Winkelunempfindliche Breitbandabsorptionsverbesserung von Graphen unter Verwendung einer Metaoberfläche mit mehreren Rillen

Hintergrund

Graphen hat sich aufgrund seiner bemerkenswerten elektronischen, mechanischen und abstimmbaren optischen Eigenschaften als guter Kandidat für optoelektronische Geräte erwiesen [1,2,3]. Für viele Anwendungen wie Photodetektion und Solarzellen ist eine starke Absorption von Graphen erwünscht, um eine große Menge an Elektron-Loch-Paaren zu erzeugen und einen großen Photostrom zu erzeugen [4, 5]. Vom Terahertz- bis zum mittleren Infrarotbereich verhält sich Graphen wie ein Metall und kann aufgrund seiner starken plasmonischen Reaktion als guter Absorber fungieren [6,7,8]. Im Gegensatz dazu zeigt Graphen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich eine nahezu wellenlängenunabhängige Absorption von etwa 2,3 % bei senkrechtem Einfall [9], was seine weitere Anwendung bei der photoelektrischen Detektion stark einschränkt.

In den letzten Jahren wurden verschiedene Ansätze vorgeschlagen, um die Lichtabsorption von Graphen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich zu verbessern. 12,13], abgeschwächte Totalreflexion [14], Geführte-Mode-Resonanz [15,16,17,18], kritische Kopplung [19,20,21], Fano-Resonanz [22, 23], plasmonische Resonanz [24,25 ,26] und Magnetresonanz [27,28,29]. Leider sind die Bandbreiten dieser Absorber aufgrund ihrer Resonanznatur im Allgemeinen schmal. Vor kurzem wurde gezeigt, dass die Absorptionsbandbreite von Graphen durch die Erhöhung der Lichtabsorptionskanäle erweitert werden kann [30,31,32,33,34,35]. Einerseits kann durch die Verwendung des Patch-Resonators [30] oder der Ag-Nanodisk-Arrays [31] eine Dualband-Lichtabsorptionsverstärkung von Graphen erreicht werden. Mehr Lichtabsorptionskanäle von Graphen können realisiert werden, indem die Dicke des Wellenleiters erhöht wird [32], und eine Breitbandabsorptionsverbesserung von Graphen ist möglich, indem mehrere Ag-Nanodisk-Arrays verwendet werden [33]. Andererseits können die Winkelabsorptionskanäle von Graphen durch Verwendung einer Konfiguration mit abgeschwächter Totalreflexion [34] vergrößert werden, und eine winkeldichte kammartige verstärkte Absorption von Graphen kann durch die Anregung einer geführten Modenresonanz von Ein- dimensionale photonische Kristalle [35]. In realen Anwendungen ist die Verbesserung der Licht-Graphen-Kopplung in einem breiten Spektralbereich für Geräte wie Photodetektoren und Photovoltaik sehr wichtig. Es gibt jedoch nur wenige Untersuchungen zur Breitbandabsorptionsverbesserung von Graphen im sichtbaren und nahen Infrarotbereich, und winkelunempfindliche Breitbandabsorber von Graphen, die den gesamten sichtbaren Bereich abdecken, sind sehr erwünscht.

In dieser Arbeit wird ein neuartiger winkelunempfindlicher Breitbandabsorber von Graphen vorgeschlagen, der den gesamten sichtbaren Bereich abdeckt, indem die Graphenschicht mit einer mehrrilligen Metaoberfläche integriert wird. Die verstärkte Absorptionsbande von Graphen ist auf die mehrfache Kopplung von elektrischen und magnetischen Dipolresonanzen im Rillenhohlraum zurückzuführen. Die Absorptionsbande von Graphen kann flexibel gesteuert werden, indem sowohl die Anzahl als auch die Tiefe der Rillen angepasst werden. Eine hohe Absorptionseffizienz kann aufrechterhalten werden, selbst wenn die Strukturparameter und der Einfallswinkel erheblich geändert werden.

Methoden

Abbildung 1 zeigt ein schematisches Diagramm der mehrrilligen Metaoberfläche, die von der TM-ebenen Welle beleuchtet wird (der Magnetfeldvektor liegt entlang der y -Achse) zur winkelunempfindlichen Breitband-Absorptionsverstärkung von Graphen. Die Elementarzelle der Struktur besteht aus einer planaren Graphenschicht und einem gemusterten Silberfilm mit fünf Rillen, die durch einen Polymethylmethacrylat (PMMA)-Abstandshalter getrennt sind. Die PMMA-Schicht fungiert als Pufferschicht, die die Kopplung zwischen Graphen und dem strukturierten Silberfilm steuert, und kann bei der Anwendung auch leicht durch Spin-Coating auf die mehrrillige Oberfläche übertragen werden. Die Periode der Elementarzelle ist Λ , die Dicke des PMMA-Abstandshalters beträgt t , die Dicke des unteren Silberfilms beträgt D , und das Substrat ist Siliziumdioxid. Die Geometrie der Nut wird sowohl durch ihre Breite w . beschrieben und seine Tiefe. Die Breite der fünf Rillen ist gleich und ihre Tiefe beträgt d ₁ , d ₂ , d ₃ , d ₄ , und d ₅ , bzw. Der Brechungsindex von PMMA beträgt 1,49 [36] und die komplexen Brechungsindizes des Silberfilms stammen von Palik [37]. Die planare Graphenschicht besteht aus N Schichten von einschichtigem Graphen, und die Dicke der Graphenschicht beträgt 3,4 nm als N = 10 [11, 27]. Das Monolayer-Graphen wird als unendlich dünne Oberfläche mit der Oberflächenleitfähigkeit σ . modelliert _g berechnet aus der Kubo-Formel [38, 39]. Bei endlicher Temperatur kann es in Intra- und Interband-Beiträge unterteilt werden:

a Schematische Darstellung der mehrrilligen Metaoberfläche für die winkelunempfindliche Breitbandabsorption von Graphen. b Querschnittsdiagramm einer Elementarzelle der Struktur

wo e und ħ sind die Elementarladung bzw. die reduzierte Planck-Konstante. k _B ist die Boltzmann-Konstante, μ _c ist das chemische Potential, Γ = 1/2τ die phänomenologische Streurate ist und τ ist die Momentum-Relaxationszeit. Die physikalischen Parameter des Graphens werden als μ . festgelegt _c = 0,15 eV, T = 300 K und τ = 0.50 ps.

In Simulationen wird die Finite-Difference-Time-Domain (FDTD)-Methode (Lumerical FDTD-Lösungen) verwendet, um die Absorptionseigenschaften der Graphen-basierten Multi-Grooved-Metaoberfläche zu berechnen. In der x . werden periodische Randbedingungen (PBCs) verwendet Richtungen, während Grenzen in der z Richtung werden als Perfect Matched Layers (PMLs) übernommen. Reflexionsvermögen (R ) und Transmission (T ) werden von zwei Monitoren oben und unten an der Struktur erfasst. Der untere Silberfilm ist optisch dick genug gewählt (D = 100 nm), um Lichtdurchlässigkeit zu verhindern; daher Gesamtabsorption (A ) der Struktur kann reduziert werden als A = 1–R . Die Absorption von Graphen (A _g ) kann berechnet werden als [24]:

wo P _hoch (λ ) und P _unten (λ ) sind die Leistungen, die bei der Wellenlänge λ . durch die obere und untere Ebene der Graphenschicht gehen , bzw. P _in (λ ) repräsentiert die einfallende Leistung bei der Wellenlänge λ . In der Simulation P _in (λ ) ist die Leistung der Lichtquelle, und zwei Leistungsmonitore werden an der oberen und unteren Ebene des Graphens eingefügt, um P . zu erhalten _hoch (λ ) und P _unten (λ ). Diese Kräfte werden aus dem Gesamtfeld in den FDTD-Simulationen extrahiert.

Ergebnisse und Diskussionen

Abbildung 2 zeigt die spektrale Empfindlichkeit der Metaoberfläche mit mehreren Rillen ohne und mit Graphen. Die Strukturparameter wie die Anzahl der Rillen, die Tiefe und Breite der Rillen und die Dicke des PMMA-Abstandshalters werden optimiert, um eine Breitbandabsorptionsverstärkung im sichtbaren Bereich zu erhalten. Wie in Abb. 2a zu sehen ist, kann die Metaoberfläche mit mehreren Rillen ohne Graphen als plasmonischer Absorber fungieren und die Lichtabsorption im sichtbaren Bereich aufgrund des Oberflächenplasmoneneffekts des nanostrukturierten Silberfilms verbessert werden. Siehe Abb. 2b für die Metaoberfläche mit mehreren Rillen mit Graphen, und die Lichtabsorption kann im gesamten sichtbaren Bereich erheblich verbessert werden. Die durchschnittliche Absorption der Gesamtstruktur erreicht 92,7% über den Wellenlängenbereich von 400–800 nm, was mit vielen plasmonischen Absorbern vergleichbar ist, sowohl in der Absorptionseffizienz als auch in der Absorptionsbandbreite [40,41,42,43]. Interessanterweise wird die Lichtenergie hauptsächlich in Graphen und nicht in Silber dissipiert. Die Absorptionseffizienz von Graphen wird in einem erweiterten Wellenlängenbereich deutlich verbessert und seine durchschnittliche Absorptionseffizienz erreicht 71,1% im Spektralbereich von 450 bis 800 nm. Da die Oberflächenplasmonenmode jedoch nur durch die TM-Polarisation angeregt werden kann, gibt es keine offensichtliche Absorptionsverbesserung für die mehrrillige Metaoberfläche unter der TE-Wellenbeleuchtung (siehe zusätzliche Datei 1:Abbildung S1).

a Spektren der mehrrilligen Metaoberfläche ohne Graphen. b Absorptionsspektren der Gesamtstruktur von Graphen und Silber für die mehrrillige Metaoberfläche mit Graphen. Die Parameter sind Λ = 300 nm, t = 5 nm, w = 30 nm, D = 100 nm, d ₁ = 20 nm, d ₂ = 35 nm, d ₃ = 50 nm, d ₄ = 80 nm, d ₅ = 90 nm, N = 10 und θ _c = 0°

Um Einblicke in die Wirkung der Breitband-Absorptionsverstärkung von Graphen unter der TM-Wellenbeleuchtung zu gewinnen, werden die elektrischen und magnetischen Feldverteilungen der Struktur für verschiedene Wellenlängen untersucht. Wie in Abb. 3 zu sehen ist, ist das elektrische Feld hochkonzentriert und um die Ecke der Metallrille verstärkt, und seine Richtung ist nahezu parallel zum x . -Achse, entsprechend einer elektrischen Dipolresonanzmode [44, 45]. Im Gegensatz dazu wird das Magnetfeld im Hohlraum der Metallrille stark verstärkt und seine Richtung ist senkrecht zum xoz -Ebene, entsprechend einer magnetischen Dipolresonanzmode [26, 46]. Die elektromagnetische Kopplung der elektrischen und magnetischen Dipolresonanzen in den metallischen Rillen erhöht die Licht-Graphen-Wechselwirkung merklich, was zu einer verbesserten Lichtabsorption von Graphen führt. Man beachte, dass die Stelle der Feldverstärkung bei kurzen Wellenlängen hauptsächlich in der flacheren Rille konzentriert ist und sich mit zunehmender Wellenlänge zu einer tieferen Rille verschiebt; somit können mehrere Kopplungen der elektrischen und magnetischen Dipolresonanzen für die Struktur mit mehreren Rillen mit unterschiedlichen Rillentiefen unterstützt werden, was zu einer breitbandigen Lichtabsorption von Graphen führt, die den gesamten sichtbaren Bereich abdeckt.

Normalisierte Verteilungen der elektrischen und magnetischen Felder der Elementarzelle der Struktur bei den Wellenlängen von 450 nm für (a ) und (b ); 600 nm für (c ) und (d ); 750 nm für (e ) und (f ). Der eingefügte weiße Strichbereich ist die vergrößerte Ansicht der Rillen, und rote Pfeile zeigen die Richtung des elektrischen Felds an. Die Strukturparameter sind die gleichen wie in Abb. 2

Um die Position des Absorptionspeaks von Graphen der mehrrilligen Metaoberfläche weiter zu identifizieren, werden die Resonanzeigenschaften der einrilligen Struktur untersucht. Für die im Einschub von Fig. 4b gezeigte Einzelrillenstruktur ist die Resonanzwellenlänge des Rillenhohlraums unter TM-Polarisation gegeben als [47]:

wo M ist die Modusnummer und M = 1 in der Berechnung; n _eff ist der effektive Brechungsindex des Rillenhohlraums, der dem Modenbrechungsindex des Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Wellenleiters äquivalent sein kann. Nur der Grundmodus von TM₀ unterstützt werden, da die Rillenbreite viel kleiner als die Wellenlänge ist und die entsprechenden n _eff kann unter Verwendung der gleichmäßigen Modendispersion des MIM-Wellenleiters bestimmt werden [48]:

wo ε _d und ε _m sind die Dielektrizitätskonstanten von PMMA bzw. Silber; k ₀ ist der Wellenvektor des einfallenden Lichts, β die Ausbreitungskonstante der MIM-Wellenleitermode ist und n _eff = β /k ₀ .

Absorptionsreaktion von Graphen für die Einzelrillenstruktur, wie im Einschub der Abbildung gezeigt. a Absorptionsreaktion von Graphen als Funktion der Rillentiefe. b FDTD-Ergebnis der Lage des Absorptionspeaks von Graphen als Funktion der Rillentiefe und theoretisches Ergebnis der Resonanzwellenlänge als Funktion der Rillentiefe. Die Parameter sind Λ = 300 nm, t = 5 nm, N = 10 und w = 30 nm

Wie in Fig. 4a zu sehen ist, wird für die Einzelrillenstruktur die Absorptionseffizienz von Graphen erhöht, wenn die Rillentiefe erhöht wird, und der Absorptionspeak von Graphen wird ebenfalls zu den längeren Wellenlängen verschoben. Wie in Abb. 4b zu sehen ist, stimmen die Orte der Absorptionspeaks von Graphen gut mit den theoretischen Ergebnissen der Resonanzwellenlänge des Rillenhohlraums überein. Die Steigung des FDTD-Ergebnisses beträgt 8,48, was der Steigung des theoretischen Ergebnisses von 10,46 nahe kommt. Nach Gl. (5), die Position des Absorptionspeaks von Graphen wird mit zunehmender Rillentiefe rotverschoben und deckt den gesamten sichtbaren Bereich ab, wenn die Rillentiefe im Bereich von 20–90 nm variiert wird. Daher kann die Lage des Absorptionspeaks von Graphen durch die Rillentiefe abgestimmt werden, und eine Breitbandabsorption von Graphen kann realisiert werden, wenn mehrere Rillen mit unterschiedlichen Rillentiefen in die Elementarzelle der Struktur integriert werden, was den physikalischen Mechanismus von . weiter bestätigt Breitband-Lichtabsorption von Graphen für die mehrrillige Metaoberfläche. Für einen festen Zeitraum und eine feste Rillenbreite bedeutet dies jedoch nicht, dass die Absorptionsleistung von Graphen umso besser ist, je höher die Anzahl der Rillen ist (siehe zusätzliche Datei 1:Abbildung S2). Somit kann die Absorptionsleistung von Graphen flexibel gesteuert werden, indem sowohl die Anzahl als auch die Tiefe der Rillen für die Konfiguration mit mehreren Rillen angepasst werden.

Um die Absorptionsleistung von Graphen, das in die mehrrillige Metaoberfläche integriert ist, weiter zu bewerten, untersuchten wir zunächst den Einfluss der Dicke der Abstandsschicht auf die Lichtabsorption von Graphen. Wie in Abb. 5 zu sehen ist, ist die Absorptionsreaktion von Graphen robust gegenüber der Variation der Dicke der Abstandsschicht, und das breite Absorptionsband kann aufrechterhalten werden, wenn die Dicke der Abstandsschicht von 5 nm auf 20 nm . erhöht wird . Wenn die Dicke der Abstandsschicht erhöht wird, verschiebt sich die Absorptionsbande des Graphens aufgrund der Zunahme der optischen Dicke der Struktur zu den längeren Wellenlängen. Da außerdem die Abstandsschicht die Funktion der Pufferschicht besitzt, die die elektromagnetische Kopplung zwischen der Metallrille und dem Graphen steuert, wird die durchschnittliche Absorptionseffizienz des Graphens mit zunehmender Dicke der Abstandsschicht verringert.

Die Absorptionsreaktion von Graphen als Funktion der Dicke der Abstandsschicht für die Struktur mit mehreren Rillen und andere Parameter sind die gleichen wie in Fig. 2

Abbildung 6 zeigt den Einfluss der Anzahl der einschichtigen Graphene und der Rillenbreite auf die Lichtabsorption von Graphen, und es ist ersichtlich, dass die Absorptionsleistung von Graphen robust gegenüber den Variationen von N . ist und w . In Fig. 6a kann die Lichtabsorption von Graphen bemerkenswert verbessert werden, wenn die Anzahl von einschichtigem Graphen auf 10 erhöht wird; jedoch verlangsamt sich die allgemeine Absorptionssteigerung für N> 10 und es wird gesättigt als N auf 30 erhöht. Die Lichtabsorption von Graphen wird nicht immer mit der Zunahme der Anzahl von Monolayer-Graphen erhöht, und ein ähnliches Phänomen kann auch bei den Wellenleiter-Resonanzgittern auf Graphenbasis beobachtet werden [49]. In Abb. 6b ist zu sehen, dass die Absorptionsbande mit zunehmender Rillenbreite blauverschoben wird und die durchschnittliche Absorption ihr Maximum bei dem Designwert von w . erreicht = 30 nm sowohl für die Gesamtstruktur als auch für Graphen im sichtbaren Bereich. Da die elektromagnetische Kopplung der elektrischen und magnetischen Dipolresonanzen hauptsächlich auf die Rille beschränkt ist, beeinflusst eine Abweichung vom Designwert der Rillenbreite mit ± 10 nm die Absorptionsleistung der mehrrilligen Metaoberfläche deutlich.

a Absorptionsreaktion von Graphen als Funktion der Zahl der einschichtigen Graphene. b Absorptionsspektren der Gesamtstruktur und von Graphen als Funktion der Rillenbreite mit N = 10. Andere Parameter sind die gleichen wie in Abb. 2

Wir untersuchen auch die Winkelrobustheit des vorgeschlagenen Graphenabsorbers, der in die mehrrillige Metaoberfläche integriert ist. In Abb. 7 kann man feststellen, dass die Absorptionsreaktion von Graphen robust gegenüber der Variation des Einfallswinkels ist. Es lässt sich berechnen, dass selbst bei θ . eine durchschnittliche Absorptionseffizienz von 61,5% erreicht werden kann _c = 60° im Spektralbereich von 450–800 nm, und die Absorptionsbande wird fast gleich gehalten, obwohl der Einfallswinkel signifikant verändert wird. Dies liegt daran, dass die Breitbandabsorptionsverstärkung von Graphen, die in die mehrrillige Metaoberfläche integriert ist, aus der Kopplung der elektrischen und magnetischen Dipolresonanzen in der Rillenkavität stammt, die gegen die Variation des Einfallswinkels fast immun ist. Die winkelunempfindlichen Absorptionsleistungen sind sehr wichtig, da die Absorptionsleistungen der meisten Absorber auf Graphenbasis im Allgemeinen vom Einfallswinkel abhängen [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25, 28,29,30,31,32,33,34,35]. Im Unterschied zu den bisherigen Absorbern auf Graphenbasis besitzt die vorgeschlagene Struktur gleichzeitig ein breites Absorptionsband und eine winkelunempfindliche Leistung, was in einer Vielzahl von Bereichen, wie beispielsweise bei omnidirektionalen Absorbern, sehr erwünscht ist.

Die Absorptionsreaktion von Graphen als Funktion des Einfallswinkels für die Struktur mit mehreren Rillen und andere Parameter sind die gleichen wie in Abb. 2

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wird ein winkelunempfindlicher Breitbandabsorber aus Graphen vorgeschlagen, der in eine mehrrillige Metaoberfläche integriert ist, und seine Lichtabsorptionseigenschaft wird numerisch untersucht. Die Absorptionsbande von Graphen deckt den gesamten sichtbaren Bereich ab, und im Spektralbereich von 450 bis 800 nm kann eine durchschnittliche Absorptionseffizienz von 71,1% realisiert werden. Die ausgedehnte Absorptionsbande von Graphen entstand aus der mehrfachen Kopplung von elektrischen und magnetischen Dipolresonanzen, die in den Rillenhohlraum eingeschlossen sind, und ihr Mechanismus kann unter Verwendung der Einzelrillenstruktur verifiziert werden. Die Lage des Absorptionspeaks von Graphen kann durch die Rillentiefe eingestellt werden, und die Absorptionsbandbreite von Graphen kann flexibel gesteuert werden, indem sowohl die Anzahl als auch die Tiefe der Rillen angepasst werden. Die Breitbandabsorptionseigenschaften von Graphen werden durch die Variation der Dicke der Abstandsschicht, der Anzahl der Monolagen-Graphen und der Rillenbreite fast nicht beeinflusst. Insbesondere bleiben die Lichtabsorptionsspektren von Graphen auch bei großen Winkeln nahezu gleich. Die Idee, eine Metaoberfläche mit mehreren Rillen zu verwenden, um das Wechselwirkungsband zwischen Licht und Graphen zu erweitern, könnte auch im Nahinfrarotbereich und anderen graphenbasierten optoelektronischen Geräten übernommen werden.

Abkürzungen

FDTD:

Zeitbereich mit endlicher Differenz

MIM:

Metall-Isolator-Metall

PBCs:

Periodische Randbedingungen

PMLs:

Perfekt aufeinander abgestimmte Schichten

PMMA:

Polymethylmethacrylat