d ₄ =80 нм, d ₅ =90 нм, N =10 и θ _c =0 °

Чтобы понять эффект увеличения широкополосного поглощения графена при освещении ТМ-волнами, исследуются распределения электрического и магнитного полей структуры для различных длин волн. Как видно на рис. 3, электрическое поле сильно сконцентрировано и усилено вокруг угла металлической канавки, а его направление почти параллельно направлению x -ось, соответствующая моде электрического дипольного резонанса [44, 45]. Напротив, магнитное поле сильно усилено в полости металлической канавки, и его направление перпендикулярно направлению xoz -плоскость, соответствующая моде магнитного дипольного резонанса [26, 46]. Электромагнитная связь электрического и магнитного дипольных резонансов в металлических канавках заметно увеличивает взаимодействие света с графеном, что приводит к усиленному поглощению света графеном. Обратите внимание, что место увеличения поля в основном сосредоточено в более мелкой канавке для коротких волн, и оно смещается в более глубокую канавку по мере увеличения длины волны; таким образом, множественные связи электрического и магнитного дипольных резонансов могут поддерживаться для структуры с множеством канавок с различной глубиной канавок, что приводит к широкополосному поглощению света графеном, который покрывает всю видимую область.

Нормированные распределения электрического и магнитного полей элементарной ячейки структуры на длинах волн 450 нм для ( a ) и ( b ); 600 нм для ( c ) и ( d ); 750 нм для ( e ) и ( f ). Вставленная белая штриховая область - это увеличенный вид канавок, а красные стрелки указывают направление электрического поля. Параметры конструкции такие же, как на рис. 2

Для дальнейшей идентификации местоположения пика поглощения графена на метаповерхности с множеством бороздок изучаются резонансные свойства структуры с одним бороздком. Для структуры с одной канавкой, показанной на вставке к рис. 4b, резонансная длина волны полости с канавкой при TM поляризации задается как [47]:

где M - номер режима, а M =1 в расчете; нет _eff - эффективный показатель преломления полости канавки, который может быть эквивалентен модовому показателю преломления волновода металл-изолятор-металл (MIM). Только основной режим TM ₀ может поддерживаться, потому что ширина канавки намного меньше длины волны, и соответствующий n _eff можно определить, используя дисперсию четных мод волновода MIM [48]:

где ε _d и ε _м - диэлектрические проницаемости ПММА и серебра соответственно; к ₀ - волновой вектор падающего света, β - постоянная распространения волноводной моды MIM, а n _eff = β / к ₀ .

Отклик поглощения графена для структуры с одной канавкой, как показано на вставке к рисунку. а Отклик поглощения графена в зависимости от глубины канавки. б FDTD - результат расположения пика поглощения графена в зависимости от глубины канавки, а теоретический результат - резонансная длина волны как функция глубины канавки. Параметры: Λ =300 нм, t =5 нм, N =10 и w =30 нм

Как видно на рис. 4а, для структуры с одной канавкой эффективность поглощения графена увеличивается с увеличением глубины канавки, а пик поглощения графена также смещается в сторону большей длины волны. Как видно на рис. 4б, положения пиков поглощения графена хорошо согласуются с теоретическими результатами по резонансной длине волны полости канавки. Наклон результата FDTD составляет 8,48, что близко к наклону теоретического результата 10,46. Согласно формуле. Согласно (5) положение пика поглощения графена смещается в красную сторону с увеличением глубины канавки, и он охватывает всю видимую область, поскольку глубина канавки изменяется в диапазоне 20–90 нм. Следовательно, положение пика поглощения графена можно регулировать глубиной канавки, и широкополосное поглощение графена может быть реализовано, если несколько канавок с различной глубиной канавок интегрированы в элементарную ячейку структуры, что дополнительно подтверждает физический механизм широкополосное поглощение света графеном для метаповерхности с множеством бороздок. Однако для фиксированного периода и фиксированной ширины канавки это не означает, что чем больше количество канавок, тем лучше будут характеристики поглощения графена (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S2). Таким образом, характеристиками поглощения графена можно гибко управлять, подбирая как количество, так и глубину канавки для конфигурации с несколькими канавками.

Чтобы дополнительно оценить характеристики поглощения графена, интегрированного с метаповерхностью с множеством бороздок, мы сначала исследовали влияние толщины разделительного слоя на поглощение света графеном. Как видно на рис. 5, абсорбционная характеристика графена устойчива к изменению толщины разделительного слоя, и широкая полоса поглощения может сохраняться при увеличении толщины разделительного слоя с 5 до 20 нм. . По мере увеличения толщины разделительного слоя полоса поглощения графена смещается в сторону большей длины волны из-за увеличения оптической толщины структуры. Кроме того, поскольку разделительный слой выполняет функцию буферного слоя, который управляет электромагнитной связью между металлической канавкой и графеном, средняя эффективность поглощения графена уменьшается с увеличением толщины разделительного слоя.>

Отклик поглощения графена в зависимости от толщины разделительного слоя для структуры с множеством бороздок, а другие параметры такие же, как на рис. 2

На рисунке 6 показано влияние количества монослойного графена и ширины канавки на поглощение света графеном, и можно увидеть, что характеристики поглощения графена устойчивы к вариациям как N и w . На рис. 6а поглощение света графеном может заметно увеличиваться, если количество монослойного графена увеличивается до 10; однако общее усиление абсорбции замедляется для N > 10, и он станет насыщенным как N увеличивается до 30. Поглощение света графеном не всегда увеличивается с увеличением количества монослоя графена, и подобное явление также может наблюдаться в решетках волноводного резонанса на основе графена [49]. На рис. 6b видно, что полоса поглощения смещается в синюю сторону при увеличении ширины канавки, а среднее поглощение достигает своего максимума при расчетном значении w =30 нм как для всей структуры, так и для графена в видимой области. Поскольку электромагнитная связь электрического и магнитного дипольных резонансов в основном ограничена канавкой, отклонение от проектного значения ширины канавки на ± 10 нм заметно повлияет на характеристики поглощения метаповерхности с множеством канавок.

а Отклик поглощения графена как функция количества монослоя графена. б Спектры поглощения общей структуры и графена в зависимости от ширины канавки с N =10. Остальные параметры такие же, как на рис. 2

Мы также исследуем угловую устойчивость предлагаемого графенового поглотителя, интегрированного с метаповерхностью с множеством бороздок. На рис. 7 видно, что абсорбционная характеристика графена устойчива к изменению угла падения. Можно подсчитать, что средняя эффективность поглощения 61,5% может быть достигнута даже при θ _c =60 ° в спектральном диапазоне 450–800 нм, а полоса поглощения остается почти такой же, хотя угол падения существенно изменяется. Это связано с тем, что усиление широкополосного поглощения графена, интегрированного с метаповерхностью с множеством канавок, происходит из-за связи электрического и магнитного дипольных резонансов в полости с канавками, которая почти не зависит от изменения угла падения. Характеристики поглощения без учета угла очень важны, поскольку характеристики поглощения большинства поглотителей на основе графена обычно зависят от угла падения [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23 , 24,25, 28,29,30,31,32,33,34,35]. В отличие от предыдущих поглотителей на основе графена, предлагаемая структура обладает одновременно широкой полосой поглощения и нечувствительностью к углу, что очень желательно в различных областях, таких как всенаправленные поглотители.

Отклик поглощения графена как функция угла падения для структуры с множеством канавок, а другие параметры такие же, как на рис. 2

Выводы

В заключение предлагается нечувствительный к углу широкополосный поглотитель из графена, интегрированный с метаповерхностью с множеством бороздок, и численно исследованы его свойства поглощения света. Полоса поглощения графена покрывает всю видимую область, а средняя эффективность поглощения 71,1% может быть реализована в спектральном диапазоне от 450 до 800 нм. Расширенная полоса поглощения графена возникла из-за множественного взаимодействия электрического и магнитного дипольных резонансов, ограниченных в полости канавки, и ее механизм можно проверить, используя структуру с одной канавкой. Положение пика поглощения графена можно регулировать глубиной канавки, а шириной полосы поглощения графена можно гибко управлять, настраивая как количество, так и глубину канавки. На свойства широкополосного поглощения графена практически не влияет изменение толщины разделительного слоя, количества монослойного графена и ширины канавки. В частности, спектры поглощения света графена практически не изменяются даже под большими углами. Идея использования метаповерхности с множеством бороздок для расширения полосы взаимодействия между светом и графеном также может быть принята в ближней инфракрасной области и в других оптоэлектронных устройствах на основе графена.

Сокращения

FDTD:

Конечная разность во временной области

MIM:

Металл-изолятор-металл

КПБ:

Периодические граничные условия

файлы PML:

Идеально подобранные слои

PMMA:

Полиметилметакрилат