Трехполосный идеальный поглотитель света на основе гибридной метаповерхности для обнаружения приложений

Введение

Метаповерхности, как важная ветвь оптических метаматериалов, представляют собой двумерную (2D) матричную архитектуру, которая образована субволновой периодической плазмонной наноструктурой, состоящей из узорчатых диэлектрических и металлических материалов [1, 2]. В последние годы метаповерхности широко исследуются, поскольку они потенциально могут быть применены в миниатюрных компонентах оптики в свободном пространстве, таких как линзы, волновые пластины, спектральные фильтры и поглотители [1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10]. Одним из выдающихся аспектов метаповерхностей могут быть совершенные поглотители света (PLA), работающие в оптическом диапазоне, поскольку они имеют многообещающие применения в оптической связи [11], тепловом излучении [12, 13], светособирании [14] и зондировании [15, 16,17]. Как правило, PLA на основе метаповерхностей могут быть реализованы с помощью конфигурации трехслойных наноструктур металл-диэлектрик-металл (MDM) или двухслойных наноструктур диэлектрик-металл (DM), в которых могут быть реализованы различные поверхностные плазмонные резонансы (SPR). возбуждаются и впоследствии вызывают ограничение световой энергии в узорчатых металлах или на границе раздела металл-диэлектрик [11, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28]. Кроме того, собственные оптические потери металлических и диэлектрических материалов в PLA также являются важными и полезными факторами для увеличения поглощения электромагнитной (ЭМ) энергии падающего света [11, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26. , 27,28,29,30]. Было подтверждено, что поглощающая способность PLA обычно зависит от формы, размера, толщины и состава плазмонной метаповерхности, которые также чувствительны к показателю преломления (RI) окружающего материала [29,30,31,32 , 33,34,35,36]. Как известно, узкополосный PLA интенсивно исследовался из-за его большой глубины модуляции [15,16,17,18, 31,32,33,34,35,36,37]. Когда PLA помещается в газовую или жидкую среду, частота пика поглощения будет значительно сдвигаться с изменением значения RI окружающего материала. Следовательно, были предложены и интенсивно исследованы многочисленные метаповерхности на основе узкополосных PLA [31,32,33,34,35,36,37,38]. Например, Cheng et al. предложили узкополосный ИЛА на основе конфигурации MDM, который может достигать чувствительности около 590 нм ∕ RIU [31]. Bhattarai et al. продемонстрировали узкополосный PLA с грибовидной насадкой, основанный на механизме резонатора Фабри-Перо, с чувствительностью до 2508 нм ∕ RIU [32]. Затем другие PLA, основанные на конфигурациях MDM, постоянно предлагались и теоретически исследовались [33,34,35,36,37]. Хотя эти узкополосные PLA могут обеспечить высокую чувствительность, их крупномасштабное производство требует много времени и затрат из-за сложности конструкции метаповерхностей. Поэтому было бы чрезвычайно полезно, если бы узкополосный PLA мог поддерживаться относительно простыми структурами. Yong et al. предложена простая конструктивная схема ПЛА для зондирования на основе цельнометаллической метаповерхности [38,39,40]. Для изготовления этих PLA обычно используются благородные металлы, золото или серебро, что также увеличивает стоимость производства.

В последнее время метаповерхности на основе кремниевых наноструктур привлекают большое внимание благодаря их применению в детекторе [41], фотонном волноводе [42], генераторе цвета и фильтре [43, 44], а также в PLA [45,46,47,48,49]. , 50]. Подобно металлическим наноструктурам, кремний является одним из возможных материалов с высоким RI, который может поддерживать различные SPR за счет конструкции в оптическом диапазоне частот. Кроме того, кремний также может быть экономически эффективным и в значительной степени совместимым с процессом комплементарного металлооксидного полупроводника (CMOS) [44, 49]. Таким образом, можно полагать, что узкополосное идеальное поглощение в кремниевых ПЛА на основе метаповерхностей будет иметь большое значение для зондирования [50]. Например, Ahmmed et al. предложил PLA на основе гибридной метаповерхности, состоящей из массивов нанодисков из аморфного кремния, нанесенных на слой золота, который может работать как датчик RI в ближней инфракрасной области [50]. Однако он работает только в одной узкополосной полосе, что ограничивает потенциальные применения при обнаружении мультиплексного зондирования. Насколько нам известно, вряд ли можно найти отчеты о высокоэффективных многополосных PLA, использующих метаповерхность, чья работа действительна в видимой области.

В данной работе предложен и теоретически продемонстрирован трехдиапазонный PLA на основе гибридной метаповерхности в видимой области, который может быть применим для зондирования RI. Гибридная метаповерхность, состоящая из массивов кремниевых поперечных наноструктур одного размера на золотой подложке, демонстрирует идеальное трехполосное поглощение с поглощением более 98% на трех различных резонансных частотах. Основной физический механизм наблюдаемого идеального поглощения также был проиллюстрирован путем анализа пространственного распределения электрических полей, потока мощности и плотности потерь мощности в резонансах. Также было исследовано влияние геометрических параметров наноструктуры элементарной ячейки на абсорбционные свойства PLA. Кроме того, было подтверждено, что пики поглощения PLA чувствительны к значению RI окружающей среды, что делает его потенциальным кандидатом для приложений зондирования. Кроме того, гибридный PLA на основе метаповерхности может быть легко и просто изготовлен, а также легко интегрирован в плазмонные, электронные и фотонные устройства на одном и том же чипе. Такая конструкция трехдиапазонного PLA открывает эффективный путь к реализации нанофотонных устройств на основе гибридной метаповерхности, которые могут быть кандидатом на потенциальное применение в мультиплексном зондировании, обнаружении и улучшенной видимой спектроскопии.

Методы

На рисунке 1 представлена ​​конструктивная схема видимого PLA на основе гибридной метаповерхности, состоящей только из двух функциональных слоев:периодические массивы кремниевых поперечных наноструктур составляют верхний слой, действующий как диэлектрический резонатор, а нижний слой - это золотая подложка. Было продемонстрировано, что различные структурированные плазмонные кремниевые структуры могут поддерживать различные режимы ППР при освещении падающим светом, которые могут быть применены для создания PLA от терагерцового до видимого диапазона частот благодаря его благоприятным оптическим свойствам [42,43,44,45,46 , 47,48].

Схематическое изображение видимого тройного узкополосного PLA. а Структура двумерного периодического массива. б Фронт. c Перспективный вид наноструктуры элементарной ячейки

В видимой области полупроводниковый кремний является экономичным материалом с высоким RI, который может рассматриваться как диэлектрический резонатор благодаря особой конструкции [43,44,45,46,47,48,49]. Кроме того, имеется существенное преимущество, заключающееся в том, что полупроводниковый кремний можно эффективно выращивать на гетерогенной подложке (такой как золотая подложка) при низкой температуре, полагаясь на заметную совместимость с процессом CMOS [44, 49], что легко соответствует требованиям требования крупносерийного производства. В нашем интересующем нас видимом диапазоне (350–500 ТГц) значение RI кремния является приблизительно постоянным и составляет примерно n _си =3,7 × (1 + 0,0025 i ) [50,51,52]. Слой подложки из золота (Au) можно описать частотно-зависимой моделью Друде из экспериментальных данных [53]. Толщина золотой подложки превышает глубину проникновения падающего света в видимом диапазоне. В отличие от типичной конфигурации MDM, предлагаемый нами PLA на основе гибридной метаповерхности образован периодической двухслойной наноструктурой DM с субволновым периодом, и можно ожидать, что предлагаемый PLA не зависит от поляризации из-за геометрической симметрии вращения поперечная наноструктура и квадратная решетка. Оптимизированные геометрические параметры конструкции представлены следующим образом: p _x = p _y =400 нм, l =350 нм, ширина =100 нм, h =85 нм, и t _s =100 нм. Как показано на рис. 1c, элементарная ячейка предлагаемого PLA настроена на постоянную периодичность 400 нм вдоль x- и y направления оси, чтобы избежать дифракции на частотах до 750 ТГц.

Предлагаемый PLA на основе гибридной метаповерхности был разработан и исследован с помощью инструмента моделирования на основе метода конечных элементов (FEM) в CST Microwave Studio. Как показано на рис. 1c, возбуждение плоской волны с широким диапазоном частот от 350 до 500 ТГц рассматривается как источник освещения с волновым вектором, нормальным к поверхности гибридной метаповерхности. При моделировании размер ячейки устанавливается равным 0,3 нм, что намного меньше рабочей длины волны и размера элементарной ячейки. Чтобы гарантировать незначительные численные ошибки, мы также выполнили стандартный тест сходимости перед моделированием элементарной ячейки. Периодические граничные условия вдоль x- и y -осные направления используются для рассмотрения периодического расположения гибридной метаповерхности. Падающий свет с линейной поляризацией должен распространяться в направлении оси z таким образом, что электрический ( E _x ) и магнитные ( H _y ) находятся вдоль x - и y направления оси соответственно. В нашей конструкции, поскольку пропускание блокируется золотой подложкой, оптическую плотность можно рассчитать только с помощью A (ω) =1 - R (ω) =| S ₁₁ | ² , где S ₁₁ коэффициент отражения.

Результаты и обсуждения

На рисунке 2 представлены смоделированные спектры отражения и поглощения PLA на основе гибридной метаповерхности при освещении нормальным падающим светом в видимой области. Очевидно, что при f наблюдаются три отчетливые точки резонанса. ₁ =402,5 ТГц, f ₂ =429,5 ТГц и f ₃ =471,5 ТГц соответственно. При этих резонансах коэффициент отражения снижается до 1,9%, 1,3% и 0,4%, а соответствующее поглощение увеличивается до максимальных значений 98,1%, 98,7% и 99,6% соответственно. Согласно предыдущим работам [45,46,47,48], можно было предположить, что идеальное поглощение на трех резонансах может быть связано с возбуждением мод ППР более высокого порядка в кремниевых кросс-наноструктурах при освещении нормальным падающим светом, которые будут обсуждаться ниже. позже. Хотя в нашей конструкции использовались как полупроводниковый кремний с высоким RI, так и золотая подложка с высоким коэффициентом отражения, которые широко использовались в предыдущих работах [17, 38,39,40, 46, 48,49,50], на это все же стоит обратить внимание. Из этого следует, что предложенная в этой работе новая конструкция PLA демонстрирует относительно улучшенное свойство, которое заключается в идеальном трехполосном поглощении в видимой области за счет использования кремниевой поперечной наноструктуры одного размера. Кроме того, можно ожидать, что предлагаемый PLA должен быть нечувствительным к поляризации для нормального падающего света из-за его высокой геометрической симметрии вращения элементарной ячейки, которая аналогична предыдущим конструкциям [54,55,56].>

Смоделированная отражательная способность ( R (ω)) и оптической плотности ( A (ω)) спектры разработанного видимого гибридного PLA на основе метаповерхности при освещении нормальным падающим светом

Кроме того, полная ширина на полувысоте (FWHM) и добротность предлагаемого PLA также были рассчитаны в соответствии с предыдущей ссылкой [40]. В этих трех положениях резонанса, упомянутых выше, значение FWHM составляет около 64,875 ТГц, 27,75 ТГц и 34,125 ТГц, а соответствующая добротность (= f _я / FWHM _я , я =1, 2, 3) составляет примерно 6,48, 14,57 и 13,82 соответственно. Следует отметить, что идеальное трехполосное поглощение может наблюдаться в идеальном случае с воздушными средами. Однако можно настроить свойство резонансного поглощения, регулируя значение RI снаружи / окружающей среды разработанного PLA. Это означает, что рабочую частоту можно существенно регулировать, изменяя значение RI окружающей среды на PLA. Таким образом, разработанный PLA с крутыми резонансами может найти некоторые потенциальные применения в мультиплексных датчиках и детекторах.

Чтобы проверить физический механизм, лежащий в основе наблюдаемого явления трехзонного идеального поглощения разработанного PLA, пространственные распределения электрического ( E _x , x-z плоскость) и магнитные ( H _y , г-я плоскости) на этих трех пиках поглощения были систематически исследованы, как показано на рис. 3. Очевидно, что картины пространственного распределения сильных электрических и магнитных полей ( E _x и H _y ) существенно различаются на разных резонансных частотах, выявляя возбуждения разных мод ППР. Однако очевидно, что как электрическое, так и магнитное поле всегда сильно сконцентрированы на границе раздела кремниевого креста и золотой подложки, когда возникает резонанс. Эти пространственные особенности поля указывают на то, что возбужденные моды с разными более высокими порядками на границе кремниевой кросс-наноструктуры и золотой подложки были возбуждены. Можно полагать, что интенсивные резонансы направленных мод на границе раздела диэлектрик / металл возбуждаются, когда падающий свет связывается между волноводами с разными показателями преломления [57,58,59,60]. Между тем, возможны резонансные связи между падающим светом и направленной модой диэлектрика / металлической наноструктуры, что аналогично эффекту резонанса направленной моды на металлической решетке [21, 59, 60].

Распространение a - c электрическое поле ( E _x в x-z плоскость y =0 нм) и d - е магнитное поле ( H _y в г-я плоскость x =0 нм) в наноструктуре элементарной ячейки PLA на различных резонансных частотах:( a , d ) f ₁ =402,5 ТГц, ( b , e ) f ₂ =429,5 ТГц и ( c , f ) f ₃ =471,5 ТГц

Чтобы проиллюстрировать резонанс направленных мод разработанной наноструктуры PLA, мы можем принять созданную кремниевую кросс-наноструктуру как диэлектрический волновод в видимой области. Когда падающий свет падает на зазоры между двумя соседними элементарными ячейками, он будет дифрагировать в слое кремния, а затем отражаться от золотой подложки, а затем направиться к границе раздела кремний / золотая подложка. Из-за симметричной конструкции элементарной ячейки световые пучки из соседних зазоров распространяются в противоположных направлениях и, следовательно, объединяются, образуя стоячую волну в волноводном слое [58,59,60]. Согласно этим результатам, показанным на рис. 3a-f, можно обнаружить, что только моды с нечетными гармониками в наноструктуре могут возбуждаться при освещении нормальным падающим светом. На рис. 3a – f показаны мода первого, третьего и пятого порядка в наноструктуре соответственно. Результаты хорошо согласуются с предыдущими PLA, основанными на конфигурации MDM [58, 61], в которых мода второго порядка не могла быть возбуждена для нормального падающего света. Это связано с тем, что возбуждения волноводных мод в основном определяются геометрическими параметрами создаваемой наноструктуры. Это означает, что только нечетные моды или моды с гармоническим возбуждением могут быть возбуждены при соответствующей специальной конструкции наноструктуры в этой работе. Возбуждения управляемых мод с более высокими порядками в этой наноструктуре будут способствовать усилению попадания падающего света в воздушный зазор и локализации на границе кремний / золото, в конечном итоге создавая идеальное поглощение света на различных резонансных частотах. Как хорошо известно, потери энергии падающего света, вызванные возбуждением направленных мод в наноструктуре, всегда достаточно велики, чтобы вносить высокий уровень поглощения в резонансах [20, 21, 26, 58, 59, 60, 61]. Кроме того, эти резонансы направленных мод в основном определяются геометрическими размерами и окружающей средой разработанной наноструктуры [58]. Можно сделать вывод, что моды с наведением более высокого порядка могут быть также применены для получения высокоэффективного PLA в видимой области с умеренными геометрическими параметрами по сравнению с использованием основной моды с более глубокой субволновой структурой [61]. P>

Чтобы получить более глубокое и качественное представление об идеальном поглощении, приведенном выше, рассмотрим трехмерные распределения потока мощности и плотности потерь мощности для нормального падающего y -поляризованные огни на различных резонансных частотах ( f ₁ =402,5 ТГц, f ₂ =429,5 ТГц и f ₃ =471,5 ТГц), как показано на рис. 4a – c. Во-первых, входящие потоки световой мощности изначально представляют собой параллельные потоки в пространстве вдали от наноструктуры в резонансах. Когда падающие световые потоки приближаются к PLA, большинство из них протекает «поперек» элементарной ячейки, затем скручивается в слое кремния и, наконец, концентрируется на границе раздела кремния и золотой подложки. В этом случае пространственная форма энергетических цветочных потоков в наноструктуре демонстрирует различные характеристики на разных частотах поглощения. Профили потока мощности, вызванные возбуждением направленных мод, имеют место в наноструктуре, а собственные потери обычно происходят в объемных материалах. Из-за природы диэлектрических потерь кремния и золота в видимой области можно считать, что потери световой энергии, вызванные возбуждением волноводных мод различных более высоких порядков, должны в основном происходить из-за поперечной наноструктуры кремния и золотой подложки. P>

Трехмерное (3D) распределение a - c поток мощности и d - е плотность потерь мощности PLA на разных резонансных частотах:( a , d ) f ₁ =402,5 ТГц, ( b , e ) f ₂ =429,5 ТГц и ( c , f ) f ₃ =471,5 ТГц

На рис. 4d – f показано трехмерное распределение плотности потерь мощности в наноструктуре элементарной ячейки на частотах f . ₁ =402,5 ТГц, f ₂ =429,5 ТГц и f ₃ =471,5 ТГц соответственно. Можно заметить, что плотности потерь мощности в основном распределяются на границе раздела между поперечной наноструктурой кремния и золотой подложкой. Очевидно, что мощность падающего света полностью ограничена разработанной наноструктурой PLA. Поскольку кремний и золото в наноструктуре являются материалом с диэлектрическими потерями в видимой области, в разработанном PLA происходит рассеяние световой энергии [48, 49]. В нашей конструкции кремниевый крест гораздо более благоприятен для улучшения характеристик поглощения, чем предыдущие квадрат и диск, поскольку зазоры предложенной наноструктуры крестового типа могут легко улавливать больше падающего света из-за возбуждений направленной моды [47,48,49 ]. Фактически, структурированный кремний с соответствующим геометрическим дизайном сам по себе может служить хорошим PLA, полагаясь на свойство кремниевого материала с потерями в видимой области [49]. Кроме того, кремниевый крест можно также рассматривать как антиотражающий слой, который делает золотую подложку почти идеальным поглощающим материалом при резонансах. Золото все еще плазмонное в видимой области, поскольку действительная часть его диэлектрической проницаемости отрицательна [53]. Следует отметить, что падающий свет будет сильно отталкиваться золотой подложкой, и идеальное поглощение было бы невозможно без реакции SPR.

Основываясь на приведенном выше анализе, можно сделать вывод, что трехзонное совершенное поглощение предлагаемого PLA происходит из направленных мод с более высоким порядком и характером диэлектрических потерь кремния и золотой подложки в видимой области. Одним словом, резонанс управляемой моды и потери наноструктуры являются двумя ключевыми факторами для идеального поглощения разработанного PLA.

Затем с помощью параметрического исследования систематически исследовалось влияние геометрических параметров каждой элементарной ячейки на абсорбционные свойства нашей конструкции PLA. Что касается предлагаемого PLA в этой работе, необходимо учитывать только четыре геометрических параметра:ширина провода ( w ), длина провода ( l ), высота ( h ) поперечной наноструктуры кремния, а периодичность ( p ) элементарной ячейки. Серия спектров поглощения разработанного PLA с различными геометрическими параметрами ( w , h , l , и p ) показаны на рис. 5a – d. Стоит отметить, что одновременно можно регулировать только один геометрический параметр, а остальные остаются постоянными.

Зависимость идеального поглощения от различных геометрических параметров предлагаемого ИЛА. а - c Ширина провода ( w ), высота ( h ), длина провода ( l ) поперечной наноструктуры кремния, и d периодичность ( p ) элементарной ячейки

На основе рис. 5a, b можно заметить, что поглощение резонансных пиков может поддерживаться более 95% при изменении одного геометрического параметра, в то время как другие остаются постоянными. Однако оказалось, что рабочая частота чувствительна к геометрическим параметрам PLA. Когда периодичность ( p ) ПЛА фиксируется, частота пика поглощения оказывается обратно пропорциональной геометрическим размерам ( w , h , и l ) элементарной ячейки, что хорошо согласуется с предыдущими исследованиями [58, 62]. Это связано с тем, что эффективный показатель преломления резонансов направленных мод увеличивается с увеличением w , h , и l . Абсорбционные свойства PLA с разными размерами w изображены на рис. 5а. С изменением w от 85 до 105 нм с шагом 5 нм отчетливо наблюдается заметное красное смещение спектра поглощения. Для PLA с большей шириной провода ( w > 100 нм) кремниевого креста, поглощение первого и второго пиков поглощения будет немного уменьшаться, но третий пики почти сохранятся. Такой ответ в основном является результатом ослабленного взаимодействия и эффекта ограничения, вызванного наноструктурой. Кроме того, по сравнению со вторым и третьим резонансными пиками, можно обнаружить, что первый пик гораздо более чувствителен к изменениям ширины проволоки w , что приводит к заметному явлению красного смещения. Абсорбционные свойства PLA с разными размерами h представлены на рис. 5б. Когда высота h увеличивается от 80 до 100 нм с интервалом в 5 нм, изменение спектров поглощения аналогично случаю изменения ширины проволоки w , и частоты пиков поглощения также демонстрируют небольшое красное смещение. При увеличении h , можно обнаружить, что поглощение первого резонансного пика постепенно увеличивается, в то время как второго резонансного пика немного уменьшается, а третий можно почти поддерживать на постоянном уровне. Как показано на рис. 5c, можно обнаружить, что пики поглощения смещаются в сторону более низких частот, когда длина провода l увеличивается с 340 до 360 нм с шагом 5 нм. По мере увеличения длины провода l , поглощение первого пика поглощения немного уменьшается, в то время как другие резонансные пики остаются постоянными. Как показано на рис. 5d, при периодичности p увеличиваются с 390 до 430 нм с шагом 10 нм. С увеличением периодичности p , поглощение первого резонансного пика немного увеличивается, в то время как другие пики поглощения почти не изменяются. В целом, результаты, представленные на рис. 5, подтверждают, что эти пики поглощения связаны с характеристиками стоячих волн, которые были продемонстрированы на рис. 3, что указывает на то, что рабочая частота и эффективность предлагаемого PLA могут напрямую регулироваться относительными геометрическими параметрами. параметры, включая ширину провода ( w ), высота ( h ), длина провода ( l ) и периодичность ( p ).

Согласно результатам и обсуждениям разработанного трехдиапазонного PLA, упомянутого выше, его можно было ожидать в качестве многообещающего кандидата для приложения измерения RI. Чтобы прояснить практическую применимость разработанного нами трехдиапазонного PLA для сенсорных приложений, поведение спектров поглощения в зависимости от значений RI окружающего аналита было дополнительно проверено. Как показано на рис. 6а, окружающий аналит заполняет промежутки кремниевой поперечной наноструктуры предлагаемого PLA. Поскольку наш PLA имеет тройную узкую полосу пропускания и отличное поглощение около резонансной частоты, можно ожидать, что он будет демонстрировать хорошие характеристики восприятия. Зависимость спектров поглощения от изменения значения RI окружающего аналита представлена ​​на рис. 6б. Следует отметить, что абсорбция может поддерживаться на уровне более 95%, когда значение RI окружающего аналита изменяется с n =От 1,0 до n =1,4 с шагом 0,1, в то время как частотные сдвиги трех резонансных пиков весьма заметны, что можно описать в терминах очевидного красного смещения с увеличением значения RI окружающего аналита. Вариации частоты точек 1 ( f ₁ ), 2 ( е ₂ ) и 3 ( f ₃ ) в среднем составляют около 2,53 ТГц, 4,13 ТГц и 3,19 ТГц соответственно. Фактически, способность обнаружения PLA была широко принята, чтобы описываться определением объемной чувствительности RI (S): S =Δ f / Δ п , где Δ f и Δ n - изменение резонансной частоты и значения RI соответственно [63]. Согласно приведенному выше определению, как показано на рис. 6c, среднее значение S значения трех частотных точек ( f ₁ , f ₂ , и f ₃ ) оцениваются примерно в 25,3, 41,3 и 31,9 ТГц / RIU соответственно. Благодаря превосходным чувствительным характеристикам конструкция трехдиапазонного PLA может считаться многообещающей в областях, связанных с датчиками.

а Схема PLA для приложения зондирования RI. б смоделированные спектры поглощения PLA путем изменения значений RI окружающего аналита от n =От 1,0 до n =1,4 с шагом 0,1. c Линейная аппроксимация (сплошные линии) и смоделированные резонансные частоты (полые символы) как функция значений RI окружающего аналита

Выводы

В заключение, простая конструкция трехдиапазонного PLA на основе гибридной метаповерхности была предложена и численно исследована в этой работе, которая, как можно предположить, применима для зондирования RI. Предлагаемый ПЛА на основе гибридной метаповерхности спроектирован так, чтобы он состоял только из периодических массивов кремниевых поперечных наноструктур, нанесенных на золотую подложку. Численные результаты показывают, что разработанный PLA может демонстрировать относительно высокое поглощение 98,1%, 98,7% и 99,6% при 402,5 ТГц, 429,5 ТГц и 471,5 ТГц соответственно. Физические изображения разработанного PLA были исследованы путем анализа пространственного распределения электрического и магнитного поля на трех различных резонансных частотах. Оказывается, что энергия ЭМ могла рассеиваться через стоячие волны, исходящие от различных мод более высокого порядка на границе раздела с потерями между поперечной наноструктурой кремния и золотой подложкой, что приводило к идеальному трехзонному поглощению. Кроме того, пространственное распределение потока мощности и плотность потерь показывают, что характеристика диэлектрических потерь кремния и золота в видимой области также имеет решающее значение для идеального поглощения PLA. Кроме того, было подтверждено, что свойства резонансного поглощения разработанной нами наноструктуры PLA хорошо настраиваются в видимой области за счет регулирования геометрических параметров элементарной ячейки. Кроме того, было продемонстрировано, что частоты резонансных пиков очень чувствительны к вариациям RI окружающего аналита, заполненного предлагаемым PLA. Средняя объемная чувствительность RI S значения PLA составляют около 25,3, 41,3 и 31,9 ТГц / RIU соответственно. Предлагаемый PPA легко изготовить с помощью технологии глубокого реактивного ионного травления (DRIE) или усовершенствованной электронно-лучевой литографии (EBL), которая экономически совместима с процессом CMOS [44, 49]. Таким образом, такая конструкция PLA может открыть новые возможности для применения мультиспектрального зондирования RI в видимой области, особенно для биомолекулярного обнаружения, обнаружения газов, медицинской диагностики и пространственного биодатчика. It also has potential in applications of substrates for multiplex sensing activities of differentiation and proliferation of neural stem cells.

Доступность данных и материалов

The datasets generated and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.

Сокращения

PLA:

Perfect Light Absorber

RI:

Показатель преломления

RIU:

Единица показателя преломления

2D:

Двумерный

MDM:

Металл-диэлектрик-металл

SPRs:

Surface plasmon resonances

EM:

Electromagnetic

CMOS:

Дополнительный металлооксидный полупроводник

FEM:

Метод конечных элементов

FWHM:

Полная ширина на половине максимальной

DRIE:

Deep reactive ion etching

EBL:

Электронно-лучевая литография