Настраиваемый двухдиапазонный и нечувствительный к поляризации когерентный идеальный поглотитель на основе гибридного двухслойного графенового волновода

Введение

Эффективное взаимодействие света с веществом, являющееся ключевым вопросом для нанофотоники и оптоэлектроники, в последние годы широко вызывает озабоченность [1, 2], особенно в случае атомарно тонких двухмерных (2D) материалов. Было продемонстрировано множество отчетов, таких как дихалькогениды переходных металлов (TMDC) [3, 4], графен [5,6,7,8,9], гексагональный нитрид бора [10], черный фосфор [11] и т. Д. . В качестве прототипа 2D-материала графен может взаимодействовать со светом в широком диапазоне длин волн (от ультрафиолета до терагерца). Однако из-за его естественной бесщелевой и конической электронной зонной структуры [12] эффективность поглощения света в графене составляет всего около 2,3%. К счастью, оптическую запрещенную зону графена можно расширить с помощью легирования или других специальных методов, которые приводят к возбуждению поверхностных плазмон-поляритонов (ПП) в терагерцовом и инфракрасном диапазонах [13]. Тогда поглощение и удержание света в графене можно значительно усилить из-за возбужденных плазмонных волн, которые могут продлить время взаимодействия между графеном и светом [14,15,16,17,18,19]. Таким образом, графеновые плазмонные устройства стали интересной и важной темой, и были продемонстрированы обширные исследования в различных областях, таких как поглотители [17, 18], оптические фильтры [20], сенсоры [21], модуляторы [22] и фотодетекторы. [23, 24].

В частности, среди этих устройств на основе графена оптический поглотитель играет важную роль в области разработки передовых оптоэлектронных устройств, таких как устройства для улавливания солнечной энергии и эмиттеры. Недавно из-за уникальных свойств графена появились сообщения о некоторых поглотителях на основе графена. Более того, как упоминалось выше, большинство этих поглотителей ориентировано на терагерцовый и инфракрасный режимы, потому что графен со специальными процессами может возбуждать плазмонно-плазменные волны, что приводит к сильным взаимодействиям света и графена в этих длинах волн [3]. Например, на основе графена Луо и др. [25] предложили перестраиваемый совершенный поглотитель со сверхузкой полосой, который может поддерживать удовлетворительные характеристики при широкоугольном падении. В исх. [16], внедрив однослойный графен в метаматериалы, Xiao et al. продемонстрировали, что аналог EIT реализован в терагерцовом режиме, и его резонансная интенсивность может гибко регулироваться в широком диапазоне. Jiang et al. В [26] был разработан, изготовлен и исследован широкополосный поглотитель на основе узорчатого графена в терагерцовом режиме, причем поглощение более 90% достигается в диапазоне от 1,54 до 2,23 ТГц. Чтобы управлять поверхностным плазмоном графена эффективным и доступным способом, Xia et al. предположил, что это может быть реализовано с помощью проводящей синусоидальной решетки с субволновым размером [19].

Важно отметить, что когерентный идеальный поглотитель (CPA), который является еще одним способом управления и усиления оптического поглощения графена, привлек большое внимание из-за полностью оптических модуляционных свойств [27, 28]. В зависимости от эффектов интерференции и взаимодействия поглощения, CPA предоставляет потенциальный метод управления светом без нелинейности. Y. D. Chong et al. теоретически исследовал CPA с матрицей рассеяния [29]. Вскоре два вида CPA были последовательно описаны в кремниевой пластине [30] и плоском метаматериале [31]. В последнее время CPA также интенсивно изучается в устройствах на основе графена. Например, в сочетании с центросимметричной наноструктурой металл-графен Y. Ning et al. [32] исследовали настраиваемый нечувствительный к поляризации CPA и показали, что поглощение можно гибко и полностью оптически модулировать за счет энергии Ферми графена и относительной фазы между падающими светами. Улавливая резонанс направленных мод в субволновой диэлектрической решетке, X. Feng et al. [33] реализовали настраиваемый CPA на основе графена, который может применяться в широком спектре покрытия от видимого до инфракрасного режимов. Y. C. Fan et al. [34] использовали метаповерхность на основе графеновых нанолент для CPA в среднем инфракрасном режиме и продемонстрировали, что этим CPA можно гибко управлять, изменяя свойства графена и структурные параметры метаповерхности. Однако двухзонный CPA на основе графена также имеет большое значение для устройств нанофотоники и оптоэлектроники, но редко исследуется в режиме среднего инфракрасного диапазона. Кроме того, вопрос о том, как улучшить его настраиваемость, также является проблемой, с которой сталкивается двухдиапазонный CPA.

В этой статье мы проектируем и изучаем настраиваемый двухдиапазонный и нечувствительный к поляризации CPA в среднем инфракрасном диапазоне, который содержит кремниевую решетку, соединенную в двухслойный графеновый волновод. Физический механизм сконструированного CPA анализируется с помощью матрицы рассеяния. Между тем, особенности предлагаемого CPA демонстрируются с помощью моделирования во временной области с конечной разностью (FDTD). Когда падающий свет попадает в кремниевую решетку, поскольку плазмонные резонансы на двойных непрерывных графеновых пленках могут возникать из-за механизма резонанса направленных мод, тогда эффект связи между ними приводит к идеальным пикам двухзонного поглощения, которые достигаются при длине волны 9611 нм и 9924 нм соответственно. Кроме того, благодаря своей центрально-симметричной особенности предлагаемый поглотитель также демонстрирует нечувствительность к поляризации. Кроме того, большинство описанных поглотителей на основе графена управляются только путем изменения свойств графена с помощью электростатического поля, магнитного поля или химического легирования, которые являются причинами дополнительных потерь, а также усложняют устройства. Для предлагаемого нами CPA когерентное поглощение может быть полностью оптически модулировано путем изменения относительной фазы между двумя светами, падающими в обратном направлении, что улучшает регулируемость поглотителя и не увеличивает сложность конструкции. Между тем, манипулируя энергиями Ферми двух слоев графена, два пика когерентного поглощения могут перемещаться в широком диапазоне спектра, и разработанная нами CPA также может быть изменена с двухзонного CPA на узкополосный CPA. Таким образом, наша работа обеспечивает очень многообещающий способ с удобством и чувствительностью для потенциальных приложений, включая переключатели, полностью оптические логические устройства и когерентные фотодетекторы.

Методы

Как показано на рис. 1, на подложке из диоксида кремния есть две непрерывные пленки графена, разделенные слоем диоксида кремния. Тем временем кремниевый массив помещается поверх верхней графеновой пленки. Здесь длина ( x -направление) и ширина ( y -направление) каждого кремниевого квадрата в массиве установлены как w =80 нм, как показано на рис. 1в. Между тем, оба периода кремниевых квадратов в x -направление и y -направления p =160 нм, а толщина ( z направление) кремниевого квадрата составляет h =100 нм. Кроме того, толщина диоксида кремния и подложки составляет d ₁ =75 нм и d ₂ =150 нм соответственно. Я ₁ и я ₂ , как два когерентных падающих света, одновременно излучаются на предлагаемый CPA с двух противоположных направлений, как показано на рис. 1a. Отношения между я ₁ и я ₂ это я ₂ = αI ₁ ехр ( iφ + ikz ), где α , φ , и z относительная амплитуда, разность фаз и опорная точка фазы между I ₁ и я ₂ , соответственно. О ₁ и O ₂ - возникающие огни, рассеивающиеся снизу и сверху предлагаемого CPA. Кроме того, в наших расчетах толщина двух графеновых пленок установлена ​​равной 0,34 нм, а проводимость двух графеновых пленок вычисляется в приближении локальной случайной фазы следующим образом [35]:

где T =300K - это комнатная температура, а E _f - энергия Ферми. Между тем, собственное время релаксации описывается как \ (\ tau =\ mu {E} _f / \ mathrm {e} {\ upsilon} _f ^ 2 \), где υ _f - скорость Ферми, а μ =10000 см ² V ^-1 s ^-1 мобильность носителя. Для предлагаемой нами структуры энергии Ферми верхней и нижней графеновых пленок приняты равными E _{f 1} =0,66 эВ и E _{f 2} =0,31 эВ соответственно.

а Принципиальная схема двухзонного идеального поглотителя на основе графена. б Вид сбоку с указанными размерами. c Вид сверху с указанными размерами

В моделировании мы используем метод 3D FDTD для численных расчетов. Между тем, периодические граничные условия применяются вдоль x - и y -направления, и идеально подобранный слой применяется по z -направление, включающее как верх, так и низ предлагаемого устройства. Более того, мы используем неоднородную сетку для вычисления результатов моделирования, где минимальный размер ячейки внутри графенового слоя равен 0,1 нм и постепенно увеличивается за пределами графеновой пленки, чтобы сократить пространство для хранения и время вычислений.

Результаты и обсуждение

Во-первых, чтобы четко объяснить физический механизм, мы исследуем поглощение предлагаемого CPA при нормальном освещении только одним падающим пучком I ₁ в z -направление. Поскольку CPA на основе графена находится в среде симметрии, объединенные коэффициенты отражения и передачи могут быть выражены как r = η и t =1 + η , соответственно, где η - самосогласованная амплитуда, связанная с гибридным графеновым волноводом. Таким образом, поглощение получается как A =1 - | r | ² - | t | ² =- 2 η ² - 2 η . Условие максимального поглощения: ∂A / ∂η =0 ( ∂A ² / ∂η ² является действительным и отрицательным), и мы получаем \ (\ eta =- \ frac {1} {2} \). Тогда предел максимального поглощения равен A _макс =0,5. В нашем моделировании, когда только один падающий луч I ₁ светится вертикально на предлагаемом поглотителе из-за плазмонных резонансов на двойных графеновых пленках, которые возникают при падающем свете через кремниевую решетку для механизма резонанса направленных мод, тогда эффект связи между двойными графеновыми пленками приводит к двойному -полосные пики поглощения, как показано на рис. 2. Однако оба пика поглощения меньше 0,5, что соответствует пределу поглощения.

Спектры отражения (R), пропускания (T) и поглощения (A) предложенного поглотителя на основе графена с энергиями Ферми E _{f 1} =0,66 эВ и E _{f 2} =0,31 эВ при освещении только одним падающим лучом I ₁ в z направление

Затем, когда я ₁ и я ₂ вертикально падающих на предлагаемую конструкцию с противоположных сторон, принципиальная схема представлена ​​на рис. 1а. Между тем, O ₁ и O ₂ также можно принять за интенсивности возникающих источников света снизу и сверху предлагаемого CPA. Взаимосвязь между падающим и выходящим светом демонстрируется матрицей рассеяния:

Когда достигается предел некогерентного поглощения (т. Е. r ₁₁ = r ₂₂ =- 0,5 и t ₁₂ = t ₂₁ =0,5), учитывая соотношение I ₂ = αI ₁ ехр ( iφ + ikz ) с z =0, когерентное поглощение A _co предлагаемого CPA на основе графена выражается как [36]:

Таким образом, согласно формуле. (3), А _co можно манипулировать, изменяя α и φ . В частности, если α =1, A _co можно настроить от минимума A _{co - min} =0 до максимального A _{co - max} =1, когда φ варьируется от (2 N + 1) π до 2 Nπ .

Как показано на рис. 3, когда два падающих света с φ =0 и α =1 когерентно освещены на предлагаемой структуре, двухполосные пики идеального поглощения могут быть достигнуты в λ ₁ =9611 нм и λ ₂ =9924 нм соответственно. Более того, по сравнению с поглощением при освещении только одним падающим лучом, поглощение предложенного CPA на основе графена было значительно увеличено. Стоит отметить, что из-за своей центрально-симметричной особенности предлагаемый CPA также демонстрирует нечувствительность к поляризации. Как показано на рис. 3, падающий свет с p или s поляризации, спектр поглощения остается прежним.

Спектры поглощения предлагаемого поглотителя на основе графена при освещении только одним падающим пучком (красная кривая) и при когерентном освещении p поляризация (синяя кривая) и s-поляризация (черная кривая)

Чтобы наглядно продемонстрировать особенности предлагаемого CPA, мы проиллюстрируем магнитные поля вокруг двухслойного графенового волновода на длинах волн пиков поглощения. Как показано на рис. 4a, b, магнитные поля вокруг двух слоев графена собираются и захватываются на длинах волн пиков поглощения. Однако для верхней графеновой пленки магнитные поля в основном ограничены между кремниевыми квадратами и верхней графеновой пленкой, что соответствует моде локализованного плазмона. Более того, после добавления еще одной графеновой пленки под верхней графеновой пленкой световая энергия будет передаваться от верхнего слоя к нижнему из-за резонанса направленных мод. Затем эффект связи между верхним слоем графена и нижним слоем усиливает оптические поля и концентрирует световую энергию в предлагаемой структуре, что приводит к пикам двухзонного поглощения, как показано на рис. 3. С другой стороны, на длине волны 9000 нм есть несколько усиленных оптических полей, окружающих две графеновые пленки, потому что это далеко от резонансных длин волн, как показано на рис. 4c.

Контурные профили нормированных магнитных полей предлагаемого CPA на основе графена ( a ) при λ ₁ =9611 нм, ( b ) λ ₂ =9924 нм и ( c ) λ ₃ =9000 нм

Далее, для демонстрации полностью оптических модуляционных характеристик, мы демонстрируем когерентное поглощение предлагаемого поглотителя с разными разностями фаз φ , как показано на рис. 5. Между тем, относительная амплитуда α когерентного падающего света устанавливается равным 1, а другие структурные параметры остаются такими же, как на рис. 1. Как показано на рис. 5a, b, при увеличении φ от 0 до π два пика поглощения при 9611 нм и 9924 нм непрерывно уменьшаются с 0,982 и 0,993 до почти 0 соответственно. Таким образом, контраст модуляции может достигать 34,8 дБ и 35,2 дБ на двух пиках когерентного поглощения с разными φ , который демонстрирует значительное свойство полностью оптической модуляции.

Поглощение предлагаемого CPA с разной разностью фаз на пиках a λ1 =9611 нм и b λ2 =9924 нм соответственно

Далее для нашей системы из четырех слоев (кремниевый массив-графеновый волновод / слой диоксида кремния / графеновая пленка / кремнеземная подложка) в сочетании с непрерывными граничными условиями и уравнениями Максвелла дисперсионное соотношение может быть выражено как [37]:

где, ε _я и k _я ( я =1, 2, 3, 4) - диэлектрические проницаемости и волновые векторы кремниевого массива-графенового волновода ( i =1), слой кремнезема ( i =2), графеновая пленка ( i =3) и кремнеземной подложки ( i =4) соответственно. г _г толщина графена. Таким образом, правильно манипулируя энергиями Ферми двух пленок графена, можно существенно и независимо контролировать особенности плазмонных мод, поддерживаемых двумя пленками графена. Как видно на рис. 6a, b, спектрами поглощения предлагаемого CPA можно гибко и отдельно управлять, изменяя энергии Ферми нижнего или верхнего слоя графеновой пленки. Когда энергия Ферми E _{f 1} верхнего слоя графена остается неизменной, а энергия Ферми E _{f 2} нижнего слоя графена уменьшается с 0,31 до 0,27 эВ, пик поглощения при λ ₁ сдвигается в красную область и сохраняет значение практически неизменным, в то время как пик поглощения на λ ₂ быстро уменьшается и даже исчезает под E _{f 2} =0,27 эВ, как показано на рис. 6а. Напротив, когда E _{f 2} увеличивается с 0,31 до 0,37 эВ, пик поглощения при λ ₁ быстро уменьшается и почти исчезает при E _{f 2} =0,37 эВ, а пик поглощения при λ ₂ синий сдвигает и сохраняет значение почти неизменным. Таким образом, предлагаемый двухдиапазонный идеальный поглотитель может быть заменен на идеальный узкополосный поглотитель путем отдельного изменения E _{f 2} . С другой стороны, когда E _{f 2} остается без изменений и E _{f 1} увеличивается от 0,62 до 0,72 эВ, оба пика поглощения смещаются в синий цвет и сохраняют свои значения практически неизменными в широком диапазоне длин волн, что демонстрирует существенно настраиваемую характеристику. По сравнению с другими поглотителями, основанными на дискретных графеновых узорах, стоит отметить, что две графеновые пленки предлагаемого CPA имеют непрерывную форму, что более удобно для получения отличной настраиваемости.

Спектры поглощения как функция длины волны и уровней Ферми a нижний слой графена и b верхний слой графена. Остальные структурные параметры такие же, как на рис. 1

Кроме того, мы исследуем влияние различных параметров структуры на оптическое поглощение предлагаемого CPA, как показано на рис. 7. Поскольку каждый квадратный кремниевый квадрат работает как резонатор Фабри-Перо для локализованной плазмонной моды, а резонансная длина волны чрезвычайно чувствительна. до ширины кремниевых квадратов. Таким образом, как показано на рис. 7a, когда w увеличивается, оба пика двухполосного поглощения сдвинуты в красную область из-за увеличения эффективной резонансной длины волны локализованной плазмонной моды. Более того, коэффициент заполнения увеличится на w , что еще больше усиливает усиление поля и концентрацию между соседним кремниевым квадратом и внутри графена. Таким образом, эффективность поглощения в первую очередь увеличится с w . Однако при непрерывном увеличении коэффициента заполнения слишком много областей графена будет покрыто кремниевыми квадратами. В результате эффективность поглощения впоследствии будет уменьшаться с увеличением w. Тогда, как показано на рис. 7b, пики поглощения также будут заметно сдвинуты в красный цвет с шагом p , поскольку резонансная длина волны локализованной плазмонной моды становится больше. Кроме того, следует отметить, что резонансная частота плазмонной моды, поддерживаемой нижним слоем графена, сильно зависит от расстояния разделения d ₁ . Как показано на рис. 7c, когда d ₁ Увеличивается, сила связи в ближнем поле между резонансными модами верхнего и нижнего слоев будет становиться все более и более слабой, что приводит к тому, что пики двухполосного поглощения в конечном итоге вырождаются в один пик. Между тем, мы также исследуем поглощение предлагаемого CPA с другим диэлектрическим массивом. Как показано на рис. 7d, характеристики двухдиапазонного CPA при наличии TiO ₂ массив ( n _Т =2.9) или массив GaSb ( n _G =3.8) не лучше, чем с кремниевым массивом. Кроме того, стоит отметить, что длины волн пиков поглощения сдвинуты в красную область с увеличением показателя преломления диэлектрической матрицы.

Светопоглощение предлагаемой CPA с разными a p , b w , c г ₁ , и d разная диэлектрическая решетка соответственно. Остальные параметры такие же, как на рис. 2

Заключение

Как упоминалось ранее, большинство известных идеальных поглотителей на основе графена чувствительны к поляризации и ориентированы на узкополосные или широкополосные идеальные поглотители, а двухзонные идеальные поглотители на основе графена редко исследуются в среднем инфракрасном диапазоне. В этой статье мы разработали настраиваемый двухдиапазонный и нечувствительный к поляризации CPA в режиме среднего инфракрасного диапазона, и соответствующие характеристики поглощения обсуждаются с использованием матрицы рассеяния и моделирования FDTD, которые демонстрируют, что двухполосные пики идеального поглощения достигается в 9611 нм и 9924 нм соответственно. Кроме того, из-за своей центрально-симметричной особенности предлагаемый CPA также демонстрирует нечувствительность к поляризации. Между тем, пики когерентного поглощения можно полностью оптически модулировать, изменяя относительную фазу между двумя светами, падающими в обратном направлении. Кроме того, манипулируя энергиями Ферми двух слоев графена, два пика когерентного поглощения могут перемещаться в широком диапазоне спектра, и разработанная нами CPA также может быть изменена с двухзонного CPA на узкополосный CPA. С другой стороны, для предложенного CPA субволновые метаматериалы на основе кремниевых квадратов могут быть интегрированы в текущую технологию CMOS, а графен, выращенный методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), может быть перенесен на слой диоксида кремния с использованием стандартных методов переноса [38]. Более того, по сравнению с устройствами на основе узорчатого графена наша структура сохраняет графен в непрерывной форме, что дает преимущество сохранения высокой подвижности графена и упрощает процессы изготовления, а также конфигурацию легирования. В последние годы некоторые исследовательские группы пытались создать несколько устройств на основе графена в эксперименте, основанном на вышеупомянутых методах [39,40,41]. Таким образом, мы считаем, что можно изготовить предлагаемую нами структуру с аналогичной обработкой, и предлагаемый нами CPA на основе графена может найти некоторые потенциальные применения в области разработки нанофотонных устройств в среднем инфракрасном диапазоне.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные или проанализированные в ходе этого исследования, включены в эту опубликованную статью.

Сокращения

2D:

Двухмерный

Цена за конверсию:

Когерентный идеальный поглотитель

FDTD:

Конечная разность во временной области

ITO:

Оксид индия и олова

SPP:

Поверхностные плазмонные поляритоны

TMDC:

Дихалькогениды переходных металлов