Ультраширокополосный метаматериальный поглотитель TiN/MoS₂ с эффективностью 98 % в диапазоне 400–850 нм

Аннотация

Компактный метаматериальный поглотитель (МП) на основе гексагонального массива нитрида титана (TiN) нанодисков и монослоя дисульфида молибдена (MoS₂) спроектирован и оптимизирован с использованием методов конечных разностей во временной области (FDTD). Стек TiN/SiO₂/Al с 0,625 нм слоем MoS₂, позиционированным под TiN дисками, обеспечивает среднее поглощение 98,1 % во видимом спектре (400–850 нм). Пиковое поглощение достигает почти 100 %, а поглотитель остается нечувствительным к поляризации при нормальном падении, что делает его перспективным кандидатом для фотовольтаических и светозахватывающих приложений.

Введение

Метаматериалы обеспечивают беспрецедентный контроль над амплитудой, фазой и поляризацией света. Среди их самых убедительных возможностей — создание почти идеальных поглотителей, преобразующих падающие фотоны в полезную энергию. Традиционные дизайны опирались на благородные металлы такие как Au и Ag; однако их производительность падает на коротких длинах волн и они страдают от высоких потерь. Переходно-металлические нитриды, особенно TiN, предлагают сопоставимые плазмонные свойства с превосходной термической стабильностью и более высоким коэффициентом затухания в видимом диапазоне. Недавние исследования показали TiN-базированные массивы, достигающие >90 % поглощения на 400–800 нм, но производительность на коротковолновой стороне оставалась ограниченной. Монослой MoS₂, прямой-зазорный полупроводник, демонстрирует сильное поглощение в сине-UV области и отличную подвижность зарядовых носителей, делая его привлекательной добавкой для широкополосного усиления. Комбинируя TiN нанодиски с монослоем MoS₂, мы стремимся заполнить пробел поглощения на коротких длинах волн, сохраняя высокую производительность на длинных длинах волн.

Методы

Поглотитель состоит из 0,625 нм монослоя MoS₂, гексагонального массива TiN нанодисков (диаметр d, толщина t₁), SiO₂ промежутка (толщина t₂) и 500 нм Al подложки. Периодические граничные условия применялись в боковых направлениях, и идеально согласованные слои использовались вдоль оптической оси. Падающее поле было нормально к поверхности, с электрическим полем, поляризованным в xy-плоскости. Дисперсионные данные материалов для TiN взяты из Ref. [38], для MoS₂ из Ref. [39]. Размеры сетки 2 нм в плоскости x-y и 0,1–2 нм вдоль z использовались для разрешения субнанометрового слоя MoS₂. Поглощение рассчитывали как A = 1 – R – T; передача нулевая, потому что Al слой полностью блокирует передачу.

Оптимизация проводилась варьированием диаметра диска d (40–200 нм), толщины диска t₁ (30–50 нм), толщины промежутка t₂ (20–70 нм) и шага решетки pₓ (фиксирован 200 нм). Оптимальная конфигурация давала наивысшее среднее поглощение по целевому диапазону.

Результаты и обсуждение

Структурная оптимизация

Увеличение диаметра диска с 40 нм до 120 нм усиливает локализованный поверхностный плазмонный резонанс (LSPR), повышая пик поглощения. За 120 нм резонанс смещается и поглощение падает. Оптимальный диаметр поэтому 120 нм (рис. 3a). Регулировка толщины диска t₁ красное смещает резонанс и расширяет полосу пропускания; t₁ = 50 нм дает самое широкое окно высокого поглощения (рис. 3b). SiO₂ промежуток контролирует магнитный резонанс в зазоре; толщина 50 нм максимизирует согласование импеданса, давая среднее поглощение 96,1 % для структуры TiN/SiO₂/Al (рис. 3c).

Роль монослоя MoS₂

Вставка слоя MoS₂ под TiN массив усиливает поглощение на коротких длинах волн за счет связи LSPR-усиленного поля в MoS₂, который имеет высокий коэффициент затухания в диапазоне 400–500 нм. Среднее поглощение растет с 96,1 % до 98,1 % на 400–850 нм, с почти единичной полосой (99 %+) простирающейся 475–772 нм. Когда MoS₂ помещают сверху дисков, улучшение меньше, подчеркивая важность замыкания поля в зазоре (рис. 5).

Анализ поля

Снимки электрического поля при 402, 502 и 680 нм раскрывают сильное LSPR замыкание вокруг дисков и магнитный резонанс в зазоре промежутка. Карты вектора Пойнтинга подтверждают, что энергия воронки в TiN диски и слой MoS₂, объясняя почти идеальное поглощение (рис. 6). Симметричные распределения полей подтверждают нечувствительность поглотителя к падающей поляризации, результат круглых дисков и гексагональной решетки (рис. 3d).

Поверхностное распределение заряда

На резонансной длине волны 680 нм плотность заряда пикует на краях дисков, и магнитное поле сильнее всего в зазоре промежутка, указывая на надежный магнитный резонанс. Это согласование импеданса между LSPR и магнитным резонансом подкрепляет наблюдаемое идеальное поглощение (рис. 7).

Заключение

Метаматериальный поглотитель TiN нанодиск/монослой MoS₂/SiO₂/Al достигает широкополосного среднего поглощения 98,1 % на 400–850 нм, с 300 нм суб-полосой (475–772 нм) демонстрирующей >99 % поглощения. Дизайн опирается на сильный LSPR, магнитный резонанс в промежутке и диск-дисковое связывание. Нечувствительность к поляризации, суб-150 нм общая толщина и использование масштабируемых фаabrikационных шагов (тонкопленочное осаждение и этравирование) позиционируют этот поглотитель как жизнеспособный компонент для фотовольтаических и светозахватывающих устройств следующего поколения.

Аббревиатуры

FDTD

Метод конечных разностей во временной области

LSPR

Локализованный поверхностный плазмонный резонанс

МП

Метаматериальный поглотитель