Absorption lumineuse multibande et large bande dans le graphène monocouche via résonances dipolaires magnétiques dans métamatériaux à nanodisques Ag

Résumé

Le graphène monocouche, lorsqu'il est suspendu, n'absorbe que ~2,3 % de la lumière incidente à incidence normale — une limitation pour les applications optoélectroniques. Nous démontrons numériquement qu'un métamatériau soigneusement conçu, comprenant une feuille de graphène intercalée entre quatre nanodisques d'argent (Ag) de diamètres variables et un espaceur SiO₂ sur un substrat Ag, peut augmenter l'absorption du graphène à plus de 65 % sur le spectre visible. Chaque nanodisque se couple au substrat pour produire une résonance dipolaire magnétique individuelle ; l'action collective de ces quatre résonances donne des pics d'absorption distincts, et en accordant leur chevauchement spectral, une bande d'absorption large à haute absorption est réalisée. La bande d'absorption peut être décalée en ajustant l'épaisseur du SiO₂ ou l'espacement entre nanodisques, offrant des paramètres de conception polyvalents pour photodétecteurs et dispositifs connexes.

Contexte

Le réseau bidimensionnel en nid d'abeille du graphène lui confère des traits électroniques et optiques exceptionnels, tels que haute mobilité des porteurs, conductivité ajustable et transparence remarquable. Son absorption universelle d'environ 2,3 % dans le visible et proche infrarouge est ancrée dans la constante de structure fine, pourtant cette valeur est insuffisante pour une photodétection ou récupération d'énergie efficaces. De nombreuses stratégies — piégeage par cristal photonique, réflexion totale interne, résonance de plasmon de surface, diffraction évanescente, couplage de modes guidés — ont été explorées pour améliorer l'absorption du graphène. Cependant, atteindre une amélioration simultanée multibande et large bande, surtout dans le régime optique, reste un défi. Des travaux antérieurs ont montré que des designs multi-résonateurs peuvent élargir l'absorption dans les domaines THz et infrarouge ; ici nous étendons ce concept au visible en exploitant les modes dipolaires magnétiques dans une architecture métamatériau sous-longueur d'onde.

Méthodes/Expérimental

La cellule unité (Fig. 1) consiste en une monocouche de graphène positionnée entre quatre nanodisques Ag de diamètres d₁ > d₂ > d₃ > d₄ et un espaceur SiO₂ sur un substrat Ag. Les périodes p_x et p_y sont 400 nm, hauteur nanodisque h = 50 nm, épaisseur espaceur t = 30 nm, et niveau de Fermi graphène E_f = 0,5 eV. Les simulations électromagnétiques ont été effectuées avec EastFDTD v5.0, employant la permittivité Drude-Lorentz expérimentale de l'Ag et une approximation de phase aléatoire pour la conductivité de surface du graphène (termes intrabande et interbande). Le tenseur de permittivité du graphène a été modélisé comme ε_g = diag(1+ iσ/(ωε₀t_g), 1+ iσ/(ωε₀t_g), 1).

Résultats et discussion

La figure 2 montre les spectres d'absorption calculés pour graphène, Ag, et le métamatériau complet à incidence normale. Quatre pics d'absorption prononcés apparaissent à λ₁ = 722,9 nm, λ₂ = 655,7 nm, λ₃ = 545,5 nm, et λ₄ = 468,8 nm, avec absorption graphène atteignant 65,7 %, 61,2 %, 68,4 %, et 64,5 % respectivement. Comparé aux 2,3 % intrinsèques du graphène suspendu, cela représente plus d'une augmentation 26 fois. À λ₃, l'absorption totale dépasse 98,5 %, miroirant la performance d'absorbeurs parfaits établis et soulignant le potentiel pour l'intégration cellules solaires.

Pour élucider l'origine de ces pics, les distributions de champ à chaque résonance ont été examinées (Figs. 3 et 4). À λ₁, les champs électriques se localisent aux bords du plus grand nanodisque, tandis que les champs magnétiques se confinent dans l'espaceur SiO₂ sous celui-ci — caractéristique d'un mode dipolaire magnétique issu de l'hybridation plasmonique avec le substrat. Des motifs similaires émergent pour λ₂, λ₃, et λ₄, chacun associé au disque suivant plus petit. Ainsi, quatre résonances dipolaires magnétiques indépendantes pilotent l'absorption multibande.

En accordant les diamètres des nanodisques pour que les quatre résonances chevauchent spectralement, une bande d'absorption large couvrant 450–650 nm est atteinte (Fig. 5a). L'absorption de crête reste >73 % tandis que le creux reste >50 %. L'augmentation progressive des diamètres décale cette bande vers des longueurs d'onde plus longues (Fig. 5b,c). Modifier l'épaisseur de l'espaceur SiO₂ module aussi la bande d'absorption ; augmenter t de 25 à 45 nm produit un décalage bleu net (Fig. 6). De même, réduire la distance centre-à-centre entre disques adjacents (l de 220 à 160 nm) cause un décalage bleu modeste dû au couplage plasmonique inter-disques (Fig. 7).

Conclusions

Nous avons montré qu'un métamatériau sous-longueur d'onde comportant une monocouche de graphène entre quatre nanodisques Ag peut générer quatre résonances dipolaires magnétiques distinctes, donnant des pics d'absorption multibande entre 468 et 723 nm avec efficacités dépassant 60 %. En ingéniant les diamètres des disques, l'épaisseur de l'espaceur, ou l'espacement inter-disques, ces résonances peuvent être fusionnées en une bande d'absorption large couvrant 450–650 nm avec valeurs de crête >73 % et creux >50 %. Un tel absorbeur à haute efficacité et ajustable promet pour les photodétecteurs de prochaine génération, cellules solaires, et autres dispositifs optoélectroniques exigeant une forte interaction lumière-matière dans le visible.