Углонезависимый широкополосный поглотитель на основе графена с многощелевой метаповерхностью

Аннотация

Представлен численно оптимизированный углонезависимый поглотитель, который значительно повышает широкополосное оптическое поглощение графена во всем видимом диапазоне (450–800 нм). Интеграция монослойного графена с многощелевой серебряной метаповерхностью, разделенной 5-нм промежутком из PMMA, обеспечивает среднее поглощение 71,1 %. Пиковая длина волны настраивается изменением глубины щелей, а общая полоса пропускания контролируется числом и глубиной щелей. Структура сохраняет высокое поглощение (~61 % при угле падения 60°) несмотря на вариации структурных параметров.

Введение

Исключительные электронные, механические и настраиваемые оптические свойства графена делают его перспективным кандидатом для оптоэлектронных устройств, таких как фотодетекторы и солнечные элементы. Однако в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах собственное поглощение графена составляет всего 2,3 % при нормальном падении, что ограничивает генерацию электроно-дырочных пар и фототок. Были исследованы различные стратегии усиления поглощения: эффекты эпсилон-близких-к-нулю, кавитационные резонансы, ослабленное полное внутреннее отражение, резонансы направленных мод, критическое связывание, Фано-резонансы, плазмонные и магнитные резонансы. Большинство из них дают узкую полосу пропускания из-за резонансной природы. Недавние работы расширили полосу за счет введения дополнительных каналов связи света, таких как патчевые резонаторы и множественные массивы нанодисков Ag. Тем не менее, широкополосные углонезависимые поглотители, покрывающие весь видимый спектр, остаются редкими.

Методы

Предлагаемая структура изображена на рис. 1. Она состоит из плоского графенового слоя, структурированной серебряной пленки с пятью параллельными щелями и промежутка из полиметилметакрилата (PMMA), который медиатор электромагнитной связи. Элементарная ячейка имеет период Λ, толщину промежутка t, толщину нижнего серебряного слоя D, геометрию щелей заданную шириной w и глубинами d1–d5. Преломляющий индекс PMMA равен 1,49, оптические константы серебра взяты из Palik. Графен моделируется как бесконечно тонкий лист с поверхностной проводимостью σg, выведенной из формулы Кубо. Параметры симуляции: μc=0,15 эВ, T=300 К, τ=0,5 пс. Расчеты методом конечных разностей во временной области (FDTD) с периодическими граничными условиями по x и идеально согласованными слоями по z дают коэффициенты отражения R и прохождения T. Полное поглощение A = 1−R, поглощение в графене Ag вычисляется из потока мощности через графеновый слой.

Результаты и обсуждение

Спектр поглощения метаповерхности без графена (рис. 2a) показывает поведение плазмонного поглотителя с усиленным поглощением во всем видимом диапазоне. Добавление графена (рис. 2b) резко увеличивает поглощение во всем окне 400–800 нм, давая среднее полное поглощение 92,7 %. Основная часть поглощенной энергии сосредоточена в графене: среднее поглощение графена составляет 71,1 % между 450 и 800 нм. Усиление зависит от TM-поляризации; при TE-освещении значительного увеличения не наблюдается.

Распределения полей (рис. 3) показывают, что электрическое поле концентрируется у углов щелей (по x), что указывает на электрический дипольный резонанс, а магнитное поле пикует внутри полости щели (перпендикулярно плоскости xoz), соответствующее магнитному дипольному резонансу. Одновременное возбуждение этих мод в нескольких щелях разной глубины создает широкий поглощающий диапазон, охватывающий видимый спектр.

Для определения механизма резонанса анализируется структура с одной щелью. Условие кавитационного резонанса для TM0 мод: 2neff dg + ½λ = Mλ (M=1). Эффективный индекс neff получается из дисперсии четных мод волновода металл-диэлектрик-металл. Симуляции подтверждают, что увеличение глубины щели смещает пик поглощения графена к большим длинам волн (рис. 4). Пиковые позиции хорошо согласуются с теоретическим предсказанием, демонстрируя, что глубина щели напрямую настраивает пик поглощения по всему видимому диапазону. Это подтверждает широкополосный механизм, основанный на множественных дипольных связях.

Устойчивость поглотителя к толщине промежутка продемонстрирована на рис. 5. Увеличение слоя PMMA с 5 до 20 нм сохраняет широкополосное поглощение, хотя полоса слегка смещается к большим длинам волн, а среднее поглощение уменьшается из-за более слабого связывания.

Влияние толщины графена (числа монослоев N) и ширины щели w изучено на рис. 6. Увеличение N до 10 дает существенный прирост поглощения, дальнейший рост дает убывающий эффект, насыщаясь около N=30. Ширина щели в основном влияет на резонансную длину волны; оптимальная ширина 30 нм, отклонения ±10 нм снижают характеристики.

Угловая характеристика — ключевое преимущество: рис. 7 показывает, что даже при угле падения 60° поглощение графена остается выше 61 % по всему диапазону 450–800 нм. Механизм дипольного связывания внутри щелей в значительной мере инвариантен к углу падения, обеспечивая углонезависимое широкополосное поглощение — редкое свойство для графеновых поглотителей.

Заключение

Продемонстрирована многощелевая метаповерхность, наделяющая графен углонезависимым широкополосным поглощением по всему видимому спектру. Проекция использует множественные электрические и магнитные дипольные резонансы в полостях щелей, обеспечивая среднее поглощение 71,1 % между 450 и 800 нм. Пик поглощения настраивается глубиной щели, полоса пропускания — числом и глубиной щелей. Характеристики устойчивы к вариациям толщины промежутка, числа слоев графена, ширины щелей и угла падения, что делает эту архитектуру высокопривлекательной для всесторонних фотодетекторов, фотоэлементов и других графеновых оптоэлектронных устройств.

Аббревиатуры

FDTD

Метод конечных разностей во временной области

MIM

Металл-диэлектрик-металл

PBCs

Периодические граничные условия

PMLs

Идеально согласованные слои

PMMA

Полиметилметакрилат