Проектирование и моделирование настраиваемых метаповерхностных цветовых фильтров с алюминием и ниобата лития

Аннотация

Предложены и численно изучены два дизайна метаповерхностных цветовых фильтров (МЦФ) с конфигурациями алюминия и ниобата лития (LN). Они обозначаются как настраиваемая алюминиевая метаповерхность (TAM) и настраиваемая LN метаповерхность (TLNM) соответственно. Конфигурации МЦФ состоят из подвешенных метаповерхностей над зеркальными слоями алюминия для формирования Фабри-Перо (Ф-П) резонатора. Резонансы TAM и TLNM краснеют с диапазонами настройки 100 нм и 111 нм соответственно при изменении зазора между нижним зеркальным слоем и верхней метаповерхностью. Кроме того, предложенные устройства демонстрируют идеальную абсорбцию с ультраузкой полосой пропускания, охватывающей весь видимый спектральный диапазон, при подборе соответствующих геометрических параметров. Для увеличения гибкости и применимости предложенных устройств TAM демонстрирует высокую чувствительность 481,5 нм/RIU, а TLNM — высокую фигуру méрита (FOM) 97,5, когда устройства экспонированы в окружающей среде с разными показателями преломления. Применение LN-базированной метаповерхности может улучшить значения FWHM и FOM в 10 и 7 раз по сравнению с Al-базированной метаповерхностью, что значительно улучшает оптические характеристики и показывает большой потенциал в сенсорных приложениях. Эти предложенные дизайны предоставляют эффективный подход для настраиваемых высокоэффективных цветовых фильтров и сенсоров с использованием LN-базированных метаматериалов.

Введение

Недавно исследовательский прогресс метаматериалов продвинулся к реализации настраиваемых метаповерхностей, позволяющих управлять в реальном времени их геометрическими и оптическими свойствами, создавая исключительные возможности в области активно настраиваемых метаматериалов. О них сообщалось в видимом [1,2,3,4,5,6], инфракрасном (ИК) [7,8,9,10,11,12] и терагерцевом (THz) [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21] спектральных диапазонах. Поскольку уникальные оптические свойства метаповерхностей основаны на взаимодействии падающего света с наноструктурой, желаемые свойства могут быть достигнуты путем правильного подбора формы, размера и состава структуры. Метаповерхности позволили манипулировать ближнеполевыми сущностями, обеспечивая реконфигурацию интригующих особенностей, таких как магнитный отклик [1, 22], почти идеальная абсорбция [14, 15, 23], прозрачность [17, 19], фазовая инженерия [18, 20, 21, 24], МИР сенсинг и термическое изображение [10], модуляция резонанса [9] для многих типов фильтров [1,2,3,4,5] и сенсоров [6,7,8, 12,13,14] применений.

На сегодняшний день сообщается множество механизмов активной настройки для улучшения гибкости метаповерхностей. Большинство дизайнов находятся в ИК [10,11,12, 25,26,27] и THz [28,29,30,31] спектральных диапазонах. Хотя существовало различные сообщенные подходы для активно настраиваемых метаповерхностей в видимом спектральном диапазоне, такие как механическое растяжение [32], электростатическая сила [33], резонанс Ми [34], жидкий кристалл [35], фазово-переходный материал [36,37,38] и электрооптический материал [39, 40], количество исследований активно настраиваемых метаповерхностей в видимом диапазоне ограничено. Среди механизмов электрооптических методов, графит-базированные настраиваемые метаповерхности недавно привлекли огромное внимание исследователей [41,42,43]. Кроме того, ниобат лития (LN) — один из важнейших материалов, рассматриваемый как «кремний фотоники». Подходы метаповерхностей на LN привлекли большое внимание благодаря его широкому окну прозрачности, большому коэффициенту электрооптического эффекта второго порядка до 30 пм/В и отличной совместимости с интегрированными фотонными схемами [44]. Благодаря большой нелинейной susceptибельности второго порядка показатель преломления LN может быть линейно настроен приложением электрического поля [44]. Включение LN в дизайн метаповерхностей открывает возможности для ультрачувствительных цветовых фильтров с электрооптической активной настройкой. Вышеупомянутые методы активной настройки сильно зависят от нелинейных свойств природных материалов. Они часто лишены желательных характеристик, таких как большой диапазон настройки и единообразная производительность по всему диапазону настройки или требуют высокое управляющее напряжение, что серьезно ограничивает их применения. Среди этих методов активно настраиваемые метаматериалы с использованием технологий микро-электро-механических систем (МЭМС) широко изучаются, так как геометрические характеристики метаматериала могут быть напрямую модифицированы [26, 29]. МЭМС-базированные настраиваемые метаматериалы часто используют Фабри-Перо (Ф-П) полость и затем меняют зазор между двумя структурными слоями для настройки резонанса [37, 45]. Эти структуры могут производить узкую абсорбционную или пропускную полосу с большим диапазоном настройки, что делает их желательными для приложений следующего поколения.

В данном исследовании представлены два дизайна метаповерхностных цветовых фильтров (МЦФ). Это настраиваемая Al-базированная метаповерхность (TAM) и настраиваемая LN-базированная метаповерхность (TLNM) с использованием симуляций на основе метода конечных разностей во временной области (FDTD) Lumerical Solution для исследования их оптических характеристик в видимом спектральном диапазоне. Направление распространения падающего света установлено перпендикулярно x–y плоскости в численных симуляциях. Угол поляризации падающего света установлен как 0, что означает, что электрический вектор осциллирует вдоль направления x-оси как TM поляризация. Периодические граничные условия также приняты в x и y направлениях, и идеально согласованные слои (PML) граничные условия предполагаются в обеих z направлениях. Интенсивность отражения рассчитывается монитором, установленным над устройством. Предложенные устройства демонстрируют активную настраиваемость и большие диапазоны настройки. TAM и TLNM демонстрируют почти идеальные ультраузкополосные абсорбции, охватывающие весь видимый спектральный диапазон. Для приложений экологического сенсинга TAM демонстрирует высокую чувствительность, а TLNM — высокую FOM. Эти дизайны могут потенциально использоваться в высокоразрешающих дисплеях, сенсорах показателя преломления и адаптивных устройствах в видимом спектральном диапазоне.

Дизайны и методы

Рисунок 1а показывает схематические чертежи предложенных TAM и TLNM. Они состоят из подвешенных прямоугольных Al и эллиптических LN метаповерхностей на Si подложке, покрытой Al зеркальным слоем наверху. Зазор между нижним Al зеркальным слоем и верхней метаповерхностью может быть настроен с использованием МЭМС технологии для формирования Ф-П полости между этими двумя слоями. Соответствующие геометрические размеры — длина прямоугольного отверстия в Al метаповерхности и две оси эллиптического отверстия в LN метаповерхности вдоль x-направления (D_x) и y-направления (D_y), периоды вдоль x-направления (P_x) и y-направления (P_y), толщина метаповерхности (t) и зазор между метаповерхностью и нижним зеркальным слоем (g). Здесь определяем отношения периодов и длин прямоугольной Al метаповерхности и эллиптической LN метаповерхности вдоль x-направления и y-направления как K_x = P_x/D_x и K_y = P_y / D_y соответственно, чтобы определить эффективные электромагнитные отклики во всем видимом спектральном диапазоне.

а Схематические чертежи TAM и TLNM. б–в Спектры отражения TAM с разными (б) D_x, (в) K_x и (г) K_y значениями

Рисунок 1б–в показывает спектры отражения TAM при изменении D_x, K_x и K_y значений соответственно. На рис. 1б параметры сохранены постоянными как D_y = 200 нм, g = 450 нм и K_x = K_y = 1,2. Почти идеальные абсорбционные спектры сохраняются при изменении значений D_x от 110 нм до 200 нм. Резонанс находится на длине волны 535 нм. Рисунок 1в показывает спектры отражения TAM с разными K_x значениями. Другие параметры постоянны как D_x = D_y = 200 нм, g = 450 нм и K_y = 1,2. Резонансы почти остаются постоянными в диапазоне длин волн 530–540 нм. Рисунок 1г показывает спектры отражения TAM с разными K_y значениями. Другие параметры постоянны как D_x = D_y = 200 нм, g = 450 нм и K_x = 1,2. Изменяя значения K_y от 1,1 до 1,5, резонансы синеют с меняющимся диапазоном длины волны менее 60 нм. Эти результаты указывают на то, что влияние значений D_x, K_x и K_y на резонансную длину волны TAM незначительно, что означает, что предложенный TAM обладает высокой толерантностью к производственным отклонениям для вариаций значений D_x, K_x и K_y. В дальнейших обсуждениях K_x и K_y сохраняются постоянными как 1,2, а D_x устанавливается равным D_y для исследования активной настраиваемости предложенных устройств TAM и TLNM.

Результаты и обсуждение

Для увеличения гибкости и применимости предложенного устройства метаповерхность спроектирована подвешенной, чтобы оставить зазор между собой и нижним зеркальным слоем для формирования Ф-П резонатора, в результате чего падающий свет будет заперт в этом зазоре и затем поглощен устройством. Что касается D_y и g значений как основных факторов, вносящих вклад в сдвиг резонансной длины волны, почти идеальная абсорбция TAM может быть настроена во всем видимом спектральном диапазоне путем подбора значений D_y и g, как показано на рис. 2а. Выбраны четыре пары значений D_y и g для исследования настраиваемости TAM. Это (D_y, g) = (160 нм, 355 нм), (200 нм, 450 нм), (240 нм, 540 нм), (280 нм, 645 нм) соответственно. Составляя значения D_y и g, идеальная абсорбция может быть реализована на разных длинах волн 433,9 нм, 533,5 нм, 629,8 нм и 740,9 нм. Вставленные цветные изображения на рис. 2а — соответствующие видимые цвета отражательных спектров для человеческого глаза, рассчитанные с использованием CIE RGB функций сопоставления для имитации реальных цветов на поверхностях устройств. Соотношение резонансов и значений D_y обобщено и построено на рис. 2б. Резонансы краснеют линейно, охватывая весь видимый спектральный диапазон, при увеличении значений D_y от 150 нм до 290 нм. Соответствующий коэффициент коррекции составляет 0,99401. Это показывает большую настраиваемость предложенного устройства TAM. Резонансная частота Ф-П резонатора может быть определена [46] как

$$ {v}_q=\frac{qc}{2g} $$ (1)

а Спектры отражения TAM с разными D_y и g значениями. б Соотношение резонансов и значений D_y

где q — индекс моды, g — длина Ф-П полости, и c = c₀/n, где c₀ — скорость света в вакууме, а n — показатель преломления среды. Это указывает на то, что резонансная частота может быть настроена перемещением подвешенной метаповерхности вертикально в этом предложенном дизайне, то есть изменением значения g.

Рисунок 3 показывает спектры отражения TAM с разными g значениями при условиях D_y = 200 нм (рис. 3а) и D_y = 250 нм (рис. 3б) соответственно. На рис. 3а резонансы краснеют от длины волны 490 нм до 590 нм при изменении значений g от 410 нм до 510 нм. Диапазон настройки составляет 100 нм. Наименьшая полная ширина на полувысоте (FWHM) резонанса — 29,9 нм для g = 470 нм. На рис. 3б резонансы краснеют от длины волны 580 нм до 691 нм при изменении значений g от 490 нм до 610 нм. Диапазон настройки — 111 нм. Наименьшая FWHM резонанса — 31,8 нм для g = 530 нм. Диапазон настройки в 2 раза больше по сравнению со ссылкой [39] и лучше, чем сообщалось ранее в ссылках [37, 38, 40]. Рисунок 3в, г показывает соответствующие соотношения резонансов и значений g для рис. 3а, б соответственно. Резонансы краснеют линейно на 9,2 нм на 10 нм приращение g значения, как показано на рис. 3в, и на 9,0 нм на 10 нм приращение g значения, как показано на рис. 3г. Диапазоны настройки составляют 90,5 нм и 110,7 нм соответственно. Все спектры отражения являются почти идеальными абсорбциями. Соответствующие коэффициенты коррекции — 0,99950 и 0,99969 соответственно. Такие дизайны предложенного TAM могут служить ультрачувствительными цветовыми фильтрами или использоваться в различных сенсорных приложениях.

Спектры отражения TAM с разными g значениями при условиях аD_y = 200 нм, бD_y = 250 нм. в, г Соотношения резонансов и g значений а и б соответственно

Для улучшения характеристик TAM в терминах FWHM и диапазона настройки длины волны при сохранении почти идеальной абсорбции, предложена и представлена TLNM, как показано на рис. 1а. Это связано с тем, что структурирование наноструктур всегда страдает от углового эффекта и производственных отклонений, поэтому геометрический паттерн спроектирован как эллиптическое отверстие. Параметры D_x и D_y представляют длины большой и малой осей вдоль x- и y-направлений соответственно, в то время как параметры K_x и K_y сохраняются постоянными как 1,2, а значение D_x равно 110 нм. Рисунок 4а показывает спектры отражения TLNM с четырьмя комбинациями значений D_y и g. Значение t сохраняется постоянным как 200 нм. TLNM демонстрирует характеристику идеальной абсорбции с ультраузкой полосой пропускания, охватывающей весь видимый спектральный диапазон. Значения FWHM спектров отражения составляют 3 нм. Такая ультраузкая FWHM обусловлена Ф-П резонансом, который может быть определен как

$$ \mathrm{FWHM}=\frac{\lambda_q^2}{2\pi g}\frac{1-R}{\sqrt{R}} $$ (2)

а Спектры отражения TLNM с разными D_y и g значениями. б Соотношение резонансов и значений D_y

где λ_q — резонансная длина волны, индекс q — индекс моды, g — длина Ф-П полости, и R — отражательная способность поверхностей Ф-П резонатора между нижней Al метаповерхностью и Al/LN метаповерхностью наверху. Значение FWHM может быть снижено в результате более высокой интенсивности отражения TLNM, что означает, что оптические характеристики могут быть значительно улучшены использованием LN материала. Соотношение резонансов и значений D_y на рис. 4а обобщены на рис. 4б. Резонансы краснеют линейно от 427 нм до 673 нм при увеличении значений D_y от 250 нм до 500 нм, и соответствующий коэффициент коррекции составляет 0,97815. Следовательно, это демонстрирует линейную настраиваемость предложенного устройства.

Подвешенная эллиптическая LN метаповерхность подвижна, что позволяет напрямую модифицировать ее для достижения оптической настраиваемости с использованием МЭМС технологии. Рисунок 5а, б показывает спектры отражения TLNM с разными g значениями при двух условиях D_y = 350 нм, t = 210 нм, и D_y = 450 нм, t = 280 нм соответственно. На рис. 5а, увеличивая значения g от 390 нм до 570 нм, резонансы краснеют от 465,9 нм до 553,5 нм. На рис. 5б, увеличивая значения g от 540 нм до 780 нм, резонансы краснеют от 613,6 нм до 731,2 нм. Рисунок 5в, г показывает соответствующие соотношения резонансов, значений g и соответствующих значений FWHM для рис. 5а, б соответственно. Резонансы краснеют довольно линейно. Соответствующие коэффициенты коррекции — 0,99864 и 0,99950 для двух случаев соответственно. Для случая D_y = 350 нм, t = 210 нм, диапазон настройки составляет 87,6 нм, а среднее значение FWHM — 3 нм, как показано на рис. 5в. В то время как для случая D_y = 450 нм, t = 280 нм, диапазон настройки составляет 117,6 нм, а среднее значение FWHM — 4 нм, как показано на рис. 5г. Можно увидеть, что наименьшее значение FWHM — 1,5 нм при длине волны 466 нм, как показано на рис. 5а, и 3,2 нм при длине волны 615 нм, как показано на рис. 5б. Сравнивая с результатами предложенных TAM дизайнов, значения FWHM TLNM улучшены как минимум в 10 раз, сохраняя идеальную абсорбцию. Это огромное улучшение оптических характеристик использованием LN метаповерхности. Эти результаты указывают на то, что TLNM может потенциально использоваться во многих приложениях, таких как ультрачувствительные цветовые фильтры, абсорберы, детекторы и сенсоры, согласно этим выдающимся характеристикам ультраузкой полосы, идеальной абсорбции и большого диапазона настройки.

Спектры отражения TLNM. Параметры оптимизированы для максимального настраиваемого диапазона при условиях аD_y = 350 нм, t = 210 нм, бD_y = 450 нм, t = 280 нм. в, г Соотношения резонансов, g значений и соответствующих значений FWHM а и б соответственно

Для дальнейшего исследования, могут ли устройства TAM и TLNM быть имплантированы в практические приложения, например, сенсоры окружающей среды, они экспонированы в окружающей среде с разными фоновыми показателями преломления (n). Рисунок 6 показывает спектры отражения TAM, экспонированного в окружающей среде с разными показателями преломления от 1,0 до 1,3. Геометрические размеры TAM сохранены постоянными как D_x = 110 нм, D_y = 200 нм и g = 450 нм. Существует два резонанса, краснеющих с диапазонами настройки 84,6 нм (ω₁) и 172,1 нм (ω₂). Соотношения резонансов и значений n обобщены на рис. 6б. Чувствительности рассчитаны как 246,7 нм/RIU и 481,5 нм/RIU, а соответствующие фигуры méрита (FOM) — 11 и 14 для первого резонанса (ω₁) и второго резонанса (ω₂) соответственно. Эти более высокие чувствительности вызваны узкой FWHM резонансов, составляющих 21,6 нм (ω₁) и 34 нм (ω₂). Эти характеристики вполне подходят для прагматических сенсорных приложений.

а Спектры отражения TAM в окружающей среде с разными показателями преломления (n). б Соотношение резонансов и значений n

Однако недостаток в том, что интенсивность отражения ω₁ относительно высока, а ω₂ увеличивается до более 20% при увеличении n до 1,3. Для преодоления этого ограничения TLNM спроектирована для обладания стабильными оптическими свойствами благодаря характеристикам LN метаповерхности. Рисунок 7 показывает спектры отражения TLNM в окружающей среде с разными значениями n при условиях D_y = 350 нм, t = 210 нм, g = 490 нм и D_y = 450 нм, t = 280 нм, g = 580 нм, как показано на рис. 7а, б соответственно. На рис. 7а резонансы TLNM с D_y = 350 нм, t = 210 нм, g = 490 нм краснеют с диапазоном настройки 58,4 нм при увеличении значений n от 1,0 до 1,2. В то время как резонансы TLNM при условиях D_y = 450 нм, t = 280 нм, g = 580 нм краснеют с диапазоном настройки 78,2 нм при увеличении значений n от 1,0 до 1,2. В этих двух случаях TLNM демонстрирует почти идеальную абсорбцию, где флуктуация интенсивности отражения менее 5%. Спектры отражения более стабильны, чем у TAM. Соотношения резонансов и значений n построены на рис. 7в, г для двух случаев соответственно. Для условия TLNM с D_y = 350 нм, t = 210 нм, g = 490 нм, чувствительность и среднее значение FWHM составляют 291,4 нм/RIU и 3 нм соответственно. Соответствующий FOM рассчитан как 97, как показано на рис. 7в. Для условия TLNM с D_y = 450 нм, t = 280 нм, g = 580 нм, чувствительность и среднее значение FWHM составляют 390,3 нм/RIU и 4 нм соответственно. Соответствующий FOM рассчитан как 97,5, как показано на рис. 7г, что улучшено в 7 раз по сравнению с TAM на рис. 6. Это означает, что TLNM показывает лучшую сенсорную производительность для использования в приложениях экологических сенсоров.

Спектры отражения TLNM в окружающей среде с разными показателями преломления (n) при условиях аD_y = 350 нм, t = 210 нм, g = 490 нм, бD_y = 450 нм, t = 280 нм, g = 580 нм. в, г Соотношения резонансов, значений n и соответствующих значений FWHM соответственно

Заключение

В заключении, мы представили два дизайна настраиваемых высокоэффективных цветовых фильтров на основе подвешенных прямоугольных Al и эллиптических LN метаповерхностей на Si подложке, покрытой Al зеркальным слоем наверху. Изменяя разные композиции значений D_x, g и t TAM и TLNM, электромагнитные отклики могут выполнять идеальную абсорбцию с ультравысокой эффективностью, охватывающую весь видимый спектральный диапазон. Увеличивая значения g, резонансы TAM и TLNM могут быть настроены на 110,7 нм и 117,6 нм соответственно. Для приложений экологического сенсинга TAM демонстрирует ультравысокую чувствительность 481,5 нм/RIU, а TLNM — ультравысокую FOM величину 97,5. FWHM TLNM улучшено в 10 раз максимум, а FOM может быть улучшено в 7 раз по сравнению с TAM. Согласно вышеупомянутым характеристикам ультраузкой полосы, особенно FWHM 3 нм для TLNM, идеальной абсорбции и большому диапазону настройки, которые редко сообщаются в видимом спектре одновременно при имплантации Al или LN метаповерхности, указывает на то, что предложенные устройства могут потенциально использоваться во многих приложениях, таких как ультрачувствительные цветовые фильтры с высокой цветовой чистотой, высокое разрешение для дисплеев и технологий изображения, высокоэффективные настраиваемые абсорберы, желаемые в интегрированной оптике, сенсоры показателя преломления и т.д. Среди этих приложений TLNM демонстрирует производительность с более высокой FOM и более узкой FWHM, в то время как TAM обладает более высокой чувствительностью для сенсоров показателя преломления.

R-схема Ti3C2 MXene/MoS2 2D/2D гетероструктуры: Прорыв в фотокаталитической эффективности GaAs наноантенный солнечный абсорбер: Ультраширокополосный захват света для высокоэффективных тонких элемент…