Hybride Metasurface Triple-Band-Lichtabsorber für hochsensitives RI-Sensing

Zusammenfassung

In dieser Arbeit wird ein einfaches Design eines Triple-Band-Perfektlichtabsorbers (PLA) basierend auf hybrider Metasurface im sichtbaren Bereich vorgestellt, der sich für Brechungsindex (RI)-Sensing eignet. Im Gegensatz zu früheren Designs besteht die vorgeschlagene hybride Metasurface für sichtbaren PLA nur aus periodischen Silizium-Kreuz-Nanostruktur-Arrays und Goldsubstrat. Die periodischen Silizium-Kreuz-Arrays, auf dem Goldsubstrat aufgebracht, tragen zur Anregung geführter Modi unter normaler Lichteinstrahlung bei. Simulationsergebnisse zeigen drei perfekte Absorptionspeaks von 98,1 %, 98,7 % und 99,6 % bei 402,5 THz, 429,5 THz und 471,5 THz. Dieser Triple-Band-Perfektabsorptions-Effekt wird dem intrinsischen Verlust des Siliziummaterials zugeschrieben, der durch geführte Modenanregungen verursacht wird, die durch stehende Wellen verschiedener Ordnungen hervorgerufen werden. Es wurde bestätigt, dass die perfekten Absorptionseigenschaften des PLA durch Änderung der geometrischen Parameter der Unit-Cell-Nanostruktur leicht reguliert werden können. Darüber hinaus kann der entworfene PLA als RI-Sensor Empfindlichkeiten von ca. 25,3, 41,3 und 31,9 THz/RIU erreichen. Man kann glauben, dass das vorgeschlagene PLA-Design für RI-Sensing großes Potenzial in Sensorik, Detektion, verbesserter sichtbarer Spektroskopie etc. bietet.

Einleitung

Metasurfaces als wichtiger Zweig optischer Metamaterialien sind zweidimensionale (2D) Array-Architekturen, die aus subwellenlängigen periodischen plasmonischen Nanostrukturen bestehen, die aus gemusterten dielektrischen und metallischen Materialien gebildet werden. In den letzten Jahren wurden Metasurfaces intensiv untersucht, da sie potenziell in miniaturisierten Freiraum-Optikkomponenten wie Linsen, Wellenplatten, Spektralfiltern und Absorbern angewendet werden können. Ein herausragender Aspekt von Metasurfaces könnten perfekte Lichtabsorber (PLAs) im optischen Bereich sein, da sie vielversprechende Anwendungen in optischer Kommunikation, thermischer Emission, Lichternte und Sensorik haben. Generell können metasurface-basierte PLAs durch die Konfiguration von dreilagigen Metall-Dielektrikum-Metall (MDM) Nanostrukturen oder zweilagigen Dielektrikum-Metall (DM) Nanostrukturen realisiert werden, in denen verschiedene Oberflächenplasmonenresonanzen (SPRs) angeregt werden und anschließend Lichtenergieeinschluss in den gemusterten Metallen oder Metall-Dielektrikum-Grenzflächen verursachen. Zusätzlich sind intrinsische optische Verluste von metallischen und dielektrischen Materialien in PLA wichtige und vorteilhafte Faktoren zur Verstärkung der elektromagnetischen (EM) Energieabsorption des einfallenden Lichts. Es wurde bestätigt, dass die Absorptionskapazität von PLA normalerweise von Form, Größe, Dicke und Zusammensetzung der plasmonischen Metasurface abhängt, die auch empfindlich auf den Brechungsindex (RI) des umgebenden Materials reagieren. Für Sensing-Anwendungen wurde der schmalbandige PLA intensiv untersucht aufgrund seiner großen Modulations Tiefe. Wenn der PLA in einer Gas- oder Flüssigkeitsumgebung platziert wird, verschiebt sich die Frequenz des Absorptionspeaks signifikant mit der Änderung des RI-Werts des umgebenden Materials. Daher wurden zahlreiche Metasurfaces basierend auf schmalbandigen PLAs vorgeschlagen und intensiv untersucht. Zum Beispiel schlugen Cheng et al. einen schmalbandigen PLA basierend auf MDM-Konfiguration vor, der eine Empfindlichkeit von ca. 590 nm/RIU erreichen konnte. Bhattarai et al. demonstrierten einen pilzkappen-förmigen schmalbandigen PLA basierend auf einem Fabry-Perot-Kavitätenmechanismus mit Empfindlichkeit bis zu 2508 nm/RIU. Dann wurden kontinuierlich andere PLAs basierend auf MDM-Konfigurationen vorgeschlagen und theoretisch untersucht. Obwohl diese schmalbandigen PLAs hohe Empfindlichkeit erreichen konnten, ist die Großserienproduktion zeitaufwändig und kostspielig aufgrund der Komplexität des Metasurface-Designs. Daher wäre es extrem hilfreich, wenn schmalbandige PLAs durch relativ einfache Strukturen unterstützt werden könnten. Yong et al. schlugen ein einfaches Designschema von PLAs für Sensing-Anwendungen basierend auf rein metallischen Metasurfaces vor. Für diese PLAs werden üblicherweise Edelmetalle Gold oder Silber verwendet, was auch die Fertigungskosten erhöht.

In jüngster Zeit haben Metasurfaces basierend auf Silizium-Nanostrukturen aufgrund ihrer Anwendungen in Detektoren, photonischen Wellenleitern, Farbgeneratoren und Filtern sowie PLAs große Aufmerksamkeit erregt. Ähnlich wie metallische Nanostrukturen ist Silizium eines der machbaren Hoch-RI-Materialien, die verschiedene SPRs durch strukturelles Design im optischen Frequenzbereich unterstützen können. Zudem kann Silizium kosteneffizient und bemerkenswert kompatibel mit dem komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Prozess sein. Daher kann man glauben, dass schmalbandige perfekte Absorption in Silizium-Metasurface-basierten PLAs für Sensing-Anwendungen hochsignifikant wäre. Zum Beispiel schlugen Ahmmed et al. einen PLA basierend auf hybrider Metasurface vor, bestehend aus amorphen Silizium-Nanodisk-Arrays auf einer Goldschicht, der als RI-Sensor im Nahinfrarotbereich funktionieren konnte. Dies funktionierte jedoch nur in einem einzelnen schmalbandigen Bereich, was potenzielle Anwendungen in Multiplex-Sensing-Detektion einschränkt. Soweit uns bekannt, sind Berichte über hocheffiziente Mehrband-PLAs mit Metasurface, deren Betrieb im sichtbaren Bereich gültig ist, kaum zu finden.

In dieser Arbeit wird ein Triple-Band-PLA basierend auf hybrider Metasurface im sichtbaren Bereich vorgeschlagen und theoretisch demonstriert, der für RI-Sensing anwendbar ist. Die hybride Metasurface, bestehend aus einzelgrößen Silizium-Kreuz-Nanostruktur-Arrays auf einem Goldsubstrat, zeigt eine Triple-Band-Perfektabsorption mit Absorption über 98 % bei drei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen. Ein zugrundeliegender physikalischer Mechanismus der beobachteten perfekten Absorption wurde durch Analyse der räumlichen Verteilungen elektrischer Felder, Leistungsfluss und Leistungsverlustdichte bei Resonanzen illustriert. Der Einfluss der geometrischen Parameter der Unit-Cell-Nanostruktur auf die Absorptionseigenschaften des PLA wurde ebenfalls untersucht. Darüber hinaus wurde bestätigt, dass die Absorptionspeaks des PLA empfindlich auf den RI-Wert des umgebenden Mediums reagieren, was es zu einem potenziellen Kandidaten für Sensing-Anwendungen macht. Außerdem könnte der hybride Metasurface-basierte PLA einfach und unkompliziert gefertigt sowie leicht in plasmonische, elektronische und photonische Geräte auf demselben Chip integriert werden. Ein solches Triple-Band-PLA-Design ebnet den effektiven Weg zur Realisierung nanophotonischer Geräte basierend auf hybrider Metasurface, was ein Kandidat für potenzielle Anwendungen in Multiplex-Sensing, Detektion und verbesserter sichtbarer Spektroskopie sein könnte.

Methoden

Abbildung 1 zeigt das Designschema des sichtbaren PLAs basierend auf einer hybriden Metasurface, das nur aus zwei funktionalen Schichten besteht: die periodischen Silizium-Kreuz-Nanostruktur-Arrays bilden die obere Schicht als dielektrischer Resonator, während die untere Schicht das Goldsubstrat ist. Es wurde demonstriert, dass verschiedene gemusterte plasmonische Siliziumstrukturen verschiedene SPR-Modi unter Lichteinstrahlung unterstützen können, die zum Konstruieren von PLAs vom Terahertz- bis zum sichtbaren Frequenzbereich aufgrund ihrer günstigen optischen Eigenschaften angewendet werden können. Im sichtbaren Bereich ist das Halbleiter-Silizium ein wirtschaftliches Material mit hohem RI, das durch spezielles strukturelles Design als dielektrischer Resonator betrachtet werden kann. Zudem gibt es den hervorragenden Vorteil, dass Halbleiter-Silizium effizient auf einem heterogenen Substrat (wie Goldsubstrat) bei niedriger Temperatur gewachsen werden kann, basierend auf bemerkenswerter Kompatibilität mit dem CMOS-Prozess, was die Anforderungen an Großserienproduktion leicht erfüllt. In unserem interessanten sichtbaren Bereich (350–500 THz) ist der RI-Wert des Siliziums annähernd konstant, etwa nsi = 3,7 × (1 + 0,0025i). Die Gold (Au) Substratschicht kann durch das frequenzabhängige Drude-Modell aus Experimentdaten beschrieben werden. Die Dicke des Goldsubstrats ist größer als die Eindringtiefe des einfallenden Lichts im sichtbaren Bereich. Anders als die typische MDM-Konfiguration wird unser vorgeschlagener PLA basierend auf der hybriden Metasurface durch eine subwellenlängige zweilagige DM-Nanostruktur gebildet, und es kann erwartet werden, dass der vorgeschlagene PLA polarisationsunabhängig ist aufgrund der geometrischen Rotationssymmetrie der Kreuz-Nanostruktur und des quadratischen Gitters. Die optimierten geometrischen Parameter des Designs sind: px = py = 400 nm, l = 350 nm, w = 100 nm, h = 85 nm, ts = 100 nm. Wie in Abb. 1c gezeigt, wird die Unit Cell des vorgeschlagenen PLAs auf eine konstante Periodizität von 400 nm entlang der x- und y-Achsen gesetzt, um Beugung für Frequenzen bis 750 THz zu vermeiden.

Der vorgeschlagene PLA basierend auf der hybriden Metasurface wurde mit einem Simulationswerkzeug basierend auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) in CST Microwave Studio entworfen und untersucht. Wie in Abb. 1c gezeigt, wird eine ebene Wellenanregung mit einem weiten Frequenzbereich von 350 bis 500 THz als Beleuchtungsquelle mit einem Wellenvektor betrachtet, der normal zur Oberfläche der hybriden Metasurface ist. In der Simulation wurde die Maschengröße auf 0,3 nm gesetzt, was viel kleiner ist als die Betriebswellenlänge und die Unit-Cell-Größe. Um vernachlässigbare numerische Fehler zu gewährleisten, führten wir auch einen Standardkonvergenztest vor der Simulation der Unit Cell durch. Periodische Randbedingungen entlang der x- und y-Achsen wurden verwendet, um die periodische Anordnung der hybriden Metasurface zu berücksichtigen. Das einfallende linear polarisierte Licht wurde so eingestellt, dass es sich entlang der z-Achse ausbreitet, wobei das elektrische (Ex) und magnetische (Hy) Feld entlang der x- und y-Achsen ausgerichtet sind. In unserem Design wird die Transmission durch das Goldsubstrat blockiert, sodass die Absorption nur durch A(ω) = 1 - R(ω) = |S11|² berechnet werden kann, wobei S11 der Reflexionskoeffizient ist.

Ergebnisse und Diskussionen

Abbildung 2 zeigt die simulierten Reflexions- und Absorptionsspektren des PLAs basierend auf hybrider Metasurface unter normaler Lichteinstrahlung im sichtbaren Bereich. Drei deutliche Resonanzpunkte sind bei f1 = 402,5 THz, f2 = 429,5 THz und f3 = 471,5 THz evident. Bei diesen Resonanzen sinkt die Reflexion auf 1,9 %, 1,3 % und 0,4 %, und die entsprechende Absorption steigt auf Maximalwerte von 98,1 %, 98,7 % und 99,6 %. Laut früheren Arbeiten könnte vermutet werden, dass die perfekte Absorption bei drei Resonanzen den Anregungen höherer SPR-Modi in Silizium-Kreuz-Nanostrukturen unter normaler Lichteinstrahlung zugeschrieben werden kann, was später diskutiert wird. Obwohl sowohl das Hoch-RI-Halbleiter-Silizium als auch das hochreflektive Goldsubstrat, die in früheren Arbeiten weit verbreitet sind, in unserem Design angewendet wurden, ist es dennoch wert darauf hinzuweisen, dass das neuartige PLA-Design in dieser Arbeit eine relativ verbesserte Eigenschaft aufweist, nämlich eine Triple-Band-Perfektabsorption im sichtbaren Bereich durch Verwendung einzelgrößen Silizium-Kreuz-Nanostrukturen. Zusätzlich kann erwartet werden, dass der vorgeschlagene PLA für normales einfallendes Licht polarisationsunempfindlich sein sollte aufgrund seiner hohen geometrischen Rotationssymmetrie der Unit Cell, was mit früheren Designs ähnlich ist.

Zusätzlich wurden der volle Breite bei halber Maximum (FWHM) und Q-Faktor des vorgeschlagenen PLAs gemäß früherer Referenz berechnet. An den drei oben genannten Resonanzpositionen beträgt der FWHM-Wert ca. 64,875 THz, 27,75 THz und 34,125 THz, und der entsprechende Q-Faktor (= fi/FWHMi, i = 1, 2, 3) beträgt ca. 6,48, 14,57 und 13,82. Es sollte beachtet werden, dass die Triple-Band-Perfektabsorption im Idealfall mit Luftmedium beobachtet werden kann. Es ist jedoch möglich, die Resonanzabsorptions-Eigenschaft durch Anpassung des außen/Umgebungs-RI-Werts des entworfenen PLAs abzustimmen. Das bedeutet, die Betriebsfrequenz könnte signifikant durch Änderung des RI-Werts der Umgebung um den PLA reguliert werden. Daher kann der entworfene PLA mit steilen Resonanzen einige potenzielle Anwendungen in Multiplex-Sensoren und Detektoren bieten.

Um den physikalischen Mechanismus hinter dem beobachteten Triple-Band-Perfektabsorptionsphänomen des entworfenen PLAs zu verifizieren, wurden die räumlichen Verteilungen der elektrischen (Ex, x-z-Ebene) und magnetischen (Hy, y-z-Ebene) Felder bei diesen drei Absorptionspeaks systematisch untersucht (Abb. 3). Offensichtlich sind die räumlichen Verteilungsmuster der starken elektrischen und magnetischen Felder (Ex und Hy) bei verschiedenen Resonanzfrequenzen signifikant unterschiedlich, was die Anregungen verschiedener SPR-Modi offenbart. Es ist jedoch evident, dass sowohl elektrische als auch magnetische Felder immer stark an der Grenzfläche des Silizium-Kreuzes und Goldsubstrats konzentriert sind, wenn Resonanz auftritt. Diese räumlichen Feldmerkmale deuten darauf hin, dass geführte Modi mit verschiedenen höheren Ordnungen an der Grenzfläche der Silizium-Kreuz-Nanostruktur und Goldsubstrat angeregt wurden. Man kann glauben, dass intensive geführte Modenresonanzen an der Dielektrikum/Metall-Grenzfläche angeregt werden, wenn einfallendes Licht zwischen Wellenleitern mit unterschiedlichen Brechungsindizes gekoppelt wird. Gleichzeitig sind resonante Kopplungen zwischen dem einfallenden Licht und dem geführten Modus der Dielektrikum/Metall-Nanostruktur möglich, was ähnlich dem Metallgitter-geführten Modenresonanzeffekt ist.

Um die geführte Modenresonanz des entworfenen PLA-Nanostruktur zu illustrieren, können wir die entworfene Silizium-Kreuz-Nanostruktur als dielektrischen Wellenleiter im sichtbaren Bereich annehmen. Wenn das einfallende Licht die Lücken zwischen zwei benachbarten Unit Cells trifft, wird es in die Siliziumschicht gebeugt und dann vom Goldsubstrat reflektiert, anschließend in die Grenzfläche der Silizium/Gold-Substrat geführt. Aufgrund des symmetrischen Designs der Unit Cell propagieren die gekoppelten geführten Lichter von benachbarten Lücken entgegengesetzt und bilden folglich eine stehende Welle in der Wellenleiterschicht. Laut den in Abb. 3a-f gezeigten Ergebnissen kann festgestellt werden, dass nur ungerade harmonische geführte Modi in der Nanostruktur unter normaler Lichteinstrahlung angeregt werden können. Abb. 3a-f zeigen den ersten-Ordnungsmodus, dritten-Ordnungsmodus und fünften-Ordnungsmodus in der Nanostruktur. Die Ergebnisse stimmen gut mit früheren PLAs basierend auf MDM-Konfiguration überein, in denen der zweite-Ordnungsmodus für normale einfallende Lichter nicht angeregt werden konnte. Dies liegt daran, dass die Anregungen der harmonischen geführten Modi hauptsächlich durch die geometrischen Parameter der entworfenen Nanostruktur bestimmt werden. Das bedeutet, dass nur ungerade oder harmonisch-geführte Modi unter dem speziellen geeigneten Nanostrukturdesign in dieser Arbeit angeregt werden können. Die geführten-Moden-Anregungen mit höheren Ordnungen in dieser Nanostruktur würden dazu beitragen, das einfallende Licht in den Luftspalt zu koppeln und in der Silizium/Gold-Grenzfläche zu lokalisieren, was schließlich eine perfekte Lichtabsorption bei verschiedenen Resonanzfrequenzen erzeugt. Wie bekannt, ist der Energieverlust des einfallenden Lichts, der durch geführte Modenanregungen in der Nanostruktur induziert wird, immer groß genug, um hohe Absorption bei Resonanzen einzuführen. Darüber hinaus werden diese geführten Modenresonanzen hauptsächlich durch geometrische Größen und umgebende Medien der entworfenen Nanostruktur bestimmt. Es kann geschlossen werden, dass höher-ordnungs-geführte Modi auch angewendet werden könnten, um hochleistungsfähige PLAs im sichtbaren Bereich mit moderaten geometrischen Parametern im Vergleich zur Verwendung des Fundamentalmodus mit tieferer Subwellenlängenstruktur zu erhalten.

Für ein tieferes und qualitatives Verständnis der obigen perfekten Absorption wurden die 3D-Verteilungen von Leistungsflussstrom und Leistungsverlustdichte für normales einfallendes y-polarisiertes Licht bei verschiedenen Resonanzfrequenzen (f1 = 402,5 THz, f2 = 429,5 THz, f3 = 471,5 THz) untersucht (Abb. 4a-c). Zunächst sind die eingehenden Lichtleistungsflüsse ursprünglich parallele Ströme im Raum fern von der Nanostruktur bei Resonanzen. Wenn einfallende Lichtströme sich dem PLA nähern, fließen die meisten von ihnen "quer" durch die Unit Cell, kräuseln sich anschließend in der Siliziumschicht und konzentrieren sich schließlich auf die Grenzfläche von Silizium und Goldsubstrat. In diesem Fall zeigt die räumliche Form der Leistungsblütenströme in der Nanostruktur verschiedene Charakteristika bei verschiedenen Absorptionsfrequenzen. Die Leistungsflussstromprofile, verursacht durch geführte Modenanregungen, finden in der Nanostruktur statt, und der intrinsische Verlust tritt üblicherweise in Volumenmaterialien auf. Aufgrund der dielektrischen Verlustnatur von Silizium und Gold im sichtbaren Bereich kann angenommen werden, dass die Lichtenergieverluste, induziert durch geführte Modenanregungen mit verschiedenen höheren Ordnungen, hauptsächlich vom Silizium-Kreuz-Nanostruktur und Goldsubstrat stammen sollten.

Abbildung 4d-f illustriert die 3D-Verteilungen der Leistungsverlustdichte in der Unit-Cell-Nanostruktur bei Frequenzen f1 = 402,5 THz, f2 = 429,5 THz und f3 = 471,5 THz. Man kann beobachten, dass die Leistungsverlustdichten hauptsächlich in der Grenzfläche zwischen der Silizium-Kreuz-Nanostruktur und dem Goldsubstrat verteilt sind. Offensichtlich wird die Leistung des einfallenden Lichts vollständig in der entworfenen PLA-Nanostruktur eingeschlossen. Da Silizium und Gold in der Nanostruktur beide dielektrische Verlustmaterialien im sichtbaren Bereich sind, findet die Lichtenergiedissipation im entworfenen PLA statt. In unserem Design ist das Silizium-Kreuz viel günstiger für die Verbesserung der Absorptionsleistung als die früheren Quadrat- und Scheibenformen, da die Lücken des vorgeschlagenen Kreuz-Typs Nanostruktur aufgrund der geführten Modenanregungen leichter mehr einfallendes Licht einfangen würden. Tatsächlich kann das strukturierte Silizium mit geeignetem geometrischem Design selbst als guter PLA dienen, basierend auf dem verlustbehafteten Merkmal des Siliziummaterials im sichtbaren Bereich. Darüber hinaus könnte das Silizium-Kreuz auch als Antireflexionsschicht angenommen werden, was das Goldsubstrat bei Resonanzen zu einem fast perfekten Absorptionsmaterial macht. Das Gold ist im sichtbaren Bereich immer noch plasmonisch, da der reelle Teil seiner Permittivität negativ ist. Es sollte beachtet werden, dass das einfallende Licht stark vom Goldsubstrat abgestoßen wird, und perfekte Absorption ohne SPR-Antwort unmöglich wäre.

Basierend auf den obigen Analysen kann geschlossen werden, dass die Triple-Band-Perfektabsorption des vorgeschlagenen PLAs aus den geführten Modi mit höherer Ordnung und der dielektrischen Verlustnatur von Silizium und Goldsubstrat im sichtbaren Bereich stammt. Kurz gesagt, geführte Modenresonanz und Verluste der Nanostruktur sind die beiden Schlüsselfaktoren für die perfekte Absorption des entworfenen PLAs.

Als Nächstes wurden die Einflüsse geometrischer Parameter für jede Unit Cell auf die Absorptionseigenschaft unseres Design-PLAs systematisch durch eine Parameterstudie untersucht. Für den vorgeschlagenen PLA in dieser Arbeit müssen nur vier geometrische Parameter berücksichtigt werden: Drahtbreite (w), Drahtlänge (l), Höhe (h) der Silizium-Kreuz-Nanostruktur und Periodizität (p) der Unit Cell. Eine Reihe von Absorptionsspektren des entworfenen PLAs mit verschiedenen geometrischen Parametern (w, h, l, p) wurden in Abb. 5a-d dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass immer nur ein geometrischer Parameter reguliert wurde, während die anderen konstant blieben.

Basierend auf Abb. 5a, b kann beobachtet werden, dass die Absorption der Resonanzpeaks über 95 % gehalten werden kann, wenn ein geometrischer Parameter geändert wird, während die anderen konstant bleiben. Die Betriebsfrequenz zeigt sich jedoch empfindlich gegenüber den geometrischen Parametern des PLAs. Wenn die Periodizität (p) des PLAs festgelegt ist, erweist sich die Absorptionspeak-Frequenz als umgekehrt proportional zu den geometrischen Größen (w, h, l) der Unit Cell, was gut mit früheren Studien konsistent ist. Dies liegt daran, dass der effektive Brechungsindex der geführten Modenresonanzen mit der Zunahme von w, h und l zunimmt. Die Absorptionseigenschaften des PLAs mit verschiedenen Größen von w wurden in Abb. 5a dargestellt. Mit Änderung von w von 85 auf 105 nm in 5 nm Schritten kann ein deutlicher Rotverschiebung des Absorptionsspektrals beobachtet werden. Für den PLA mit breiterer Drahtbreite (w > 100 nm) des Silizium-Kreuzes wird die Absorption des ersten und zweiten Absorptionspeaks leicht abnehmen, aber der dritte kann nahezu beibehalten werden. Diese Art von Reaktion resultiert hauptsächlich aus dem abgeschwächten Kopplungs- und Konfinement-Effekt, induziert durch die Nanostruktur. Zusätzlich kann im Vergleich zum zweiten und dritten Resonanzpeak festgestellt werden, dass der erste Peak viel empfindlicher auf Variationen der Drahtbreite w reagiert, was zu einem deutlichen Rotverschiebungsphänomen führt. Die Absorptionseigenschaften des PLAs mit verschiedenen Größen von h wurden in Abb. 5b präsentiert. Wenn die Höhe h von 80 auf 100 nm in 5 nm Intervallen zunimmt, sind die Absorptionsspektralvariationen ähnlich dem Fall der Änderung der Drahtbreite w, und die Absorptionspeak-Frequenzen zeigen ebenfalls eine leichte Rotverschiebung. Mit zunehmender h kann festgestellt werden, dass die Absorption des ersten Resonanzpeaks allmählich zunimmt, während der zweite leicht abnimmt, und der dritte nahezu konstant bleiben kann. Wie in Abb. 5c gezeigt, kann festgestellt werden, dass die Absorptionspeaks zu niedrigeren Frequenzen verschieben, wenn die Drahtlänge l von 340 nm auf 360 nm in 5 nm Schritten zunimmt. Mit zunehmender Drahtlänge l nimmt die Absorption des ersten Absorptionspeaks leicht ab, während die anderen Resonanzpeaks konstant bleiben. Wie in Abb. 5d gezeigt, wurde eine völlig entgegengesetzte Variationstendenz, die als "Blauverschiebung" der Absorptionspeaks beschrieben werden kann, festgestellt, wenn die Periodizität p von 390 auf 430 nm in 10 nm Intervallen zunimmt. Mit zunehmender Periodizität p nimmt die Absorption des ersten Resonanzpeaks leicht zu, während die anderen Absorptionspeaks nahezu unverändert bleiben. Zusammenfassend bestätigen die in Abb. 5 dargestellten Ergebnisse, dass diese Absorptionspeaks mit Charakteristika von stehenden Wellen in Zusammenhang stehen, die in Abb. 3 demonstriert wurden, was anzeigt, dass die Betriebsfrequenz und Effizienz des vorgeschlagenen PLAs direkt durch die relativen geometrischen Parameter einschließlich Drahtbreite (w), Höhe (h), Drahtlänge (l) und Periodizität (p) reguliert werden können.

Laut den Ergebnissen und Diskussionen des entworfenen Triple-Band-PLAs oben könnte es als vielversprechender Kandidat für RI-Sensing-Anwendungen erwartet werden. Um die Praktikabilität unseres entworfenen Triple-Band-PLAs für Sensing-Anwendungen zu klären, wurde das Verhalten der Absorptionsspektren als Funktion der RI-Werte des umgebenden Analyten weiter verifiziert. Wie in Abb. 6a gezeigt, wird der umgebende Analyt in die Lücken der Silizium-Kreuz-Nanostruktur des vorgeschlagenen PLAs gefüllt. Da unser PLA eine dreifache schmale Bandbreite und perfekte Absorption um die Resonanzfrequenz hat, könnte es eine gute Sensing-Leistung zeigen. Die Abhängigkeit der Absorptionsspektren von der Änderung des RI-Werts des umgebenden Analyten wurde in Abb. 6b präsentiert. Es sollte beachtet werden, dass die Absorption über 95 % gehalten werden konnte, wenn der RI-Wert des umgebenden Analyten von n = 1,0 auf n = 1,4 in 0,1 Schritten geändert wurde, während Frequenzverschiebungen der drei Resonanzpeaks sehr deutlich waren, was als offensichtliche Rotverschiebung mit zunehmendem RI-Wert des umgebenden Analyten beschrieben werden konnte. Die Variationen der Frequenzpunkte 1 (f1), 2 (f2) und 3 (f3) betrugen durchschnittlich ca. 2,53 THz, 4,13 THz und 3,19 THz. Tatsächlich wurde die Sensing-Fähigkeit des PLAs allgemein durch die Definition der Volumen-RI-Empfindlichkeit (S) beschrieben: S = Δf/Δn, wobei Δf und Δn die Änderung der Resonanzfrequenz und des RI-Werts sind. Gemäß der obigen Definition wurden die durchschnittlichen S-Werte der drei Frequenzpunkte (f1, f2, f3) in Abb. 6c auf ca. 25,3, 41,3 und 31,9 THz/RIU bewertet. Aufgrund der hervorragenden Sensing-Charakteristik kann das Design des Triple-Band-PLAs als vielversprechend in sensorbezogenen Bereichen angesehen werden.

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit ein einfaches Design des Triple-Band-PLAs basierend auf hybrider Metasurface vorgeschlagen und numerisch untersucht, das als für RI-Sensing anwendbar angesehen werden kann. Der vorgeschlagene PLA basierend auf der hybriden Metasurface ist so entworfen, dass er nur aus periodischen Arrays von Silizium-Kreuz-Nanostrukturen besteht, die auf einem Goldsubstrat aufgebracht sind. Die numerischen Ergebnisse zeigen, dass der entworfene PLA eine relativ hohe Absorption von 98,1 %, 98,7 % und 99,6 % bei 402,5 THz, 429,5 THz und 471,5 THz aufweisen kann. Die physikalischen Bilder des entworfenen PLAs wurden durch Analyse der räumlichen Verteilungen der elektrischen und magnetischen Felder bei drei verschiedenen Resonanzfrequenzen erforscht. Es stellt sich heraus, dass die EM-Energie durch die stehenden Wellen, die aus verschiedenen höher-ordnungs-geführten Modi in der verlustbehafteten Grenzfläche zwischen Silizium-Kreuz-Nanostruktur und Goldsubstrat stammen, dissipiert werden kann, was zur Triple-Band-Perfektabsorption führt. Darüber hinaus offenbaren die räumlichen Verteilungen der Leistungsflussströme und Verlustdichte, dass das dielektrische Verlustmerkmal von Silizium und Gold im sichtbaren Bereich ebenfalls kritisch für die perfekte Absorption des PLAs ist. Zusätzlich wurden die Resonanzabsorptions-Eigenschaften unseres entworfenen PLA-Nanostruktur auch bestätigt, dass sie im sichtbaren Bereich durch Regulierung der geometrischen Parameter der Unit Cell gut abgestimmt werden können. Weiterhin wurde demonstriert, dass die Frequenzen der Resonanzpeaks sehr empfindlich auf RI-Variationen des umgebenden Analyten reagieren, der in den vorgeschlagenen PLA gefüllt ist. Die durchschnittlichen Volumen-RI-Empfindlichkeits-S-Werte des PLAs betragen ca. 25,3, 41,3 und 31,9 THz/RIU. Der vorgeschlagene PLA ist durch tiefe reaktive Ionenätzung (DRIE) oder fortschrittliche Elektronenstrahllithografie (EBL) Technik einfach herstellbar, was kosteneffizient mit CMOS-Prozess kompatibel ist. Daher kann dieses PLA-Design einen neuen Weg für multispektrale RI-Sensing-Anwendungen im sichtbaren Bereich eröffnen, besonders für Biomolekül-, Gasdetektion, medizinische Diagnostik und räumliches Biosensing. Es hat auch Potenzial in Anwendungen von Substraten für Multiplex-Sensing-Aktivitäten der Differenzierung und Proliferation neuraler Stammzellen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf angemessene Anfrage beim korrespondierenden Autor erhältlich.

Abkürzungen

PLA:

Perfekter Lichtabsorber (Perfect Light Absorber)

RI:

Brechungsindex (Refractive Index)

RIU:

Brechungsindex-Einheit (Refractive Index Unit)

2D:

Zweidimensional

MDM:

Metall-Dielektrikum-Metall

SPRs:

Oberflächenplasmonenresonanzen

EM:

Elektromagnetisch

CMOS:

Komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter

FEM:

Finite-Elemente-Methode

FWHM:

Vollbreite bei halber Maximum

DRIE:

Tiefe reaktive Ionenätzung

EBL:

Elektronenstrahllithografie