Гибридные метаповерхности с в‑плоскостным и вне‑плоскостным плазмонным связыванием для усиления оптической активности

Аннотация

Плазмонные метаповерхности привлекли большое внимание благодаря перспективам применения в переключении поляризации, усилении локального электрического поля, близком к идеальному поглощении, сенсорике, устройствах со «медленным светом» и наноантеннах. Однако ряд проблем — низкая скорость переключения электрооптических ключей (только ГГц), низкий добротный фактор (Q) плазмонных резонансов, невысокий показатель качества (FOM) сенсирования — сдерживает дальнейшее развитие. Кроме того, работая как наноантенны, трудно одновременно достичь локального усиления поля >100 и поглощения >99%. В этой работе, используя методы конечных элементов (FEM) и конечно-разностной временной области (FDTD), впервые представлена оптически настраиваемая плазмонная метаповерхность на основе гибридизации в‑плоскостного и вне‑плоскостного ближнеполевого связывания, решающая эти острые проблемы. Получен эффект электромагнитно индуцированной прозрачности (EIT) за счет деструктивной интерференции двух плазмонных мод. Одновременно достигнуты ультраузкие пики идеального поглощения с ультравысоким Q-фактором (221,43) около 1550 нм, что обеспечивает ультравысокий FOM (214,29) в сенсорике. В частности, с использованием индием легированного CdO эта метаповерхность впервые продемонстрирована как фемтосекундный оптический рефлективный поляризатор в ближнем ИК с ультравысоким коэффициентом гашения поляризации. Работая как наноантенны, структура одновременно обеспечивает сильное локальное усиление поля (|E_loc|/|E_0| > 100) и близкое к идеальному поглощение (>99,9%), что будет полезно для фотокаталитического расщепления воды и поверхностно-усиленного ИК-абсорбции.

Обзор литературы

Плазмонные метаповерхности — двумерные аналоги метаматериалов — демонстрируют широкий спектр явлений и приложений: переключение поляризации, поворот луча, Фано-резонанс, наноантенны, отрицательный показатель преломления, близкие к идеальному поглотители, невидимость. Особое внимание уделено изучению EIT и Фано-резонанса благодаря потенциалу в SERS, SEIRA, сенсировании преломления, квантовом хранении информации. EIT и Фано-резонанс изначально открыты в квантовых системах. В классических системах EIT возникает из деструктивной интерференции двух плазмонных мод. Если более узкая мода интерферирует с более широкой, спектр приобретает форму Фано. Zhang et al. впервые реализовали Фано-резонанс и EIT в плазмонной наноструктуре с ярким и темным элементами в одной плоскости. Однако для большинства метаповерхностей на основе в‑плоскостного связывания в видимом/ближнем ИК сила связывания определяется точным размером зазора между резонансами, а создание зазоров <10 нм остается вызовом из-за ограничений технологий. Эти структуры сильно зависят от межчастичного расстояния, что неблагоприятно для крупномасштабного производства. В отличие от них, Liu et al. экспериментально продемонстрировали плазмонный EIT с вертикальным стекированием элементов. После этого предложено множество метаматериалов/метаповерхностей с планарным или вертикальным дизайном для EIT-подобных явлений и Фано-резонансов. Amin et al. показали асимметричную Фано-образную форму и узкое EIT-окно в резонаторе из золотой рамы и графенового патча в одной плоскости. Однако Q-фактор Фано-резонанса в металлических структурах очень низок из-за оптических потерь в металле, расширяющих плазмонные резонансы — общая проблема. По нашим данным, Q-факторы большинства Фано-резонансов в видимом/НИК ниже 10. Недавно Dayal et al. продемонстрировали метаповерхности на основе галерейных мод с высоким Q (до 79) в НИК, но только на определенной длине волны, что также ограничивает применение. Активное управление Фано-резонансом или EIT-окном крайне желательно. Xia et al. спроектировали настраиваемую PIT-систему из криволинейных и планарных графеновых слоев. В 2017 г. Yang et al. экспериментально реализовали высококонтролируемый резонанс поглощения с высоким Q, впервые продемонстрировав фемтосекундное переключение поляризации на плазмонной метаповерхности в среднем ИК. Также наблюдалось максимальное усиление поля 41,8. Желательно использовать плазмонные наноантенны, дающие как «горячие точки» с большим усилением поля, так и близкое к идеальному поглощение. Несмотря на прогресс, одновременное достижение усиления >100 и поглощения >99% остается вызовом, что важно для плазмонных сенсоров, фотокаталитического расщепления воды, SERS, SEIRA. Кроме того, кроме работы Yang et al., большинство традиционных поляризационных устройств (волновые пластины, поляризаторы на электрооптическом эффекте) либо статичны, либо работают со скоростью ГГц, ограниченной электроникой. Таким образом, ранее сообщаемые работы по EIT, Фано-резонансу и плазмонным наноантеннам страдают от: (i) расширения плазмонных резонансов из-за потерь в металлах; (ii) нерегулируемой рабочей длины волны EIT/Фано; (iii) сложности одновременного достижения усиления >100 и поглощения >99%; (iv) низкой скорости переключения поляризации (ГГц).

В этой работе, используя FDTD и FEM, предложена и численно демонстрирована оптически активная плазмонная метаповерхность на основе гибридизации в‑плоскостного и вне‑плоскостного связывания. В этой системе EIT-подобный эффект достигается нарушением симметрии структуры, а рабочая длина волны EIT-окон настраивается изменением показателя преломления слоя CdO, который оптически управляется насосным светом. В этом рефлексивном спектре EIT получен высокий Q-фактор плазмонного резонанса при 1550 нм, значительно выше предыдущих работ. Благодаря поляризационной независимости метаповерхность с In-легированным CdO также функционирует как фемтосекундный поляризационный переключатель для TM-поляризованного света при 1550 нм. Настройка насоса спеktrально красносдвигает плазмонные резонансы, и метаповерхность достигает большой модуляционной глубины рефлексии TM-волны от 0,003 до 60%, сохраняя близкую к единице рефлексию для TE-волны. На наш взгляд, такая модуляционная глубина далеко превосходит ранее сообщаемые плазмонные коммутационные системы. Фемтосекундный поляризационный переключатель впервые численно демонстрирован на базе гибридизации в‑плоскостного и вне‑плоскостного связывания. Одновременно метаповерхность достигает близкого к идеальному поглощения >99,9% и максимального усиления поля 108, причем сильное усиление локализовано в круговой области диаметром всего 3 нм, что крайне полезно для детектирования одиночных молекул в поверхностно-усиленных спектроскопиях. Благодаря чувствительности к изменению преломления и ультраострому плазмонному резонансу структура также работает как ультравысокий FOM преломление-сенсор.

Методы

Предлагаемая метаповерхность схематично показана на рис. 1a. Рис. 1b — поперечное сечение элементарной ячейки с геометрическими параметрами: две группы золотых нанопрутиков и полимерный слой. В каждой группе два нанопрутика, разделенных нанщелью. Одна группа лежит на полимере, другая — встроена в него. Асимметричный массив нанопрутиков периодически расположен на толстом золотом подложке с периодом P = 1395 нм. Освещение нормально падающей TM-волной (магнитная составляющая перпендикулярна падающей). Для надежности использовали FDTD и FEM (COMSOL MULTIPHYSICS). Периодические граничные условия по x, идеально согласованный слой (PML) по y. Размер сетки 0,8 нм по x и y. Диэлектрическая проницаемость Au по модели Дрюда, преломление полимера 1,5. Фон — воздух (n=1). Поглощение A = 1 − R, так как золотое подложка непрозрачна (T=0).

Результаты и обсуждение

Рис. 2a показывает спектры рефлексии и поглощения около 1550 нм при нормальном падении TM-света. В спектре поглощения два четких пика при 1550 и 1588 нм с поглощением >99,9%. На спектре рефлексии (рис. 2b) наблюдается EIT-подобный ответ, результаты FDTD и FEM совпадают. Спектр рефлексии под TE-поляризацией (черная линия) близок к единице — поглощения нет. Поляризационная зависимость объясняется асимметричным дизайном: структура эффективно связывается с TM и остается темной для TE.

Для объяснения EIT рассмотрим упрощенную структуру без нанщи (рис. 2c) — два золотых нанопрутика с разными расстояниями до подложки. Её спектр рефлексии (рис. 2d) показывает EIT-подобный асимметричный ответ, вероятно, из-за связывания между прутиками. Исследуем процесс нарушения симметрии (рис. 3a-c). Изменение спектров при вариации Δd показано на рис. 3d. При Δd = 0 только один минимум рефлексии около 1653 нм (рис. 3e). С ростом Δd появляются два минимума (ω_Left и ω_Right). Увеличение Δd усиливает ω_Left и слегка красносдвигает его, а ω_Right остается около 1653 нм. Анализ указывает, что ω_Left связан с нанопрутиком A. Резонанс при 1395 нм (рис. 3d, g) соответствует возбуждению поверхностных плазмонно-поляритонов (SPP) на металлической решетке (вставка на рис. 3g).

Далее изучены спектры рефлексии систем с только нанопрутиком A или только B (рис. 4a, b). При TM-напряжении в системе с A возбуждается более узкая плазмонная мода (ω_A), с B — более широкая (ω_B). Магнитные поля на этих резонансах (рис. 4c, d) показывают: для ω_A поле локализовано в зазоре между A и подложкой, наблюдаются антипараллельные токи — магнитный резонанс, энергия рассеивается омическими потерями. Для ω_B токи циркулируют в противоположную сторону, также возбуждая магнитный резонанс. В системе с обоими прутиками (рис. 5a) наблюдаются два минимума (ω_Left, ω_Right) — двойной Фано-резонанс из-за асимметричной формы. Асимметричная Фано-образная линия и EIT-окно возникают от деструктивной интерференции узкой моды ω_A (рис. 4a) и широкой ω_B (рис. 4b). На наш взгляд, Фано-резонансы впервые наблюдаются в искусственных массивах одинаковых резонансов с асимметричным расположением.

Для глубокого понимания механизма ω_Left и ω_Right рассчитаны распределения магнитного и электрического полей (рис. 5). Магнитные поля локализованы в диэлектрическом слое между нанопрутиками и подложкой — ключевая черта вне‑плоскостного связывания. Для ω_Left поле в зазоре A-подложка, для ω_Right — в зазоре B-подложка. Электрические поля сильно усилены и локализованы в ультрамалых областях на краях прутиков. Определяем коэффициент усиления |E_loc|/|E_0| для оценки наноантенн. На рис. 5d, e усиление достигает 75. Однако, несмотря на усиление, по рис. 4c видно, что для близкого к идеальному поглощения остается работа, что дает малую модуляционную глубину. Широкий спектральный пик приводит к низкому Q-фактору, что мешает применению в сенсировании, переключении поляризации, замедлении света, где нужен острый резонанс.

Для одновременного достижения большого усиления, близкого к идеальному поглощения и высокого Q-фактора вводится гибридизация вне‑плоскостного и в‑плоскостного плазмонного связывания. Предложенная метаповерхность (рис. 1) демонстрирует превосходные поглощающие свойства (рис. 2). Особенно, FWHM резонанса при 1550 нм составляет 7 нм, Q = λ/FWHM = 1550/7 = 221,43 — намного выше предыдущих работ. Для физического понимания высоких Q Фано-резонансов и идеального поглощения построены распределения магнитного и электрического полей на резонансах 1550 нм (ω_1) и 1588 нм (ω_2) (рис. 6). Магнитное поле преимущественно в зазоре между золотым прутиком и подложкой, часть распространяется в нанщелю между двумя прутиками. В отличие от только вне‑плоскостного связывания (рис. 5d, e), электрическое поле также сильно локализовано в ультрамалой области между двумя прутиками (рис. 6c, d), что свидетельствует о сильном локализованном поверхностном плазмонном (LSP) связывании между ними. Максимальное усиление поля на резонансе достигает 108 — в 1,4 раза выше, чем у только пленка-связанной структуры (рис. 5d), и значительно превосходит ранее сообщаемые наноантенны. Ультрамалая «горячая точка» с сильным усилением ограничена круговой областью диаметром всего 3 нм. Такие гибридные системы одновременно обладают высоким поглощением, большим усилением поля и малым боковым разрешением, что крайне полезно для зондирования свойств одиночных молекул в поверхностно-усиленных спектроскопиях благодаря поддержке и LSP, и вне‑плоскостного связывания.

Из анализа рис. 2b известно, что метаповерхность связывается с TM и темна для TE благодаря асимметрии, что перспективно для поляризационного переключателя. Учитывая, что преломление PVA (поливиниловый спирт) меняется с мощностью насоса, рабочая длина волны плазмонных резонансов можно настраивать изменением преломления диэлектрика. Рис. 7a, b показывает, что структура работает как поляризационный переключатель на основе рефлективного поляризатора с настраиваемым резонансом для TM-света за счет изменения преломления PVA. Без внешнего стимула TM-свет полностью поглощается при 1550 нм («off»), а при 1565 нм полностью отражается («on»). Со стимулом Фано-резонанс TM-света смещается к 1565 нм («off»), и структура становится полностью рефлективной для TM при 1550 нм («on»). На рис. 7b видно изменение рефлексии от 0,009 до 98% при 1550 нм — модуляционная глубина далеко выше предыдущих плазмонных коммутаторов. Для TE-поляризации рефлексия остается близкой к единице с и без стимула («on»). Таким образом, реализован поляризационный переключатель для TM-света на базе рефлективного поляризатора с коэффициентом гашения 11 000 (R_TE/R_TM = 0,99/0,00009 = 11 000) при 1550 нм. Также рассчитано влияние угла поляризации φ на спектры рефлексии (рис. 7c). Поглощение ухудшается с ростом φ, так как падающее поле раскладывается на TE и TM компоненты, а TE отражается. На основе рис. 7c построены спроецированные выходные поляризации с и без насоса при 1550 и 1588 нм (рис. 7d).

In-легированный CdO — оптически настраиваемый плазмонный материал. Фемтосекундный поляризационный переключатель на фотоактивированной пленке CdO при 2,8 мкм экспериментально демонстрирован недавно. Для улучшения настраиваемости нашей EIT-структуры изучены оптические свойства метаповерхности с CdO. Схема CdO-метаповерхности с параметрами на рис. 8a. Преломление MgO и CdO взято из литературы. Рис. 8b показывает спектры рефлексии с и без насоса около 1568 нм. В статическом «on» состоянии структура — поляризатор, отражающий TE и полностью поглощающий TM при 1568 нм. В «off» состоянии она становится рефлективной для обеих поляризаций при 1568 нм, а резонанс TM смещается к 1581 нм из-за изменения преломления CdO внешним стимулом. Этот рефлективный поляризатор достигает огромного коэффициента гашения при 1568 нм для TM благодаря экстремально низкому R_min (рис. 8b). Огромный коэффициент гашения делает CdO-метаповерхность хорошей платформой для активного поляризационного управления. Преломление CdO настраивается мощностью насоса, что позволяет активно управлять рабочей длиной волны EIT-подобного эффекта. Насос не влияет на другие материалы (золото, MgO), подтверждено экспериментально.

Кроме того, благодаря чувствительности к преломлению и ультраострому резонансу, метаповерхность применима для детектирования изменения преломления окружения. Во многих работах по сенсированию измеряют интенсивность отраженного/пропущенного света при переменном преломлении среды на фиксированной длине волны. Рис. 9 демонстрирует, что двойные плазмонные резонансы красносдвигаются с ростом преломления среды. Чувствительность S достигает 1500 нм/RIU. FWHM резонансных провалов ω_1 и ω_2 составляет 7 и 7,5 нм, что дает FOM = S/FWHM_1 = 214,29 — ультравысокий показатель для НИК сенсора, далеко превосходящий большинство плазмонных сенсоров преломления.

Заключения

Предложена и исследована новая оптически настраиваемая гибридная метаповерхность, генерирующая EIT-подобные явления около 1550 нм, гибридизирующая в‑плоскостное ближнеполевое связывание между золотыми нанопрутиками и вне‑плоскостное между нанопрутиками и подложкой. В традиционном дизайне EIT-метаматериалов два резонансора разной формы (в планарной или вертикальной компоновке) работают как яркая и темная моды, индуцируя EIT через ярко-темное связывание. В нашей структуре две фундаментальные плазмонные моды возникают от двух одинаковых по форме резонансов с разными позициями — это ни планарная, ни вертикальная структура. Обе фундаментальные моды гибридной системы детально изучены. Введение In-легированного CdO позволяет оптически настраивать рабочую длину волны EIT. Одновременно метаповерхность впервые продемонстрирована как фемтосекундный поляризационный переключатель для TM-света при 1550 нм с коэффициентом гашения (R_TE/R_TM) намного выше предыдущих переключателей. Работая как плазмонные наноантенны, структура достигает сильного локального усиления поля (|E_loc|/|E_0| > 100) и близкого к идеальному поглощения (>99%) одновременно. Благодаря этим преимуществам предложенная метаповерхность является перспективным кандидатом для фемтосекундного поляризационного переключения, плазмонных наноантенн и сенсоров преломления с высоким FOM.

Аббревиатуры

EIT:

Электромагнитно индуцированная прозрачность

FDTD:

Конечно-разностный временной области

FE:

Усиление поля

FEM:

Метод конечных элементов

FOM:

Фигура качества

FWHM:

Полная ширина на полувысоте

PML:

Идеально согласованный слой

SEIRA:

Поверхностно-усиленное ИК-абсорбция

SERS:

Поверхностно-усиленное Рамановское рассеяние