Высокоэффективный широкоугольный поглотитель на нанодирах с резонансом пустотного плазмона и ультрасильным усилением поля

Аннотация

Представлен широкополосный высокоэффективный поглотитель, использующий эффект пустотного плазмона (VP) в архитектуре типа Фабри-Перо (FP). Структура состоит из перфорированной серебряной пленки, промежточного слоя оксида алюминия и непрерывного серебряного заземляющего слоя. Гибридный резонанс FP/VP обеспечивает пик поглощения 99,8 % около 635 нм, одновременно усиливая локальную интенсивность электрического поля в горячих точках в 2284 раза. Настройка толщины верхнего слоя или показателя преломления окружающей среды позволяет точно смещать резонансную длину волны, что позволяет устройству работать как рефрактометрический датчик с теоретической фигурой мерита (FOM) 3,16. Данный дизайн предлагает универсальную платформу для фотонных приложений нового поколения: солнечная энергетика, фотодетекторы и термические излучатели.

Введение

Поверхностный плазмонный резонанс (SPR) — это коллективные колебания проводимых электронов на границе благородных металлов/диэлектриков, который может драматически усиливать поглощение света в плазмонных структурах. Конвенциональные SPR-поглотители — от решетчатых массивов до металлических наночастиц и нанодирачных пленок — широко изучались для настройки производительности в видимом диапазоне через геометрию, материалы или диэлектрическое окружение.

Существует две основные категории SPR: распространяющиеся поверхностные плазмоны (PSP) и локализованные поверхностные плазмоны (LSP). Наночастичные массивы преимущественно демонстрируют LSP, тогда как нанодирачные массивы поддерживают и PSP, и пустотные плазмоны (VP). VP — подвид LSP, уникальный для дирачных структур, поддерживающий дипольные резонансы, подобные металлическим наночастицам. В то время как PSP может достигать почти идеального поглощения, они высокочувствительны к углу падения, снижая общую эффективность. Напротив, VP-индуцированное поглощение в значительной мере нечувствительно к углу и поляризации, но исторически было ниже по величине, чем FP-движимое поглощение. Недавние исследования подчеркнули потенциал VP для рефрактометрического сенсирования, что подчеркивает необходимость систематического исследования VP-базированных поглотителей.

В этой работе представлено комплексное исследование поглотителя на нанодирачном массиве, объединяющего FP-резонанс в диэлектрическом промежточном слое и VP-резонанс в перфорированном верхнем слое. Полученный гибридный режим достигает эффективности поглощения до 99,8 % при сохранении нечувствительности к углу падения и поляризации. Более того, резонансная длина волны настраивается через структурные параметры, открывая путь к высокопроизводительным поглотителям и рефрактометрическим датчикам.

Методы

Архитектура поглотителя (рис. 1) включает верхний серебряный слой с квадратным массивом дыр, 250-нм промежточный слой Al₂O₃ и толстый нижний серебряный слой (≥ глубины скин-слоя) для подавления прохождения. Толщины слоев обозначены h1 (верхний Ag), h2 (Al₂O₃), h3 (нижний Ag). Период квадратных дыр p и длина ребра w определяют геометрию нанодир. Оптические константы серебра описаны моделью Лоренца-Друда, показатель преломления Al₂O₃ n_d = 1,76. Используется метод конечных разностей во временной области (FDTD) для расчета оптических откликов: область моделирования 200 × 200 × 2000 нм³, сетка 1 × 1 × 1 нм³, время моделирования 1000 фс. Периодические граничные условия по x и y, идеально согласованный слой (PML) по z.

Результаты и обсуждение

Базовые параметры: p = 200 нм, w = 60 нм, h1 = 20 нм, h2 = 250 нм, h3 = 200 нм. При нормальном падении спектр поглощения (рис. 2a) показывает выраженный пик при 635 нм с эффективностью 99,8 %, а также FP-пики при 372, 546 и 1113 нм. Спектральная декомпозиция (рис. 2b) подтверждает, что пик 635 нм происходит от взаимодействия VP-резонанса в нанодирах и FP-резонанса в промежточном слое. Пик нечувствителен к изменению показателя преломления среды, указывая на плазмонную природу, что дополнительно верифицируется устранением PSP (максимальная длина волны PSP 480 нм) и сохранением признака 635 нм.

Угло-зависимые моделирования (рис. 3) показывают, что VP-пик остается фиксированным для TE-поляризации и слегка смещается для TM, в то время как FP-пики демонстрируют выраженные синие сдвики. Это поведение обусловлено тем, что VP-возбуждение не зависит от поляризации и угла падения, тогда как FP-резонанс следует условию стоячей волны:

\(\left(4\pi h_2/\lambda\right)\sqrt{n_d^2-\sin^2\theta}+\phi_1+\phi_2=2\pi m\)

Карты электромагнитного поля (рис. 4) показывают, что FP- моды замыкают поля внутри промежточного слоя, тогда как VP-мода локализует электрическое поле на краях нанодир, усиливая интенсивность поля в 2284 раза относительно падающего поля. Распределения магнитного поля подтверждают локализованную природу VP-моды.

Вариация толщины промежточного слоя h2 (20–500 нм) (рис. 5a) линейно смещает FP-резонансные длины волн, и когда они совпадают с VP-резонансом, возникает гибридный FP-VP режим. Особенно, VP-мода может исчезать возле резонанса из-за деструктивной интерференции, снижая поглощение. Уменьшение h2 ниже 50 нм вызывает красный сдвиг и снижение VP-поглощения из-за образного зарядного связывания с нижним зеркалом. Аналогично, настройка толщины верхнего слоя h1 (10–30 нм) настраивает VP-резонанс (рис. 5b), более тонкие верхние слои вызывают красный сдвиг и снижение пиковой интенсивности.

Геометрическая настройка нанодир также модулирует резонансное поведение. Увеличение w от 50 до 150 нм вызывает красный сдвиг как FP, так и VP пиков из-за более длительного времени транзита электронов и ближнеполевого связывания. Вариация p (100–500 нм) смещает первый FP-пик и VP-резонанс, тогда как высокопорядковые FP- моды остаются в значительной мере неизменными. Эти тренды согласуются с эффективно-средней теорией и дипольно-взаимодействием.

Чувствительность VP-резонанса к диэлектрическому заполнению дыр делает его идеальным сенсинговым механизмом. Рефлексионные спектры для показателей преломления дыр n = 1,332–1,372 (Δn = 0,01) (рис. 6a) показывают линейный красный сдвиг VP-пика, тогда как FP-пики остаются неизменными. Длиноволновая чувствительность S_λ ≈ 186 нм/RIU и ширина VP-линии (~59 нм) дают FOM ≈ 3,16, сопоставимое с датчиками на металлических наночастицах и решетчатых структурах.

Заключение

Мы продемонстрировали через FDTD-моделирование, что трехслойный поглотитель на нанодирачном массиве может достигать 99,8 % поглощения и 2284-кратного усиления электрического поля при резонансе пустотного плазмона. Гибридный FP-VP режим не зависит от угла, устойчив к поляризации и настраивается через структурные параметры, предлагая двухфункциональную платформу для высокоэффективных фотонных устройств и рефрактометрического сенсирования (FOM = 3,16). Это исследование устанавливает резонанс пустотного плазмона как мощный механизм для проектирования многофункциональных поглотителей.

Аббревиатуры

FDTD:

Метод конечных разностей во временной области

FOM:

Фигура мерита

FP:

Фабри-Перо

LSPs:

Локализованные поверхностные плазмоны

MIM:

Металл-диэлектрик-металл

PML:

Идеально согласованный слой

PSPs:

Распространяющиеся поверхностные плазмоны

SPR:

Поверхностный плазмонный резонанс

TE:

Трансверсально-электрическая

TM:

Трансверсально-магнитная

VPs:

Пустотные плазмоны