Hochgradig abstimmbarer Dualband-Infrarot-Metamaterialabsorber mit elliptischen Graphen-Schwarzphosphor-Nanostrukturen

Zusammenfassung

Wir schlagen numerisch einen Dualband-Absorber im Infrarotbereich vor, basierend auf periodischen elliptischen Graphen-Schwarzphosphor-(BP)-Paaren. Der vorgeschlagene Absorber zeigt nahezu-Einheit-anisotrope Absorption für beide Resonanzen aufgrund der Kombination von Graphen und BP. Jede der Resonanzen ist unabhängig einstellbar durch Anpassung der geometrischen Parameter. Darüber hinaus können Dotierungslevel von Graphen und BP die resonanten Eigenschaften effektiv abstimmen. Durch Analyse der elektrischen Feldverteilungen werden Oberflächenplasmonenresonanzen in den Graphen-BP-Ellipsen beobachtet, die zur starken und anisotropen plasmonischen Antwort beitragen. Zudem werden Robustheit für Einfallswinkel und Polarisationempfindlichkeit illustriert.

Einleitung

Graphen ist ein zweidimensionales Material mit Kohlenstoffatomen, die in einem Honigwabengitter angeordnet sind [1, 2]. Verschiedene graphenbasierte photonische Geräte wurden in den letzten Jahren aufgrund ihrer ultrakompakten Größe und einzigartigen Licht-Graphen-Wechselwirkung entwickelt [3,4,5,6]. Als eine seiner bedeutendsten Anwendungen haben Metamaterialabsorber auf Graphenbasis aufgrund ihrer starken und einstellbaren plasmonischen Antwort wachsendes Interesse erregt [7,8,9,10]. Allerdings sind mehrere Anwendungen, die hohes Ein-Aus-Verhältnis erfordern, durch die Null- oder Nahe-Null-Bandlücke von Graphen eingeschränkt [11]. Als alternatives zweidimensionales Material hat Schwarzphosphor (BP), ein Monolayer aus Phosphoratomen, die in einem hexagonalen Gitter mit gekrümmter Struktur angeordnet sind [12], in jüngster Zeit einen Anstieg des Forschungsinteresses erfahren. Es besitzt außergewöhnliche optische und elektronische Eigenschaften, wie In-Plane-Anisotropie, dickeabhängig einstellbare Bandlücke [13] und hohe Trägerdichte und -beweglichkeit [14]. In den letzten Jahren haben Forscher im Infrarotbereich zahlreiche Strukturen untersucht, um die Licht-BP-Wechselwirkungsstärke in BP-basierten Metamaterialien zu erhöhen [15,16,17]. Dennoch ist die plasmonische Resonanz von BP-basierten Absorbern schwer flexibel und effektiv abzustimmen, und sie leiden normalerweise unter relativ niedriger Absorptionsrate bei moderatem Dotierungsgrad. Dies wird darauf zurückgeführt, dass die Resonanzstärke in Monolayer-BP eher schwach ist, was sein anisotropes Potenzial begrenzt. Daher wurden Graphen-BP-basierte plasmonische Absorber vorgeschlagen, die die Hybridisierung von Graphen und BP nutzen, um starke und anisotrope plasmonische Absorption zu erreichen [18,19,20]. Die bisher berichteten Graphen-BP-basierten Absorber erfordern jedoch allgemein relativ komplizierte Fertigungstechniken oder besitzen nur ein einzelnes Absorptionsband, was ihre weiteren Anwendungen für Imaging, Biosensing und Kommunikationssysteme behindert.

In unserer Arbeit wird ein anisotroper Dualband-Infrarotabsorber numerisch vorgeschlagen, der periodische elliptische Graphen-BP-Paare verwendet, der einfach zu fertigen ist. Die unabhängige Einstellbarkeit der Resonanz durch geometrische Größe und Dotierungsgrad wird demonstriert. Elektrische Feldverteilungen werden geplottet, um den physikalischen Mechanismus zu enthüllen. Die Einfallswinkeltoleranz und Polarisationempfindlichkeit werden ebenfalls illustriert.

Methoden

Der vorgeschlagene Absorber besteht aus transversalen und longitudinalen elliptischen Graphen-BP-Paaren, abgeschieden auf einer SiO₂-Schicht wie in Abb. 1 gezeigt. Eine hexagonale Bornitrid-(hBN)-Schicht wird zwischen Monolayer-Graphen und BP als isolierender Spacer eingefügt, um Ladungstransport zwischen ihnen zu verhindern und hohe Trägerbeweglichkeit zu garantieren. Die Parameter von SiO₂ und hBN stammen aus Ref. 21 und Ref. 22. Die Simulationen werden mit COMSOL Multiphysics durchgeführt, um die Dualband-Eigenschaften zu untersuchen, basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) im Frequenzbereich. Wir wenden Floquet-Periodizität als Randbedingungen in sowohl x- als auch y-Richtung an. Ein Port mit Infrarotwellenanregung wird auf die obere Oberfläche des Berechnungsbereichs gesetzt, während perfekter elektrischer Leiter (PEC) Randbedingung auf der unteren Oberfläche gesetzt wird. Tetraedrische Maschen mit benutzerkontrollierter Maschendichte werden für den gesamten Bereich angewendet.

In der Simulation werden sowohl Graphen als auch BP als zweidimensionale Oberflächen mit Oberflächenleitfähigkeiten statt als Volumenmaterialien mit Permittivitätstensoren behandelt. Diese Annahme löst die Probleme der Dickendefinition für ultradünne Materialien und niedriger Recheneffizienz [23].

Um die Oberflächenleitfähigkeit von Graphen σ(ω) zu beschreiben, verwenden wir die bekannten Kubo-Formeln wie unten [24]:

Nach Gleichung 1 besteht σ(ω) aus intra- und interband-Beiträgen, nämlich σ_intra und σ_inter. ω ist die Winkel Frequenz, μ_c das chemische Potential, Γ die Streurate und T die Kelvin-Temperatur. ħ, e, ξ und k_B sind die reduzierte Planck-Konstante, Elementarladung, Elektronenenergie und Boltzmann-Konstante.

Im Infrarotbereich, da das einfallende Photon kaum den Interband-Übergang anregen kann, wird die Licht-Graphen-Wechselwirkung vom Intraband-Übergang dominiert. Insbesondere, wenn μ_c ≫ k_BT, können die Kubo-Formeln weiter zu Gleichung 5 vereinfacht werden:

Daher hängt die Oberflächenleitfähigkeit von Graphen von den Werten ω, Γ und μ_c ab. Hier wird Γ als 0,3 meV und μ_c als 0,7 eV gemäß früherer Arbeiten [25, 26] angenommen.

Andererseits berechnen wir die Oberflächenleitfähigkeit σ_j von BP mit einem einfachen halbklassischen Drude-Modell [27]:

wobei n_s die Trägerdichte in Bezug auf den Dotierungsgrad ist. Wir wählen n_s = 1,9 × 10¹³ cm⁻² und Γ_BP = 10 meV gemäß vorheriger Referenz [16]. j ist die betroffene Richtung, so werden σ_x und σ_y durch die Elektronenmasse entlang x- und y-Richtung bestimmt. m_x und m_y können weiter berechnet werden durch:

wobei m₀ die Standard-Elektronenmasse ist, und Δ und a die Bandlücke und Skalenlänge für BP-Monolayer sind. Durch Einsetzen von Gleichungen 10–12 in Gleichung 8 und 9 erhält man die Elektronenmasse entlang Armchair (x-) und Zigzag (y-) Richtung. Die Diskrepanz zwischen ihnen trägt zur anisotropen Oberflächenleitfähigkeit von BP bei.

Ergebnisse und Diskussion

Um die anisotrope Absorptionscharakteristik des vorgeschlagenen Absorbers zu illustrieren, simulieren und vergleichen wir zunächst die Absorptionsspektren mit einzelner Graphenschicht, einzelner BP-Schicht und Graphen-BP-Paaren. Wie in Abb. 2a beobachtet, ist die plasmonische Antwort von Graphen isotrop mit zwei offensichtlichen Absorptionspeaks bei 9,9 µm und 15,4 µm, unabhängig von der Polarisation. Andererseits, obwohl die Plasmonenresonanz von BP anisotrop ist, ist ihre Stärke für entweder TE (< 12,7 %) oder TM (< 0,7 %) Einfall recht schwach. Durch Kombination der Vorteile von Graphen und BP zeigen Graphen-BP-Paare sowohl starke als auch anisotrope plasmonische Antworten. Für TE-Einfall liegen die zwei Absorptionspeaks bei 8,8 µm und 14,1 µm mit Absorptionsraten über 90 %. Für TM-Einfall verschieben sich die Wellenlängen maximaler Absorption auf 9,5 µm und 15,4 µm. Das Polarisationsextinktionsverhältnis kann als PER = 10 × log(R₁/R₀) definiert werden, wobei R₁ und R₀ die Reflexion (R = 1−A, A repräsentiert Absorption) verschiedener Polarisationen bei gleicher Wellenlänge bezeichnen, dann kann das maximale PER jeder Resonanz bis zu 23 dB und 25 dB bei λ = 9,5 µm und λ = 14,1 µm erreichen. Daher kann der vorgeschlagene Absorber als Dualband-reflektiver Polarisator mit hoher Leistung genutzt werden.

Als Nächstes analysieren wir die Absorptionsspektren mit verschiedenen geometrischen Konfigurationen, um die einstellbare Dualband-Absorptionseigenschaft in Abb. 2b–d zu demonstrieren. In Abb. 2b erfahren die ersten Absorptionspeaks Rotverschiebungen, wenn a von 42 auf 52 nm für beide Polarisationen zunimmt, während die zweiten Resonanzfrequenzen fast unverändert bleiben. Andererseits, wie in Abb. 2c gezeigt, werden durch Erhöhen der langen Achsenlänge b die zweiten Resonanzen rotverschoben, während die ersten Absorptionspeaks für TE- und TM-Polarisation konstant bleiben. Daher können die dualen Absorptionspeaks unabhängig durch Variation der entsprechenden Achsenlängen in den elliptischen Graphen-BP-Paaren eingestellt werden. Zudem spielt die Dicke der dielektrischen Schicht eine kritische Rolle für die Leistung des vorgeschlagenen Geräts, die als Fabry-Pérot-Resonator fungiert, gebildet von der Graphen-BP-Metasurface und dem PEC-Substrat. Daher werden die Absorptionsspektren mit verschiedenen t_d in Abb. 2d geplottet. Wenn t_d von 0,95 auf 1,75 µm zunimmt, haben die ersten Absorptionspeaks für TE- und TM-Polarisation einen dramatischen Abfall, während die zweiten Peaks zunächst ansteigen dann scharf abnehmen. Folglich gibt es eine optimale Dicke t_d, die die dualen Absorptionspeaks des vorgeschlagenen Absorbers maximiert.

Um den physikalischen Einblick zu erläutern, offenbaren wir weiterhin die elektrischen Feldintensitätsverteilungen bei verschiedenen Wellenlängen in Abb. 3. Für TE-Einfall ist das elektrische Feld in der Armchair (x-) Richtung. Beim ersten Peak (λ = 8,8 µm) kann das einfallende Infrarotlicht Elektronen in Graphen und BP zur Oszillation in transversaler Richtung anregen, was zur Konzentration des elektrischen Feldes an den kurzen Achsenenden der longitudinalen Ellipse führt, wie in Abb. 3a gezeigt. Bei λ = 14,1 µm wird das lokalisierte elektrische Feld an den langen Achsenenden der transversalen Ellipse verstärkt. Andererseits kann TM-Einfall mit elektrischem Feld in Zigzag (y-) Richtung Elektronen zur Schwingung entlang der longitudinalen Richtung an der Absorptionsspitze von 9,5 µm anregen, was zu konzentrierten Feldverteilungen an den kurzen Achsenenden der transversalen Ellipse führt. Außerdem wird bei λ = 15,4 µm die Verstärkung des elektrischen Feldes auf die langen Achsenenden der longitudinalen Ellipse fokussiert. Daher sind die Resonanzwellenlängen direkt mit der endlichen Oszillationslänge der induzierten Dipole in sowohl transversalen als auch longitudinalen elliptischen Graphen- und BP-Paaren verknüpft.