Absorbeur nanoperforé à haut rendement et grand angle exploitant la résonance plasmonique de vide avec une amplification de champ ultra-forte

Résumé

Nous présentons un absorbeur large bande à haut rendement qui exploite l'effet de plasmon de vide (PV) dans une architecture de type Fabry-Pérot (FP). La structure consiste en un film d'argent perforé, un espaceur en oxyde d'aluminium et un plan de masse en argent continu. La résonance hybride FP/PV fournit un pic d'absorption de 99,8 % autour de 635 nm tout en amplifiant simultanément l'intensité du champ électrique localisé aux points chauds d'un facteur 2 284. En ajustant l'épaisseur de la couche supérieure ou l'indice de réfraction environnant, la longueur d'onde de résonance peut être décalée avec précision, permettant au dispositif de fonctionner comme un capteur d'indice de réfraction avec une figure de mérite (FOM) théorique de 3,16. Ce design offre une plateforme polyvalente pour les applications photoniques de prochaine génération telles que la collecte d'énergie solaire, les photodétecteurs et les émetteurs thermiques.

Contexte

La résonance plasmonique de surface (RPS) fait référence à l'oscillation collective des électrons de conduction aux interfaces métal noble/diélectrique, qui peut améliorer considérablement l'absorption de la lumière dans les structures plasmoniques. Les absorbeurs conventionnels basés sur la RPS — allant des réseaux de diffraction [2-9] aux nanoparticules métalliques [10-21] et aux films nanoperforés [22-25] — ont été largement étudiés pour l'ajustement des performances dans le visible via la géométrie, le matériau ou les ajustements de l'environnement diélectrique.

Deux catégories principales de RPS existent : les plasmons de surface propagatifs (PSP) et les plasmons de surface localisés (LSP). Les réseaux de nanoparticules présentent principalement des LSP, tandis que les réseaux de nanoperforations supportent à la fois les PSP et les plasmons de vide (PV). Les PV, un sous-ensemble de LSP uniques aux structures à trous, soutiennent des résonances dipolaires similaires aux nanoparticules métalliques [26-27]. Bien que les PSP puissent atteindre une absorption quasi-parfaite, ils sont très sensibles à l'angle d'incidence, réduisant le rendement global [28]. En revanche, l'absorption induite par les PV reste largement insensible à l'angle et à la polarisation, mais était historiquement de magnitude inférieure à l'absorption pilotée par FP. Des études récentes ont souligné le potentiel des PV pour la détection d'indice de réfraction [29-32], soulignant la nécessité d'une investigation systématique des absorbeurs basés sur les PV.

Dans ce travail, nous présentons une étude complète d'un absorbeur à réseau de nanoperforations qui fusionne la résonance FP dans l'espaceur diélectrique et la résonance PV dans la couche supérieure perforée. Le mode hybride résultant atteint des rendements d'absorption jusqu'à 99,8 % tout en conservant une insensibilité à l'angle d'incidence et à la polarisation. De plus, la longueur d'onde de résonance est ajustable via les paramètres structurels, ouvrant la voie à des absorbeurs et capteurs d'indice de réfraction à haute performance.

Méthodes

L'architecture de l'absorbeur (Fig. 1) comprend une couche d'argent supérieure perforée d'un réseau de trous carrés, un espaceur d'oxyde d'aluminium de 250 nm et une couche d'argent inférieure épaisse (≥ profondeur de peau) pour supprimer la transmission. Les épaisseurs de couche sont notées h1 (argent supérieur), h2 (Al2O3) et h3 (argent inférieur). La période p et la longueur de bord w des trous carrés définissent la géométrie des nanoperforations. Les constantes optiques de l'argent suivent le modèle de Lorentz-Drude [35], et l'indice de réfraction de l'Al2O3 est n_d = 1,76. Nous utilisons la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD) pour calculer les réponses optiques, avec un domaine de simulation de 200 × 200 × 2000 nm³, un maillage de 1 × 1 × 1 nm³ et un temps de simulation de 1000 fs. Des conditions aux limites périodiques sont appliquées dans les directions x et y, tandis qu'une couche parfaitement adaptée (PML) absorbe les ondes sortantes dans la direction z.

Schéma de l'absorbeur à réseau de nanoperforations.

Résultats et Discussion

Paramètres de base : p = 200 nm, w = 60 nm, h1 = 20 nm, h2 = 250 nm, h3 = 200 nm. Sous illumination à incidence normale, le spectre d'absorption (Fig. 2a) montre un pic prononcé à 635 nm avec un rendement de 99,8 %, en plus des pics pilotés par FP à 372, 546 et 1113 nm. La décomposition spectrale (Fig. 2b) confirme que le pic à 635 nm provient de l'interaction de la résonance PV dans les nanoperforations et de la résonance FP dans l'espaceur. Ce pic est insensible aux changements d'indice de réfraction ambiant, indiquant une origine plasmonique, ce qui est vérifié en éliminant les PSP (longueur d'onde maximale PSP à 480 nm) et en observant la persistance de la caractéristique à 635 nm.

a Spectres d'absorption de l'absorbeur complet versus une structure Fabry-Pérot sans nanoperforations. b Évolution spectrale pour les couches individuelles : supérieure (TL), intermédiaire (ML) et inférieure (BL) avec un film d'argent de 20 nm.

Les simulations dépendantes de l'angle (Fig. 3) révèlent que le pic PV reste fixe pour la polarisation TE et se décale légèrement pour la polarisation TM, tandis que les pics FP présentent des décalages vers le bleu prononcés. Ce comportement découle du fait que l'excitation PV est indépendante de la polarisation et de l'angle d'incidence, alors que la résonance FP suit la condition d'onde stationnaire :

\(\left(4\pi h_2/\lambda\right)\sqrt{n_d^2-\sin^2\theta}+\phi_1+\phi_2=2\pi m\)

Les cartes de champ électromagnétique (Fig. 4) montrent que les modes FP confinent les champs dans l'espaceur, tandis que le mode PV localise les champs électriques aux bords des nanoperforations, amplifiant l'intensité du champ de 2284× par rapport au champ incident. Les distributions de champ magnétique confirment la nature localisée du mode PV.

Distributions de champ aux résonances clés : 372 nm (a,e), 546 nm (b,f), 635 nm (c,g), 1113 nm (d,h). Coupe transversale indiquée par lignes pointillées noires.

En variant l'épaisseur de l'espaceur h2 (20–500 nm) (Fig. 5a), les longueurs d'onde de résonance FP se décalent linéairement, et lorsqu'elles coïncident avec la résonance PV, un mode hybride FP-PV émerge. Notamment, le mode PV peut disparaître près de la résonance en raison d'une interférence destructive, entraînant une absorption réduite. Réduire h2 en dessous de 50 nm induit un décalage vers le rouge et une absorption PV plus faible due au couplage de charge-image avec le miroir inférieur. De même, l'ajustement de l'épaisseur de la couche supérieure h1 (10–30 nm) accorde la résonance PV (Fig. 5b), les couches supérieures plus minces causant un décalage vers le rouge et une intensité de pic réduite.

a Contour d'absorption versus longueur d'onde et h2 ; ligne pointillée noire (FP), ligne pointillée blanche (PV). b Absorption versus h1. c Contour versus w (p fixe). d Contour versus p (w fixe).

L'ajustement géométrique des nanoperforations module aussi le comportement de résonance. L'augmentation de w de 50 à 150 nm décale vers le rouge les pics FP et PV en raison de temps de transit électroniques plus longs et de couplage en champ proche. La variation de p (100–500 nm) décale le pic FP du premier ordre et la résonance PV, tandis que les modes FP d'ordre supérieur restent largement inchangés. Ces tendances s'alignent avec les théories du milieu efficace et d'interaction dipolaire.

La sensibilité de la résonance PV au diélectrique remplissant les trous en fait un mécanisme de détection idéal. Les spectres de réflexion pour les indices de réfraction des trous n = 1,332–1,372 (Δn = 0,01) (Fig. 6a) montrent un décalage linéaire vers le rouge du pic PV, tandis que les pics FP restent inchangés. La sensibilité en longueur d'onde S_λ ≈ 186 nm/RIU et la largeur de raie du PV (~59 nm) donnent une FOM ≈ 3,16, comparable aux capteurs à nanoparticules métalliques [33, 34] et aux structures à réseau de diffraction [41].

a Spectres de réflexion pour n = 1,332–1,372. b Longueur d'onde de pic et FOM versus n.

Conclusions

Nous avons démontré, via des simulations FDTD, qu'un absorbeur tri-couche à réseau de nanoperforations peut atteindre 99,8 % d'absorption et une amplification de champ électrique de 2284 fois à la résonance plasmonique de vide. Le mode hybride FP-PV est indépendant de l'angle, robuste à la polarisation et ajustable via les paramètres structurels, offrant une plateforme à double fonction pour des dispositifs photoniques à haut rendement et la détection d'indice de réfraction (FOM = 3,16). Cette étude établit la résonance plasmonique de vide comme un mécanisme puissant pour la conception d'absorbeurs multifonctionnels.

Abréviations

FDTD :

Différences finies dans le domaine temporel

FOM :

Figure de mérite

FP :

Fabry-Pérot

LSP :

Plasmons de surface localisés

MIM :

Métal-isolant-métal

PML :

Couche parfaitement adaptée

PSP :

Plasmons de surface propagatifs

RPS :

Résonance plasmonique de surface

TE :

Transverse électrique

TM :

Transverse magnétique

PV :

Plasmons de vide