Amélioration de l'absorption à large bande insensible à l'angle du graphène à l'aide d'une métasurface à rainures multiples

Contexte

Le graphène a été démontré comme un bon candidat pour les dispositifs optoélectroniques en raison de ses remarquables propriétés électroniques, mécaniques et optiques accordables [1,2,3]. Pour de nombreuses applications telles que les photodétections et les cellules solaires, une forte absorption du graphène est souhaitée afin de générer une grande quantité de paires électron-trou et produire un grand photocourant [4, 5]. Du térahertz au moyen infrarouge, le graphène se comporte comme un métal et peut être utilisé comme un bon absorbeur en raison de sa forte réponse plasmonique [6,7,8]. Au contraire, dans les régions visible et proche infrarouge, le graphène présente une absorption presque indépendante de la longueur d'onde d'environ 2,3 % à incidence normale [9], ce qui limite sérieusement son application ultérieure dans la détection photoélectrique.

Ces dernières années, diverses approches ont été suggérées pour améliorer l'absorption de la lumière du graphène dans les régions visible et proche infrarouge, et les mécanismes physiques derrière l'amélioration de l'absorption du graphène incluent l'effet epsilon-near-zero [10], la résonance de cavité [11, 12,13], réflectance totale atténuée [14], résonance en mode guidé [15,16,17,18], couplage critique [19,20,21], résonance de Fano [22, 23], résonance plasmonique [24,25 ,26], et la résonance magnétique [27,28,29]. Malheureusement, les bandes passantes de ces absorbeurs sont généralement étroites en raison de leur nature de résonance. Très récemment, il est montré que la bande passante d'absorption du graphène peut être étendue en augmentant les canaux d'absorption de la lumière [30,31,32,33,34,35]. D'une part, en utilisant le résonateur patch [30] ou les réseaux de nanodisques Ag [31], une amélioration de l'absorption lumineuse à double bande du graphène peut être obtenue. Plus de canaux d'absorption de la lumière du graphène peuvent être réalisés en augmentant l'épaisseur du guide d'ondes [32], et l'amélioration de l'absorption à large bande du graphène est possible en utilisant plusieurs réseaux de nanodisques Ag [33]. D'autre part, les canaux d'absorption angulaire du graphène peuvent être augmentés en utilisant une configuration de réflexion totale atténuée [34], et une absorption améliorée du graphène en forme de peigne à densité angulaire peut être obtenue par l'excitation de la résonance en mode guidé d'un cristaux photoniques dimensionnels [35]. Dans les applications réelles, l'amélioration du couplage lumière-graphène dans une large gamme spectrale est très importante pour des dispositifs tels que les photodétecteurs et le photovoltaïque. Cependant, il n'y a que peu de recherches sur l'amélioration de l'absorption à large bande du graphène dans les régions visible et proche infrarouge, et des absorbeurs à large bande insensibles à l'angle de graphène couvrant toute la région visible sont fortement souhaités.

Dans ce travail, un nouvel absorbeur à large bande insensible à l'angle de graphène couvrant toute la région visible est proposé en intégrant la feuille de graphène avec une métasurface à plusieurs rainures. La bande d'absorption améliorée du graphène résulte des multiples couplages de résonances dipolaires électriques et magnétiques confinées dans la cavité du sillon. La bande d'absorption du graphène peut être contrôlée de manière flexible en adaptant à la fois le nombre et la profondeur des rainures. Une efficacité d'absorption élevée peut être maintenue même si les paramètres de structure et l'angle d'incidence sont considérablement modifiés.

Méthodes

La figure 1 montre un diagramme schématique de la métasurface à plusieurs rainures illuminée par l'onde plane TM (le vecteur de champ magnétique se trouve le long du y -axis) pour l'amélioration de l'absorption à large bande insensible à l'angle du graphène. La cellule unitaire de la structure se compose d'une feuille de graphène plane et d'un film d'argent à motifs avec cinq rainures séparées par une entretoise en polyméthacrylate de méthyle (PMMA). La couche de PMMA fonctionne comme une couche tampon qui contrôle le couplage entre le graphène et le film d'argent à motifs, et elle peut également être facilement transférée sur la surface à rainures multiples par revêtement par centrifugation lors de l'application. La période de la maille unitaire est Λ , l'épaisseur de l'entretoise PMMA est t , l'épaisseur du film d'argent inférieur est D , et le substrat est de la silice. La géométrie de la rainure est décrite à la fois par sa largeur w et sa profondeur. La largeur des cinq rainures est égale et leurs profondeurs sont d ₁ , d ₂ , d ₃ , d ₄ , et d ₅ , respectivement. L'indice de réfraction du PMMA est de 1,49 [36], et les indices de réfraction complexes du film d'argent sont tirés de Palik [37]. La feuille de graphène planaire se compose de N couches de graphène monocouche, et l'épaisseur de la feuille de graphène est de 3,4  nm comme N = 10 [11, 27]. Le graphène monocouche est modélisé comme une surface infiniment mince avec la conductivité de surface σ _g calculé à partir de la formule de Kubo [38, 39]. A température finie, elle peut être divisée en contributions intra- et interbandes :

un Diagramme schématique de la métasurface multi-rainures pour l'absorption à large bande insensible à l'angle du graphène. b Schéma en coupe d'une maille élémentaire de la structure

où e et ħ sont respectivement la charge élémentaire et la constante de Planck réduite. k _B est la constante de Boltzmann, μ _c est le potentiel chimique, Γ = 1/2τ est le taux de diffusion phénoménologique, et τ est le temps de relaxation de la quantité de mouvement. Les paramètres physiques du graphène sont définis comme μ _c = 0.15 eV, T = 300 K, et τ = 0,50 ps.

Dans les simulations, la méthode du domaine temporel aux différences finies (FDTD) (solutions FDTD Lumerical) est adoptée pour calculer les propriétés d'absorption de la métasurface multi-rainures à base de graphène. Les conditions aux limites périodiques (PBC) sont utilisées dans le x directions, tandis que les limites dans le z direction sont adoptées sous forme de couches parfaitement adaptées (PML). Réflectivité (R ) et la transmissivité (T ) sont obtenus par deux moniteurs en haut et en bas de la structure. Le film d'argent inférieur est choisi pour être optiquement suffisamment épais (D = 100 nm) pour empêcher la transmission de la lumière ; par conséquent, l'absorption totale (A ) de la structure peut être réduit comme A = 1–R . L'absorption du graphène (A _g ) peut être calculé comme [24] :

où P _haut (λ ) et P _bas (λ ) sont les puissances passant par les plans supérieur et inférieur de la feuille de graphène à la longueur d'onde λ , respectivement. P _dans (λ ) représente la puissance incidente à la longueur d'onde λ . En simulation, P _dans (λ ) est la puissance de la source lumineuse, et deux moniteurs de puissance sont insérés dans les plans supérieur et inférieur du graphène pour obtenir P _haut (λ ) et P _bas (λ ). Ces puissances sont extraites du champ total dans les simulations FDTD.

Résultats et discussions

La figure 2 montre la réponse spectrale de la métasurface multi-rainures sans et avec du graphène. Les paramètres de structure, tels que le nombre de rainure, la profondeur et la largeur de rainure, et l'épaisseur de l'espaceur en PMMA, sont optimisés de manière à obtenir une amélioration de l'absorption à large bande dans la région visible. Comme on peut le voir sur la figure 2a, la métasurface multi-rainures sans graphène peut fonctionner comme un absorbeur plasmonique, et l'absorption de la lumière peut être améliorée dans la région visible en raison de l'effet plasmon de surface du film d'argent nanostructuré. Voir la figure 2b pour la métasurface multi-rainures avec du graphène, et l'absorption de la lumière peut être considérablement améliorée dans toute la région visible. L'absorption moyenne de la structure totale atteint 92,7% sur la plage de longueurs d'onde de 400 à 800  nm, ce qui est comparable à de nombreux absorbeurs plasmoniques, à la fois en termes d'efficacité d'absorption et de bande passante d'absorption [40,41,42,43]. Fait intéressant, l'énergie lumineuse est principalement dissipée dans le graphène plutôt que dans l'argent. L'efficacité d'absorption du graphène est considérablement améliorée dans une région de longueur d'onde étendue, et son efficacité d'absorption moyenne atteint 71,1 % dans la gamme spectrale de 450 à 800  nm. Cependant, étant donné que le mode plasmon de surface ne peut être excité que par la polarisation TM, il n'y a pas d'amélioration d'absorption évidente pour la métasurface à plusieurs rainures sous l'éclairage de l'onde TE (voir le fichier supplémentaire 1 :Figure S1).

un Spectres de la métasurface multi-rainures sans graphène. b Spectres d'absorption de la structure totale, du graphène et de l'argent pour la métasurface multi-rainures avec du graphène. Les paramètres sont Λ = 300 nm, t = 5 nm, w = 30 nm, D = 100 nm, d ₁ = 20 nm, d ₂ = 35 nm, d ₃ = 50 nm, d ₄ = 80 nm, d ₅ = 90 nm, N = 10, et θ _c = 0°

Pour mieux comprendre l'effet de l'amélioration de l'absorption à large bande du graphène sous l'éclairage des ondes TM, les distributions des champs électriques et magnétiques de la structure pour différentes longueurs d'onde sont étudiées. Comme on peut le voir sur la figure 3, le champ électrique est très concentré et renforcé autour du coin de la rainure métallique, et sa direction est presque parallèle au x -axe, correspondant à un mode de résonance dipolaire électrique [44, 45]. Au contraire, le champ magnétique est fortement renforcé dans la cavité de la rainure métallique, et sa direction est perpendiculaire au xoz -plan, correspondant à un mode de résonance magnétique dipolaire [26, 46]. Le couplage électromagnétique des résonances dipolaires électriques et magnétiques dans les rainures métalliques augmente considérablement l'interaction lumière-graphène, entraînant une meilleure absorption de la lumière du graphène. Notez que l'emplacement de l'amélioration du champ est principalement concentré dans le sillon le moins profond pour les courtes longueurs d'onde, et il se déplace vers le sillon plus profond à mesure que la longueur d'onde augmente ; ainsi, de multiples couplages des résonances dipolaires électriques et magnétiques peuvent être pris en charge pour la structure à plusieurs rainures avec différentes profondeurs de rainures, ce qui entraîne une absorption lumineuse à large bande du graphène qui couvre toute la région visible.

Distributions normalisées des champs électriques et magnétiques de la maille élémentaire de la structure aux longueurs d'onde de 450 nm pour (a ) et (b ); 600 nm pour (c ) et (d ); 750 nm pour (e ) et (f ). La zone de tiret blanc inséré est la vue agrandie des rainures, et les flèches rouges indiquent la direction du champ électrique. Les paramètres de structure sont les mêmes que sur la figure 2

Pour mieux identifier l'emplacement du pic d'absorption du graphène de la métasurface à rainures multiples, les propriétés de résonance de la structure à rainure unique sont étudiées. Pour la structure à rainure unique illustrée dans l'encart de la figure 4b, la longueur d'onde de résonance de la cavité de la rainure sous la polarisation TM est donnée par [47] :

où M est le numéro de mode, et M = 1 dans le calcul ; n _eff est l'indice de réfraction effectif de la cavité de la rainure, qui peut être équivalent à l'indice de réfraction de mode du guide d'ondes métal-isolant-métal (MIM). Seul le mode fondamental de TM₀ peut être pris en charge car la largeur du sillon est bien inférieure à la longueur d'onde et le n correspondant _eff peut être déterminé en utilisant la dispersion en mode pair du guide d'ondes MIM [48] :

où ε _d et ε _m sont les constantes diélectriques du PMMA et de l'argent, respectivement ; k ₀ est le vecteur d'onde de la lumière incidente, β est la constante de propagation du mode guide d'onde MIM, et n _eff = β /k ₀ .

Réponse d'absorption du graphène pour la structure à rainure unique, comme indiqué dans l'encart de la figure. un Réponse d'absorption du graphène en fonction de la profondeur du sillon. b Résultat FDTD de l'emplacement du pic d'absorption du graphène en fonction de la profondeur du sillon, et résultat théorique de la longueur d'onde de résonance en fonction de la profondeur du sillon. Les paramètres sont Λ = 300 nm, t = 5 nm, N = 10, et w = 30 nm

Comme on peut le voir sur la figure 4a, pour la structure à rainure unique, l'efficacité d'absorption du graphène augmente à mesure que la profondeur de la rainure augmente, et le pic d'absorption du graphène est également déplacé vers la longueur d'onde la plus longue. Comme on peut le voir sur la figure 4b, les emplacements des pics d'absorption du graphène sont en bon accord avec les résultats théoriques de la longueur d'onde de résonance de la cavité du sillon. La pente du résultat FDTD est de 8,48, ce qui est proche de la pente du résultat théorique de 10,46. Selon l'éq. (5), l'emplacement du pic d'absorption du graphène est décalé vers le rouge avec l'augmentation de la profondeur du sillon, et il couvre toute la région visible lorsque la profondeur du sillon varie dans la plage de 20 à 90  nm. Par conséquent, l'emplacement du pic d'absorption du graphène peut être ajusté par la profondeur du sillon, et l'absorption à large bande du graphène peut être réalisée si plusieurs sillons avec différentes profondeurs de sillon sont intégrés dans la cellule unitaire de la structure, ce qui vérifie davantage le mécanisme physique de absorption lumineuse à large bande du graphène pour la métasurface multi-rainures. Cependant, pour une période fixe et une largeur de sillon fixe, cela ne signifie pas que plus le nombre de sillons est élevé, meilleures seront les performances d'absorption du graphène (voir Fichier supplémentaire 1 :Figure S2). Ainsi, les performances d'absorption du graphène peuvent être contrôlées de manière flexible en adaptant à la fois le nombre et la profondeur de la rainure pour la configuration à plusieurs rainures.

Pour évaluer davantage les performances d'absorption du graphène intégré à la métasurface multi-rainures, nous avons d'abord étudié l'influence de l'épaisseur de la couche d'espacement sur l'absorption de la lumière du graphène. Comme on peut le voir sur la Fig. 5, la réponse d'absorption du graphène est robuste à la variation de l'épaisseur de la couche d'espacement, et la large bande d'absorption peut être maintenue lorsque l'épaisseur de la couche d'espacement est augmentée de 5 nm à 20 nm . Lorsque l'épaisseur de la couche d'espacement augmente, la bande d'absorption du graphène se déplace vers la longueur d'onde la plus longue en raison de l'augmentation de l'épaisseur optique de la structure. De plus, comme la couche d'espacement possède la fonction de couche tampon, qui contrôle le couplage électromagnétique entre le sillon métallique et le graphène, l'efficacité d'absorption moyenne du graphène diminue avec l'augmentation de l'épaisseur de la couche d'espacement.

Réponse d'absorption du graphène en fonction de l'épaisseur de la couche d'espacement pour la structure multi-rainures, et d'autres paramètres sont les mêmes que dans la Fig. 2

La figure 6 montre l'influence du nombre de graphène monocouche et de la largeur du sillon sur l'absorption lumineuse du graphène, et on peut voir que les performances d'absorption du graphène sont robustes aux variations des deux N et w . Sur la figure 6a, l'absorption de la lumière du graphène peut être remarquablement améliorée lorsque le nombre de graphène monocouche est augmenté à 10 ; cependant, l'amélioration globale de l'absorption ralentit pour N> 10 et il devient saturé comme N est augmenté à 30. L'absorption de la lumière du graphène n'est pas toujours augmentée avec l'augmentation du nombre de graphène monocouche, et un phénomène similaire peut également être observé dans les réseaux de résonance de guide d'ondes à base de graphène [49]. Sur la figure 6b, on peut voir que la bande d'absorption est décalée vers le bleu à mesure que la largeur de la rainure augmente, et l'absorption moyenne atteint son maximum à la valeur de conception de w = 30 nm pour la structure totale et le graphène dans la région visible. Étant donné que le couplage électromagnétique des résonances dipolaires électriques et magnétiques est principalement confiné dans le sillon, un écart par rapport à la valeur de conception de la largeur du sillon avec ± 10 nm affectera nettement les performances d'absorption de la métasurface multi-rainures.

un Réponse d'absorption du graphène en fonction du nombre de graphène monocouche. b Spectres d'absorption de la structure totale et du graphène en fonction de la largeur du sillon avec N = 10. Les autres paramètres sont les mêmes que dans la Fig. 2

Nous étudions également la robustesse angulaire de l'absorbeur de graphène proposé intégré à la métasurface multi-rainures. Sur la figure 7, on peut constater que la réponse d'absorption du graphène est robuste à la variation de l'angle incident. On peut calculer qu'une efficacité d'absorption moyenne de 61,5% peut être atteinte même à θ _c = 60° dans la gamme spectrale de 450-800 nm, et la bande d'absorption est maintenue presque la même bien que l'angle d'incidence soit considérablement modifié. En effet, l'amélioration de l'absorption à large bande du graphène intégré à la métasurface à rainures multiples provient du couplage des résonances dipolaires électriques et magnétiques dans la cavité de la rainure, qui est presque insensible à la variation de l'angle incident. Les performances d'absorption insensibles à l'angle sont très importantes car les performances d'absorption de la plupart des absorbeurs à base de graphène dépendent généralement de l'angle incident [12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23 ,24,25, 28,29,30,31,32,33,34,35]. À la différence des précédents absorbeurs à base de graphène, la structure proposée possède simultanément une large bande d'absorption et des performances insensibles à l'angle, ce qui est fortement souhaité dans une variété de domaines tels que les absorbeurs omnidirectionnels.

La réponse d'absorption du graphène en fonction de l'angle d'incidence pour la structure multi-rainures, et d'autres paramètres sont les mêmes que dans la Fig. 2

Conclusions

En conclusion, un absorbeur de graphène à large bande insensible à l'angle intégré à une métasurface multi-rainures est proposé et sa propriété d'absorption de la lumière est étudiée numériquement. La bande d'absorption du graphène couvre toute la région visible, et une efficacité d'absorption moyenne de 71,1% peut être obtenue dans la gamme spectrale de 450 à 800  nm. La bande d'absorption étendue du graphène est née des multiples couplages de résonances dipolaires électriques et magnétiques confinées dans la cavité de la rainure, et son mécanisme peut être vérifié en utilisant la structure à rainure unique. L'emplacement du pic d'absorption du graphène peut être réglé par la profondeur du sillon, et la bande passante d'absorption du graphène peut être contrôlée de manière flexible en adaptant à la fois le nombre et la profondeur du sillon. Les propriétés d'absorption à large bande du graphène ne sont pratiquement pas affectées par la variation de l'épaisseur de la couche d'espacement, le nombre de graphène monocouche et la largeur de la rainure. En particulier, les spectres d'absorption lumineuse du graphène restent presque les mêmes, même à de grands angles. L'idée d'utiliser une métasurface à rainures multiples pour élargir la bande d'interaction entre la lumière et le graphène pourrait également être adoptée dans la région du proche infrarouge et d'autres dispositifs optoélectroniques à base de graphène.

Abréviations

FDTD :

Domaine temporel aux différences finies

MIM :

Métal-isolant-métal

PBC :

Conditions aux limites périodiques

LMP :

Couches parfaitement assorties

PMMA :

Polyméthacrylate de méthyle