Triple-Band Perfect Light Absorber basierend auf Hybrid-Metaoberfläche für Sensoranwendungen

Einführung

Metaoberflächen, als ein wichtiger Zweig optischer Metamaterialien, sind zweidimensionale (2D) Array-Architekturen, die durch periodische plasmonische Nanostrukturen im Subwellenlängenbereich gebildet werden, die aus strukturierten dielektrischen und metallischen Materialien bestehen [1, 2]. In den letzten Jahren wurden Metaoberflächen intensiv untersucht, da sie potenziell in miniaturisierten Freiraum-Optikkomponenten wie Linsen, Wellenplatten und Spektralfiltern und Absorbern eingesetzt werden könnten [1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10]. Einer der herausragenden Aspekte von Metaoberflächen könnten perfekte Lichtabsorber (PLAs) sein, die im optischen Bereich betrieben werden, da sie vielversprechende Anwendungen in der optischen Kommunikation [11], der thermischen Emission [12, 13], dem Lichtsammeln [14] und der Sensorik [15, 16,17]. Im Allgemeinen könnten die auf Metaoberflächen basierenden PLAs durch die Konfiguration von dreischichtigen Metall-Dielektrikum-Metall (MDM)-Nanostrukturen oder zweischichtigen Dielektrikum-Metall (DM)-Nanostrukturen realisiert werden, in denen die verschiedenen Oberflächenplasmonenresonanzen (SPRs) angeregt und verursachen anschließend Lichtenergieeinschluss in den strukturierten Metallen oder der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche [11, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28]. Darüber hinaus sind intrinsische optische Verluste von metallischen und dielektrischen Materialien in PLA auch die wichtigen und vorteilhaften Faktoren zur Verbesserung der elektromagnetischen (EM) Energieabsorption des einfallenden Lichts [11, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26 ,27,28,29,30]. Es wurde bestätigt, dass die Absorptionskapazität von PLA normalerweise von der Form, Größe, Dicke und Zusammensetzung der plasmonischen Metaoberfläche abhängt, die auch auf den Brechungsindex (RI) des umgebenden Materials reagiert [29,30,31,32 ,33,34,35,36]. Da sie für Sensoranwendungen bekannt ist, wurde die schmalbandige PLA aufgrund ihrer großen Modulationstiefe intensiv untersucht [15,16,17,18, 31,32,33,34,35,36,37]. Wenn das PLA in eine Gas- oder Flüssigkeitsumgebung gebracht wird, würde sich die Frequenz des Absorptionspeaks mit der Änderung des RI-Werts des umgebenden Materials erheblich verschieben. Daher wurden zahlreiche Metaoberflächen auf Basis von Schmalband-PLAs vorgeschlagen und intensiv untersucht [31,32,33,34,35,36,37,38]. Cheng et al. schlugen ein Schmalband-PLA basierend auf der MDM-Konfiguration vor, das eine Empfindlichkeit von etwa 590 nm RIU erreichen könnte [31]. Bhattaraiet al. demonstrierten ein pilzbedecktes Schmalband-PLA basierend auf einem Fabry-Perot-Cavity-Mechanismus, und die Empfindlichkeit beträgt bis zu 2508 nm∕ RIU [32]. Dann wurden kontinuierlich andere PLAs basierend auf MDM-Konfigurationen vorgeschlagen und theoretisch untersucht [33,34,35,36,37]. Obwohl diese Schmalband-PLAs eine hohe Empfindlichkeit erreichen könnten, ist die Massenproduktion aufgrund ihrer Komplexität des Metaoberflächen-Designs zeitaufwendig und teuer. Daher wäre es äußerst hilfreich, wenn Schmalband-PLA durch relativ einfache Strukturen unterstützt werden könnte. Yonget al. schlugen ein einfaches Designschema der PLAs für die Sensoranwendung basierend auf einer Ganzmetall-Metaoberfläche vor [38,39,40]. Für diese PLAs werden normalerweise die Edelmetalle Gold oder Silber verwendet, was auch die Herstellungskosten erhöhen würde.

In letzter Zeit haben die auf Silizium-Nanostrukturen basierenden Metaoberflächen aufgrund ihrer Anwendungen in Detektoren [41], photonischen Wellenleitern [42], Farbgeneratoren und -filtern [43, 44] und PLAs [45,46,47,48,49 . große Aufmerksamkeit auf sich gezogen ,50]. Ähnlich wie die metallischen Nanostrukturen ist Silizium eines der machbaren Materialien mit hohem RI, das verschiedene SPRs durch strukturelles Design im optischen Frequenzbereich unterstützen könnte. Darüber hinaus kann Silizium auch kostengünstig und merklich kompatibel mit dem Komplementär-Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Prozess sein [44, 49]. Daher kann davon ausgegangen werden, dass die schmalbandige perfekte Absorption in PLAs auf Silizium-Metaoberflächen-Basis für Sensoranwendungen von großer Bedeutung wäre [50]. Ahmmed et al. schlugen eine PLA basierend auf einer Hybrid-Metaoberfläche aus amorphen Silizium-Nanoscheiben-Arrays, die auf einer Goldschicht abgeschieden sind, vor, die als RI-Sensor im nahen Infrarotbereich arbeiten könnte [50]. Es funktioniert jedoch nur in einem einzigen Schmalband, was potenzielle Anwendungen bei der Multiplex-Erfassungserkennung einschränkt. Nach unserem besten Wissen findet man kaum Berichte über hocheffiziente Mehrband-PLAs, die Metaoberflächen verwenden, deren Betrieb im sichtbaren Bereich gültig ist.

In dieser Arbeit wird eine Dreiband-PLA basierend auf einer Hybrid-Metaoberfläche im sichtbaren Bereich vorgeschlagen und theoretisch demonstriert, die für die RI-Erfassung anwendbar ist. Die Hybrid-Metaoberfläche, bestehend aus eindimensionalen Silizium-Kreuz-Nanostruktur-Arrays auf einem Goldsubstrat, zeigt eine perfekte Dreiband-Absorption mit einer Absorption von über 98% bei drei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Ein zugrunde liegender physikalischer Mechanismus der beobachteten perfekten Absorption wurde auch durch die Analyse der räumlichen Verteilungen elektrischer Felder, des Leistungsflusses und der Leistungsverlustdichte bei Resonanzen veranschaulicht. Der Einfluss der geometrischen Parameter der Elementarzellen-Nanostruktur auf die Absorptionseigenschaften des PLA wurde ebenfalls untersucht. Darüber hinaus wurde bestätigt, dass die Absorptionspeaks von PLA empfindlich auf den RI-Wert des umgebenden Mediums reagieren, was es zu einem potentiellen Kandidaten für Sensoranwendungen macht. Außerdem könnte das hybride, auf Metaoberflächen basierende PLA leicht und einfach hergestellt sowie problemlos in plasmonische, elektronische und photonische Geräte auf demselben Chip integriert werden. Ein solches Design von Triple-Band-PLA ebnet den effektiven Weg zur Realisierung nanophotonischer Bauelemente auf der Basis hybrider Metaoberflächen, die ein Kandidat für potenzielle Anwendungen in der Multiplex-Erfassung, -Detektion und -Spektroskopie im sichtbaren Bereich sein könnten.

Methoden

Abbildung 1 zeigt das Designschema des sichtbaren PLA basierend auf einer hybriden Metaoberfläche, die nur aus zwei funktionalen Schichten besteht:Die periodischen Silizium-Kreuz-Nanostruktur-Arrays bilden die obere Schicht, die als dielektrischer Resonator fungiert, während die untere Schicht das Goldsubstrat ist. Es wurde gezeigt, dass verschiedene gemusterte plasmonische Siliziumstrukturen verschiedene SPR-Modi unter Auflichtbeleuchtung unterstützen können, die aufgrund ihrer günstigen optischen Eigenschaften zum Aufbau von PLAs vom Terahertz- bis zum sichtbaren Frequenzbereich verwendet werden könnten [42,43,44,45,46 ,47,48].

Schematische Darstellung von sichtbarem Dreifach-Schmalband-PLA. a Die periodische 2D-Array-Struktur. b Vorderseite. c Perspektivische Ansicht der Elementarzellen-Nanostruktur

Im sichtbaren Bereich stellt der Halbleiter Silizium ein kostengünstiges Material mit hohem RI dar, das durch besondere konstruktive Gestaltung als dielektrischer Resonator angesehen werden kann [43,44,45,46,47,48,49]. Darüber hinaus besteht ein wesentlicher Vorteil darin, dass das Halbleitersilizium effizient auf einem heterogenen Substrat (wie einem Goldsubstrat) bei einer niedrigen Temperatur aufgewachsen werden kann, was auf einer merklichen Kompatibilität mit dem CMOS-Prozess beruht [44, 49], was leicht zu erfüllen ist Anforderungen an die Großserienfertigung. In unserem interessierenden sichtbaren Bereich (350–500 THz) ist der RI-Wert des Siliziums ungefähr eine Konstante, die ungefähr n . beträgt _si = 3,7 × (1 + 0,0025i ) [50,51,52]. Die Gold (Au)-Substratschicht kann durch das frequenzabhängige Drude-Modell aus den Versuchsdaten beschrieben werden [53]. Die Dicke des Goldsubstrats ist höher als die Eindringtiefe des einfallenden Lichts im sichtbaren Bereich. Anders als die typische MDM-Konfiguration wird unser vorgeschlagenes PLA basierend auf der Hybrid-Metaoberfläche durch eine periodische zweischichtige DM-Nanostruktur im Subwellenlängenbereich gebildet, und es ist zu erwarten, dass das vorgeschlagene PLA aufgrund der geometrischen Rotationssymmetrie der polarisationsunabhängig ist Kreuznanostruktur und das Quadratgitter. Die optimierten geometrischen Parameter des Designs sind wie folgt angegeben:p _x =p _y =400 nm, l =350 nm, w =100 nm, h =85 nm und t _s =100 nm. Wie in Fig. 1c gezeigt, wird die Elementarzelle des vorgeschlagenen PLA auf eine konstante Periodizität von 400 nm entlang der x- . eingestellt und y -Achsenrichtungen zur Vermeidung von Beugung für Frequenzen bis 750 THz.

Das vorgeschlagene PLA basierend auf der hybriden Metaoberfläche wurde mit einem Simulationstool basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) im CST Microwave Studio entworfen und untersucht. Wie in Fig. 1c gezeigt, wird eine ebene Wellenanregung mit einem breiten Frequenzbereich von 350 bis 500 THz als Beleuchtungsquelle mit einem Wellenvektor betrachtet, der senkrecht zur Oberfläche der Hybridmetaoberfläche steht. In der Simulation wird die Maschengröße auf 0,3 nm eingestellt, was viel kleiner ist als die Betriebswellenlänge und die Elementarzellengröße. Um vernachlässigbare numerische Fehler zu gewährleisten, haben wir vor der Simulation der Elementarzelle auch den Standardkonvergenztest durchgeführt. Die periodischen Randbedingungen entlang x- und y -Achsenrichtungen werden verwendet, um die periodische Anordnung der hybriden Metafläche zu berücksichtigen. Das einfallende Licht mit linearer Polarisation wird so eingestellt, dass es sich entlang der z-Achsenrichtung auf eine Weise ausbreitet, dass die elektrische (E _x ) und magnetisch (H _y ) Felder sind entlang des x - und y -Achsenrichtungen bzw. Da in unserem Design die Transmission durch das Goldsubstrat blockiert wird, konnte die Extinktion nur durch A . berechnet werden (ω) =1 - R (ω) =|S ₁₁ | ² , wobei S ₁₁ ist der Reflexionskoeffizient.

Ergebnisse und Diskussionen

Abbildung 2 zeigt die simulierten Reflexions- und Absorptionsspektren des PLA basierend auf einer Hybrid-Metaoberfläche unter normaler Auflichtbeleuchtung im sichtbaren Bereich. Bei f . werden offensichtlich drei unterschiedliche Resonanzpunkte beobachtet ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz und f ₃ =471,5 THz bzw. Bei diesen Resonanzen wird das Reflexionsvermögen auf 1,9 %, 1,3 % bzw. 0,4 % verringert und das entsprechende Absorptionsvermögen auf die maximalen Werte von 98,1 %, 98,7 % bzw. 99,6 % erhöht. Nach früheren Arbeiten [45,46,47,48] konnte vermutet werden, dass die perfekte Absorption bei drei Resonanzen auf die Anregung von SPR-Moden höherer Ordnung in Silizium-Kreuz-Nanostrukturen unter normaler Auflichtbeleuchtung zurückgeführt werden kann, was diskutiert wird später. Obwohl sowohl das Halbleitersilizium mit hohem RI als auch das Goldsubstrat mit hohem Reflexionsvermögen, die in früheren Arbeiten weit verbreitet sind, in unserem Design verwendet wurden [17, 38, 39, 40, 46, 48, 49, 50], ist es dennoch wert, darauf hingewiesen zu werden heraus, dass das in dieser Arbeit vorgeschlagene neuartige Design von PLA eine relativ verbesserte Eigenschaft aufweist, die in Bezug auf eine perfekte Dreiband-Absorption im sichtbaren Bereich durch Verwendung einer Silizium-Kreuznanostruktur einer einzigen Größe besteht. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass das vorgeschlagene PLA aufgrund seiner hohen geometrischen Rotationssymmetrie der Elementarzelle, die den vorherigen Designs ähnlich ist, für das normale einfallende Licht polarisationsunempfindlich ist [54, 55, 56].

Das simulierte Reflexionsvermögen (R (ω)) und Extinktion (A (ω)) Spektren des entworfenen sichtbaren hybriden Metaoberflächen-basierten PLA unter normaler Auflichtbeleuchtung

Darüber hinaus wurden auch die Halbwertsbreite (FWHM) und der Q-Faktor des vorgeschlagenen PLA gemäß der vorherigen Referenz berechnet [40]. An diesen drei oben erwähnten Resonanzpositionen beträgt der Wert von FWHM ungefähr 64,875 THz, 27,75 THz und 34,125 THz, und der entsprechende Q-Faktor (=f _ich /FWHM_i , ich =1, 2, 3) beträgt etwa 6,48, 14,57 bzw. 13,82. Es ist zu beachten, dass im Idealfall mit Luftmedien die Dreibanden-Perfektabsorption beobachtet werden kann. Es ist jedoch möglich, die Resonanzabsorptionseigenschaft durch Einstellen des Außen-/Umgebungs-RI-Werts des entworfenen PLA abzustimmen. Dies bedeutet, dass die Betriebsfrequenz erheblich reguliert werden könnte, indem der RI-Wert der Umgebung auf dem PLA geändert wird. Somit kann das entworfene PLA mit steilen Resonanzen einige potenzielle Anwendungen in Multiplex-Sensoren und -Detektoren bieten.

Um den physikalischen Mechanismus hinter dem beobachteten Phänomen der perfekten Dreiband-Absorption des entworfenen PLA zu verifizieren, wurden die räumlichen Verteilungen der elektrischen (E _x , x-z Flugzeug) und magnetisch (H _y , y-z Ebene) Feld bei diesen drei Absorptionspeaks wurden systematisch untersucht, wie in Abb. 3 gezeigt. Offensichtlich sind die räumlichen Verteilungsmuster der starken elektrischen und magnetischen Felder (E _x und H _y ) sind bei verschiedenen Resonanzfrequenzen signifikant unterschiedlich, was die Anregungen verschiedener SPR-Moden offenbart. Es ist jedoch offensichtlich, dass sowohl das elektrische als auch das magnetische Feld beim Auftreten der Resonanz immer stark in der Grenzfläche des Siliziumkreuzes und des Goldsubstrats konzentriert sind. Diese räumlichen Feldmerkmale weisen darauf hin, dass die geführten Moden mit unterschiedlichen höheren Ordnungen in der Grenzfläche der Silizium-Kreuznanostruktur und des Goldsubstrats angeregt wurden. Es kann angenommen werden, dass die intensiven geführten Modenresonanzen an der Dielektrikum/Metall-Grenzfläche angeregt werden, wenn einfallendes Licht zwischen Wellenleitern mit unterschiedlichen Brechungsindizes eingekoppelt wird [57,58,59,60]. Unterdessen sind resonante Kopplungen zwischen dem einfallenden Licht und der geführten Mode der Dielektrikum/Metall-Nanostruktur möglich, was ähnlich dem Resonanzeffekt der geführten Mode des Metallgitters ist [21, 59, 60].

Verteilungen der a –c elektrisches Feld (E _x im x-z Ebene von y =0 nm) und d –f Magnetfeld (H _y im y-z Ebene von x =0 nm) in der Elementarzellen-Nanostruktur des PLA bei verschiedenen Resonanzfrequenzen:(a , d ) f ₁ =402,5 THz, (b , e ) f ₂ =429,5 THz und (c , f ) f ₃ =471,5 THz

Um die geführte Modenresonanz der entworfenen PLA-Nanostruktur zu veranschaulichen, können wir die entworfene Silizium-Kreuznanostruktur als dielektrischen Wellenleiter im sichtbaren Bereich annehmen. Wenn das einfallende Licht auf die Lücken zwischen den benachbarten zwei Elementarzellen trifft, würde es in die Siliziumschicht gebeugt und dann von dem Goldsubstrat reflektiert und anschließend in die Grenzfläche des Silizium/Gold-Substrats geleitet. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus der Elementarzelle breiten sich die einkoppelnden geführten Lichter aus benachbarten Lücken entgegengesetzt aus und kombinieren sich folglich zu einer stehenden Welle in der Wellenleiterschicht [58,59,60]. Gemäß diesen in den Abbildungen 3a–f gezeigten Ergebnissen kann festgestellt werden, dass bei normaler Auflichtbeleuchtung nur ungeradzahlige harmonische geführte Moden in der Nanostruktur angeregt werden können. Abbildung 3a–f zeigt den Modus erster Ordnung, Modus dritter Ordnung bzw. Modus fünfter Ordnung in der Nanostruktur. Die Ergebnisse stimmen gut mit früheren PLAs auf Basis von MDM-Konfigurationen [58, 61] überein, bei denen die Mode zweiter Ordnung für das normale einfallende Licht nicht angeregt werden konnte. Dies liegt daran, dass die Anregungen der harmonisch geführten Moden hauptsächlich durch die geometrischen Parameter der entworfenen Nanostruktur bestimmt werden. Dies bedeutet, dass in dieser Arbeit nur ungerade oder harmonisch geführte Moden unter dem speziell geeigneten Nanostrukturdesign angeregt werden konnten. Die Anregung mit geführten Moden mit höheren Ordnungen in dieser Nanostruktur würde dazu beitragen, die Einkopplung des einfallenden Lichts in den Luftspalt und die Lokalisierung in der Silizium/Gold-Grenzfläche zu verbessern, was schließlich eine perfekte Lichtabsorption bei verschiedenen Resonanzfrequenzen erzeugt. Bekanntlich ist der Energieverlust des einfallenden Lichts, der durch die Anregung der geführten Moden in der Nanostruktur induziert wird, immer groß genug, um die hohe Absorption bei Resonanzen einzuführen [20, 21, 26, 58, 59, 60, 61]. Außerdem werden diese geführten Modenresonanzen hauptsächlich durch die geometrischen Größen und die umgebenden Medien der entworfenen Nanostruktur bestimmt [58]. Es kann gefolgert werden, dass die geführten Moden höherer Ordnung auch angewendet werden könnten, um im sichtbaren Bereich mit moderaten geometrischen Parametern Hochleistungs-PLA zu erhalten, im Vergleich zur Verwendung der Fundamentalmode mit tieferer Subwellenlängenstruktur [61].

Um ein tieferes und qualitatives Verständnis der obigen perfekten Absorption zu erhalten, die 3D-Verteilungen des Leistungsflussstroms und der Leistungsverlustdichte für normales Ereignis y -polarisiertes Licht bei verschiedenen Resonanzfrequenzen (f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz und f ₃ =471,5 THz) wurden ebenfalls untersucht, wie in Abb. 4a–c dargestellt. Erstens sind die eingestrahlten Lichtleistungsflüsse ursprünglich parallele Ströme im Raum weit weg von der Nanostruktur bei Resonanzen. Wenn einfallende Lichtströme näher an das PLA kommen, fließen die meisten von ihnen „über“ die Elementarzelle, kräuseln sich anschließend in der Siliziumschicht und konzentrieren sich schließlich auf die Grenzfläche des Silizium- und Goldsubstrats. Dabei weist die räumliche Form der Powerflower-Ströme in Nanostruktur bei unterschiedlichen Absorptionsfrequenzen unterschiedliche Eigenschaften auf. Die durch die geführten Moden-Anregungen verursachten Leistungsflussprofile finden in der Nanostruktur statt, und der intrinsische Verlust tritt normalerweise in Schüttgütern auf. Aufgrund der dielektrischen Verlustnatur von Silizium und Gold im sichtbaren Bereich kann davon ausgegangen werden, dass die durch die geführten Moden-Anregungen mit unterschiedlichen höheren Ordnungen induzierten Lichtenergieverluste hauptsächlich von der Silizium-Kreuznanostruktur und dem Goldsubstrat stammen.

Die dreidimensionalen (3D) Verteilungen der a –c Kraftflussstrom und d –f Verlustleistungsdichte des PLA bei verschiedenen Resonanzfrequenzen:(a , d ) f ₁ =402,5 THz, (b , e ) f ₂ =429,5 THz und (c , f ) f ₃ =471,5 THz

Abbildung 4d–f veranschaulicht die 3D-Verteilungen der Leistungsverlustdichte in der Elementarzellen-Nanostruktur bei Frequenzen von f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz und f ₃ =471,5 THz bzw. Es ist zu beobachten, dass sich die Leistungsverlustdichten hauptsächlich in der Grenzfläche zwischen der Silizium-Kreuznanostruktur und dem Goldsubstrat verteilen. Offensichtlich ist die Leistung des einfallenden Lichts vollständig auf die entworfene PLA-Nanostruktur beschränkt. Da Silizium und Gold in der Nanostruktur beide dielektrische Verlustmaterialien im sichtbaren Bereich sind, findet die Lichtenergiedissipation in dem entworfenen PLA statt [48, 49]. In unserem Design ist das Siliziumkreuz für die Verbesserung der Absorptionsleistung viel günstiger als das vorherige Quadrat und die vorherige Scheibe, da die Lücken der vorgeschlagenen kreuzförmigen Nanostruktur aufgrund der Anregung im geführten Modus leicht mehr einfallendes Licht einfangen würden [47,48,49 ]. Tatsächlich kann das strukturierte Silizium mit entsprechendem geometrischem Design selbst als gutes PLA dienen, das auf der verlustbehafteten Eigenschaft des Siliziummaterials im sichtbaren Bereich beruht [49]. Darüber hinaus könnte das Siliziumkreuz auch als Antireflexionsschicht angenommen werden, was das Goldsubstrat zu einem nahezu perfekten Absorptionsmaterial bei Resonanzen macht. Das Gold ist im sichtbaren Bereich noch plasmonisch, da der Realteil seiner Permittivität negativ ist [53]. Es sollte beachtet werden, dass das einfallende Licht vom Goldsubstrat stark abgestoßen wird und die perfekte Absorption ohne die Reaktion der SPRs unmöglich wäre.

Basierend auf den obigen Analysen konnte geschlossen werden, dass die perfekte Dreiband-Absorption des vorgeschlagenen PLA von den geführten Moden mit höherer Ordnung und dielektrischen Verlusten des Silizium- und Goldsubstrats im sichtbaren Bereich stammt. Kurz gesagt, die Resonanz im geführten Modus und die Verluste der Nanostruktur sind die beiden Schlüsselfaktoren für die perfekte Absorption des entworfenen PLA.

Als nächstes wurden die Einflüsse geometrischer Parameter für jede Elementarzelle auf die Absorptionseigenschaft unseres Design-PLA systematisch durch eine parametrische Studie untersucht. Für das in dieser Arbeit vorgeschlagene PLA müssen nur vier geometrische Parameter berücksichtigt werden:Drahtbreite (w ), Drahtlänge (l ), Höhe (h ) der Silizium-Kreuznanostruktur und die Periodizität (p ) der Elementarzelle. Eine Reihe von Absorptionsspektren des entworfenen PLA mit verschiedenen geometrischen Parametern (w , h , l , und p ) sind in Abb. 5a–d dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass nur ein geometrischer Parameter gleichzeitig reguliert werden kann, während die anderen konstant bleiben.

Die Abhängigkeit der perfekten Absorption von verschiedenen geometrischen Parametern des vorgeschlagenen PLA. a –c Drahtbreite (w ), Höhe (h ), Drahtlänge (l ) der Silizium-Kreuznanostruktur und d Periodizität (p ) der Elementarzelle

Anhand von Fig. 5a, b kann beobachtet werden, dass die Extinktion von Resonanzpeaks über 95% gehalten werden kann, wenn der eine geometrische Parameter geändert wird, während andere konstant bleiben. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Betriebsfrequenz von den geometrischen Parametern des PLA abhängt. Wenn die Periodizität (p ) des PLA fest ist, stellt sich heraus, dass die Absorptionspeakfrequenz umgekehrt proportional zu den geometrischen Größen ist (w , h , und l ) der Elementarzelle, was mit früheren Studien gut übereinstimmt [58, 62]. Dies liegt daran, dass der effektive Brechungsindex der geführten Modenresonanzen mit der Zunahme von w . zunimmt , h , und l . Die Absorptionseigenschaften von PLA mit verschiedenen Größen von w sind in Abb. 5a dargestellt. Mit wechselnden w von 85  bis 105 nm in Schritten von 5 nm, deutliche Rotverschiebung des Absorptionsspektrums kann deutlich beobachtet werden. Für das PLA mit einer größeren Drahtbreite (w> 100  nm) des Siliziumkreuzes, nimmt die Extinktion des ersten und zweiten Absorptionspeaks leicht ab, aber der dritte kann fast beibehalten werden. Diese Art von Reaktion resultiert hauptsächlich aus dem abgeschwächten Kopplungs- und Einschlusseffekt, der durch die Nanostruktur induziert wird. Darüber hinaus ist im Vergleich zum zweiten und dritten Resonanzpeak festzustellen, dass der erste Peak viel empfindlicher auf Änderungen der Drahtbreite w . reagiert , was zu einem markanten Rotverschiebungsphänomen führt. Die Absorptionseigenschaften von PLA mit verschiedenen Größen von h sind in Abb. 5b dargestellt. Wenn die Höhe h steigt von 80  auf 100 nm in Intervallen von 5 nm an, die Variationen der Absorptionsspektren sind ähnlich wie bei einer Änderung der Drahtbreite w , und die Absorptionspeakfrequenzen weisen ebenfalls eine leichte Rotverschiebung auf. Mit der Erhöhung von h , kann festgestellt werden, dass die Absorption des ersten Resonanzpeaks allmählich ansteigt, während der zweite leicht abnimmt und der dritte nahezu konstant gehalten werden kann. Wie in Abb. 5c gezeigt, kann man feststellen, dass sich die Absorptionspeaks zu den niedrigeren Frequenzen verschieben, wenn die Drahtlänge l steigt von 340 nm auf 360 nm in Schritten von 5 nm an. Mit zunehmender Drahtlänge l , nimmt die Extinktion des ersten Absorptionspeaks leicht ab, während die anderen Resonanzpeaks konstant bleiben. Wie in Abb. 5d gezeigt, zeigt sich eine völlig entgegengesetzte Variationstendenz, die sich als „Blauverschiebung“ der Absorptionspeaks beschreiben lässt, wenn die Periodizität p Erhöhung von 390  auf 430 nm in Intervallen von 10 nm. Mit zunehmender Periodizität p , nimmt die Absorption des ersten Resonanzpeaks geringfügig zu, während die anderen Absorptionspeaks nahezu unverändert sind. Zusammenfassend bestätigen die in Abb. 5 dargestellten Ergebnisse, dass diese Absorptionspeaks mit den in Abb. 3 demonstrierten Charakteristiken von stehenden Wellen zusammenhängen, was darauf hinweist, dass die Betriebsfrequenz und der Wirkungsgrad des vorgeschlagenen PLA direkt durch die relative Geometrie reguliert werden könnten Parameter einschließlich Drahtbreite (w ), Höhe (h ), Drahtlänge (l ) und Periodizität (p ).

Gemäß den Ergebnissen und Diskussionen über das oben entworfene Triple-Band-PLA könnte es als vielversprechender Kandidat für die RI-Sensoranwendung erwartet werden. Um die Praktikabilität unseres entwickelten Dreibanden-PLA für Sensoranwendungen zu verdeutlichen, wurde das Verhalten der Absorptionsspektren als Funktion der RI-Werte des umgebenden Analyten weiter verifiziert. Wie in 6a gezeigt, wird der umgebende Analyt in Lücken der Silizium-Kreuz-Nanostruktur des vorgeschlagenen PLA gefüllt. Da unser PLA eine dreifach schmale Bandbreite und eine perfekte Absorption im Bereich der Resonanzfrequenz aufweist, kann eine gute Erfassungsleistung erwartet werden. Die Abhängigkeit der Extinktionsspektren von der Änderung des RI-Wertes des umgebenden Analyten ist in Abb. 6b dargestellt. Es sollte beachtet werden, dass die Extinktion über 95% gehalten werden kann, wenn sich der RI-Wert des umgebenden Analyten von n . ändert =1.0 bis n =1,4 mit einer Stufe von 0,1, während Frequenzverschiebungen der drei Resonanzpeaks recht auffällig sind, die durch eine deutliche Rotverschiebung mit steigendem RI-Wert des umgebenden Analyten beschrieben werden könnten. Die Variationen der Frequenzpunkte 1 (f ₁ ), 2 (f ₂ ) und 3 (f ₃ ) liegen im Durchschnitt bei etwa 2,53 THz, 4,13 THz bzw. 3,19 THz. Tatsächlich wurde allgemein akzeptiert, dass die Erfassungsfähigkeit von PLA durch eine Definition der Bulk-RI-Empfindlichkeit (S) beschrieben wird:S =Δf /Δn , wobei Δf und Δn sind die Änderung der Resonanzfrequenz bzw. des RI-Wertes [63]. Gemäß der obigen Definition, wie in Abb. 6c gezeigt, ist der Durchschnitt S Werte von drei Frequenzpunkten (f ₁ , f ₂ , und f ₃ ) werden mit etwa 25,3, 41,3 bzw. 31,9 THz/RIU bewertet. Aufgrund der hervorragenden Erfassungseigenschaften könnte man davon ausgehen, dass das Design der Dreiband-PLA in sensorbezogenen Bereichen vielversprechend ist.

a Das Schema des PLA für die RI-Sensoranwendung. b die simulierten Absorptionsspektren des PLA durch Variation der RI-Werte des umgebenden Analyten von n =1.0 bis n =1,4 in Schritten von 0,1. c Lineare Anpassung (durchgezogene Linien) und simulierte Resonanzfrequenzen (hohle Symbole) als Funktion der RI-Werte des umgebenden Analyten

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit ein einfaches Design der Dreiband-PLA basierend auf hybrider Metaoberfläche vorgeschlagen und numerisch untersucht, von dem angenommen werden kann, dass es für die RI-Erfassung geeignet ist. Das vorgeschlagene PLA basierend auf der Hybrid-Metaoberfläche soll nur aus periodischen Anordnungen von Silizium-Kreuz-Nanostrukturen bestehen, die auf einem Goldsubstrat abgeschieden sind. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass das entworfene PLA eine relativ hohe Absorption von 98,1%, 98,7% und 99,6% bei 402,5 THz, 429,5 THz bzw. 471,5 THz aufweisen kann. Die physikalischen Bilder des entworfenen PLA wurden durch die Analyse der räumlichen Verteilungen des elektrischen und magnetischen Felds bei drei verschiedenen Resonanzfrequenzen untersucht. Es stellte sich heraus, dass die EM-Energie durch die stehenden Wellen abgeleitet werden könnte, die von verschiedenen geführten Moden höherer Ordnung in der verlustbehafteten Grenzfläche zwischen Silizium-Kreuznanostruktur und Goldsubstrat stammen, was zu einer perfekten Dreiband-Absorption führt. Außerdem zeigen die räumlichen Verteilungen des Leistungsflussstroms und der Verlustdichte, dass die dielektrische Verlusteigenschaft von Silizium und Gold im sichtbaren Bereich auch für die perfekte Absorption des PLA entscheidend ist. Darüber hinaus wurde bestätigt, dass die Resonanzabsorptionseigenschaften unserer entwickelten PLA-Nanostruktur im sichtbaren Bereich durch Regulierung der geometrischen Parameter der Elementarzelle gut abgestimmt sind. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Frequenzen der Resonanzpeaks sehr empfindlich auf die RI-Variationen des umgebenden Analyten reagieren, der in das vorgeschlagene PLA gefüllt ist. Die durchschnittliche Bulk-RI-Empfindlichkeit S Werte des PLA betragen etwa 25,3, 41,3 bzw. 31,9 THz/RIU. Das vorgeschlagene PPA ist leicht durch das Verfahren des tiefen reaktiven Ionenätzens (DRIE) oder der fortschrittlichen Elektronenstrahllithographie (EBL) herzustellen, die kostengünstig mit dem CMOS-Prozess kompatibel ist [44, 49]. Daher kann dieses Design des PLA einen neuen Weg für multispektrale RI-Sensoranwendungen im sichtbaren Bereich eröffnen, insbesondere für Biomoleküle, Gasdetektion, medizinische Diagnostik und räumliche Biosensorik. It also has potential in applications of substrates for multiplex sensing activities of differentiation and proliferation of neural stem cells.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

The datasets generated and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.

Abkürzungen

PLA:

Perfect Light Absorber

RI:

Refractive index

RIU:

Brechungsindexeinheit

2D:

Zweidimensional

MDM:

Metal-dielectric-metal

SPRs:

Surface plasmon resonances

EM:

Electromagnetic

CMOS:

Complementary metal oxide semiconductor

FEM:

Finite-Elemente-Methode

FWHM:

Volle Breite auf halbem Maximum

DRIE:

Deep reactive ion etching

EBL:

Elektronenstrahllithographie