Многополосное и широкополосное поглощение света в монослойном графене через магнитные дипольные резонансы в Ag нанодисковых метаматериалах

Аннотация

Монослойный графен, когда подвешен, поглощает только ~2,3 % падающего света при нормальном падении — ограничение для оптоэлектронных приложений. Мы численно демонстрируем, что тщательно спроектированный метаматериал, состоящий из графенового листа, помещенного между четырьмя серебряными (Ag) нанодисками разного диаметра и SiO₂ промежутком на Ag подложке, может повысить поглощение графена до более 65 % по всему видимому спектру. Каждый нанодиск сцепляется с подложкой, производя индивидуальный магнитный дипольный резонанс; коллективное действие этих четырех резонансов дает отдельные пики поглощения, и настройка их спектрального перекрытия реализует широкополосную высокопоглощающую полосу. Поглощающая полоса может быть сдвинута изменением толщины SiO₂ или расстояния между нанодисками, предлагая универсальные параметры дизайна для фотодетекторов и смежных устройств.

Введение

Двумерная медная решетка графена наделяет его исключительными электронными и оптическими чертами, такими как высокая подвижность носителей, настраиваемая проводимость и замечательная прозрачность. Его универсальное поглощение ≈2,3 % в видимом и ближнем ИК коренено в тонкой структурной постоянной, однако это значение недостаточно для эффективного фотодетектирования или сбора энергии. Многочисленные стратегии — включая фотонно-кристаллическое замораживание, полное внутреннее отражение, поверхностный плазмонный резонанс, эванесцентную дифракцию и связь направленных мод — были исследованы для усиления поглощения графена. Однако достижение одновременного многополосного и широкополосного усиления, особенно в оптическом диапазоне, остается сложным. Предыдущие работы показывали, что мульти-резонаторные дизайны могут расширить поглощение в ТГц и ИК; здесь мы расширяем эту концепцию на видимый диапазон, используя магнитные дипольные моды в сублинейном метаматериальном архитектуре.

Методы/Эксперимент

Элементарная ячейка (Рис. 1) состоит из графенового монослоя, позиционированного между четырьмя Ag нанодисками диаметров d₁ > d₂ > d₃ > d₄ и SiO₂ промежутком на Ag подложке. Периоды p_x и p_y = 400 нм, высота нанодиска h = 50 нм, толщина промежутка t = 30 нм, ферми-уровень графена E_f = 0,5 эВ. Электромагнитные симуляции выполняли с EastFDTD v5.0, используя экспериментальную Дрюд-Лоренца переmittivity Ag и случайно-фазовую аппроксимацию для поверхностной проводимости графена (внутризонные и межзонные члены). Тензор переmittivity графена моделировали как ε_g = diag(1+ iσ/(ωε₀t_g), 1+ iσ/(ωε₀t_g), 1).

Результаты и обсуждение

Рисунок 2 показывает рассчитанные спектры поглощения для графена, Ag и полного метаматериала при нормальном падении. Четыре выраженных пика поглощения появляются при λ₁ = 722,9 нм, λ₂ = 655,7 нм, λ₃ = 545,5 нм и λ₄ = 468,8 нм, с поглощением графена 65,7 %, 61,2 %, 68,4 % и 64,5 % соответственно. По сравнению с внутренними 2,3 % подвешенного графена, это более чем 26-кратное увеличение. При λ₃ общее поглощение превышает 98,5 %, зеркаля эффективность установленных идеальных поглотителей и подчеркивая потенциал для солнечных элементов.

Для элицидирования природы этих пиков изучали распределения полей при каждом резонансе (Рис. 3 и 4). При λ₁ электрические поля локализуются на краях наибольшего нанодиска, в то время как магнитные поля замыкаются в SiO₂ промежутке под ним — характерно для магнитного дипольного мода, возникающего от плазмонной гибридизации с подложкой. Аналогичные паттерны возникают для λ₂, λ₃ и λ₄, каждый ассоциированный со следующим меньшим диском. Таким образом, четыре независимых магнитных дипольных резонанса движут многополосное поглощение.

Настройка диаметров нанодисков так, чтобы четыре резонанса спектрально перекрывались, достигает широкополосной поглощающей полосы 450–650 нм (Рис. 5a). Пиковое поглощение остается выше 73 %, в то время как впадина выше 50 %. Постепенное увеличение диаметров сдвигает эту полосу к более длинным волнам (Рис. 5b,c). Изменение толщины SiO₂ промежутка также модулирует поглощающую полосу; увеличение t от 25 до 45 нм дает явный синий сдвиг (Рис. 6). Аналогично, уменьшение центр-центр расстояния между соседними дисками (l от 220 до 160 нм) вызывает умеренный синий сдвиг из-за междисковой плазмонной сцепки (Рис. 7).

Заключение

Мы показали, что сублинейный метаматериал с графеновым монослоем между четырьмя Ag нанодисками может генерировать четыре отдельных магнитных дипольных резонанса, дающих многополосные пики поглощения между 468 и 723 нм с эффективностью выше 60 %. Инженеря диаметры дисков, толщину промежутка или междисковое расстояние, эти резонансы можно объединить в широкополосную поглощающую полосу 450–650 нм с пиковыми значениями выше 73 % и впадинами выше 50 %. Такая настраиваемая, высокоэффективная поглощающая структура обещает для следующего поколения фотодетекторов, солнечных элементов и других оптоэлектронных устройств, требующих сильного свет-вещество взаимодействия в видимом.