Absorbeur lumineux triple-bande à méta-surface hybride pour détection d'indice de réfraction haute sensibilité

Résumé

Un design simple d'absorbeur de lumière parfait (PLA) triple-bande basé sur une méta-surface hybride dans le visible a été présenté, applicable à la détection d'indice de réfraction (RI). Contrairement aux designs précédents, la méta-surface hybride proposée pour le PLA visible ne consiste qu'en réseaux nanostructurés de croix de silicium périodiques et un substrat en or. Les réseaux de croix de silicium périodiques déposés sur le substrat en or contribuent à exciter les modes guidés sous illumination incidente normale. Selon les simulations, trois pics d'absorption parfaits de 98,1 %, 98,7 % et 99,6 % situés à 402,5 THz, 429,5 THz et 471,5 THz ont été observés. Cet effet d'absorption parfait triple-bande peut être attribué à la perte intrinsèque du silicium provenant des excitations de modes guidés causées par les ondes stationnaires de différents ordres. Il a été confirmé que les propriétés d'absorption parfaite du PLA peuvent être facilement régulées en modifiant les paramètres géométriques de la nanostructure de la cellule unité. De plus, le PLA conçu comme capteur RI atteint une sensibilité d'environ 25,3, 41,3 et 31,9 THz/unité d'indice de réfraction (RIU). On peut croire que ce design de PLA pour la détection RI offrirait un grand potentiel d'applications dans la détection, la détection, la spectroscopie visible améliorée, etc.

Introduction

Les méta-surfaces, branche importante des métamatériaux optiques, sont des architectures bidimensionnelles (2D) formées par des nanostructures plasmoniques sous-longueur d'onde périodiques constituées de matériaux diélectriques et métalliques structurés. Ces dernières années, les méta-surfaces ont été largement étudiées pour leurs applications potentielles en optique d'espace libre miniaturisée : lentilles, lames à onde, filtres spectraux, absorbeurs. Un aspect remarquable est les absorbeurs de lumière parfaits (PLA) en région optique, avec applications en communication optique, émission thermique, collecte de lumière, détection. Généralement, les PLA basés sur méta-surfaces sont réalisés par configuration tri-couche métal-diélectrique-métal (MDM) ou bi-couche diélectrique-métal (DM), où diverses résonances plasmoniques de surface (SPRs) sont excitées et confinent l'énergie lumineuse dans les métaux structurés ou l'interface métal-diélectrique. Les pertes optiques intrinsèques des matériaux métalliques et diélectriques sont aussi des facteurs avantageux pour l'absorption d'énergie EM. La capacité d'absorption dépend de la forme, taille, épaisseur, composition de la méta-surface plasmonique, et est sensible à l'indice de réfraction (RI) du milieu environnant. Pour la détection, les PLA à bande étroite ont été intensivement étudiés en raison de leur grande profondeur de modulation. Lorsque le PLA est placé dans un environnement gazeux ou liquide, la fréquence du pic d'absorption se déplace significativement avec le changement de RI. De nombreux PLA à bande étroite basés sur méta-surfaces ont été proposés. Cependant, la production à grande échelle est longue et coûteuse en raison de la complexité du design. Des designs plus simples seraient utiles. Yong et al. ont proposé un design simple de PLA pour la détection basé sur méta-surface tout-métal, mais les métaux nobles (or, argent) augmentent le coût.

Récemment, les méta-surfaces à base de nanostructures de silicium ont attiré l'attention pour leurs applications en détecteurs, guides d'ondes photoniques, générateurs de couleur et filtres, et PLA. Le silicium, comme les nanostructures métalliques, est un matériau à RI élevé supportant divers SPRs par design structural dans le domaine optique. De plus, le silicium peut être cultivé efficacement sur substrat hétérogène (or) à basse température grâce à sa compatibilité CMOS, facilitant la production à grande échelle. Dans notre gamme visible (350–500 THz), le RI du silicium est approximativement constant : nsi = 3,7 × (1 + 0,0025i). Le substrat or est décrit par le modèle Drude dépendant de la fréquence. L'épaisseur du substrat or est supérieure à la profondeur de pénétration de la lumière incidente dans le visible. Contrairement à la configuration MDM typique, notre PLA basé sur méta-surface hybride est formé par une nanostructure bi-couche DM sous-longueur d'onde, et devrait être insensible à la polarisation grâce à la symétrie de rotation géométrique de la nanostructure en croix et du réseau carré. Les paramètres géométriques optimisés : px = py = 400 nm, l = 350 nm, w = 100 nm, h = 85 nm, ts = 100 nm. La cellule unité a une périodicité constante de 400 nm selon x et y pour éviter la diffraction jusqu'à 750 THz.

Le PLA proposé a été conçu et étudié par simulation FEM dans CST Microwave Studio. Excitation par onde plane à incidence normale, gamme 350-500 THz. Taille de maille 0,3 nm, bien inférieure à la longueur d'onde et à la taille de la cellule. Test de convergence standard effectué. Conditions aux limites périodiques selon x et y. Polarisation linéaire incidente le long de z, champs Ex et Hy selon x et y. Comme la transmission est bloquée par le substrat or, l'absorbance A(ω) = 1 - R(ω) = |S11|², où S11 est le coefficient de réflexion.

Résultats et discussions

La Fig. 2 présente les spectres de réflectance et d'absorbance simulés du PLA sous illumination incidente normale dans le visible. Trois points de résonance distincts sont observés à f1 = 402,5 THz, f2 = 429,5 THz, f3 = 471,5 THz. À ces résonances, la réflectance chute à 1,9 %, 1,3 %, 0,4 %, et l'absorbance monte à 98,1 %, 98,7 %, 99,6 %. Selon les travaux antérieurs, l'absorption parfaite aux trois résonances pourrait être attribuée à l'excitation de modes SPR d'ordre supérieur dans les nanostructures en croix de silicium sous illumination normale. Bien que le silicium semi-conducteur à haut RI et le substrat or à haute réflectance soient largement utilisés, le design novateur présente une propriété améliorée : absorption parfaite triple-bande dans le visible en utilisant une seule nanostructure en croix de silicium de taille unique. De plus, le PLA devrait être insensible à la polarisation pour l'incidence normale grâce à sa haute symétrie de rotation géométrique. La largeur à mi-hauteur (FWHM) et le facteur Q ont été calculés : FWHM ~64,875, 27,75, 34,125 THz ; Q ~6,48, 14,57, 13,82. L'absorption triple-bande est observée dans le cas idéal avec air. Cependant, il est possible d'accorder la propriété d'absorption en changeant le RI de l'environnement. Ainsi, le PLA avec résonances abruptes offre des applications potentielles en capteurs et détecteurs multiplex.

Pour vérifier le mécanisme physique derrière l'absorption parfaite triple-bande, les distributions spatiales des champs électrique (Ex, plan x-z) et magnétique (Hy, plan y-z) aux trois pics d'absorption ont été étudiées systématiquement (Fig. 3). Les motifs de distribution des champs forts sont significativement différents aux différentes fréquences, révélant l'excitation de différents modes SPR. Cependant, les champs électrique et magnétique sont toujours fortement concentrés à l'interface entre la croix de silicium et le substrat or lors de la résonance. Ces caractéristiques indiquent que des modes guidés d'ordres supérieurs à l'interface silicium/or ont été excités. On pense que les résonances de modes guidés intenses à l'interface diélectrique/métal sont excitées quand la lumière incidente est couplée entre guides d'ondes avec différents indices de réfraction. Les couplages résonnants entre la lumière incidente et le mode guidé de la nanostructure diélectrique/métal sont possibles, similaires à l'effet de résonance de mode guidé par réseau métallique.

Pour illustrer la résonance de mode guidé de la nanostructure PLA, on peut assimiler la nanostructure en croix de silicium à un guide d'ondes diélectrique dans le visible. Quand la lumière incidente frappe les espaces entre deux cellules unités adjacentes, elle est diffractée dans la couche de silicium, réfléchie par le substrat or, puis guidée vers l'interface silicium/or. Du fait du design symétrique, les lumières guidées couplées depuis les espaces adjacents se propagent en sens inverse et se combinent pour former une onde stationnaire dans la couche de guide d'ondes. Selon les résultats Fig. 3a-f, seuls les modes guidés harmoniques impairs peuvent être excités sous illumination normale. La Fig. 3a-f montre le mode d'ordre 1, 3 et 5 respectivement. Ces résultats sont cohérents avec les PLA basés sur configuration MDM, où le mode d'ordre 2 ne peut pas être excité pour l'incidence normale. L'excitation des modes harmoniques est principalement déterminée par les paramètres géométriques. Seuls les modes impairs ou harmoniques peuvent être excités sous le design nanostructural approprié. Les excitations de modes guidés d'ordres supérieurs contribuent à améliorer le couplage de la lumière incidente dans l'espace d'air et sa localisation à l'interface silicium/or, créant une absorption parfaite à diverses fréquences. La perte d'énergie de la lumière induite par l'excitation des modes guidés est toujours suffisamment grande pour introduire une absorption de haut niveau aux résonances. Ces résonances de modes guidés sont principalement déterminées par les tailles géométriques et les milieux environnants. Les modes guidés d'ordres supérieurs peuvent aussi être appliqués pour obtenir un PLA haute performance dans le visible avec des paramètres géométriques modérés, comparé à l'utilisation du mode fondamental avec structure sous-longueur d'onde plus profonde.

Pour une compréhension plus profonde, les distributions 3D du flux de puissance et de la densité de perte de puissance pour lumière incidente polarisée y aux fréquences de résonance ont été étudiées (Fig. 4a-c). Les flux de puissance d'entrée sont initialement des flux parallèles loin de la nanostructure. En approchant du PLA, la plupart traversent la cellule unité, s'enroulent dans la couche de silicium et se concentrent à l'interface silicium/or. La forme spatiale des flux de puissance présente diverses caractéristiques aux différentes fréquences. Les profils de flux de puissance causés par les excitations de modes guidés ont lieu dans la nanostructure, et la perte intrinsèque se produit dans les matériaux massifs. En raison de la nature de perte diélectrique du silicium et de l'or dans le visible, les pertes d'énergie lumineuse induites par les excitations de modes guidés d'ordres supérieurs proviennent principalement de la nanostructure en croix de silicium et du substrat or.

La Fig. 4d-f illustre les distributions 3D de densité de perte de puissance dans la nanostructure aux trois fréquences. La densité de perte se distribue principalement à l'interface entre la croix de silicium et le substrat or. La puissance de la lumière incidente est complètement confinée dans la nanostructure PLA. Comme le silicium et l'or sont tous deux des matériaux à perte diélectrique dans le visible, la dissipation d'énergie a lieu dans le PLA. Dans notre design, la croix de silicium est plus favorable pour améliorer l'absorption que les carrés et disques précédents, car les espaces du type croix capturent plus facilement la lumière incidente grâce aux excitations de modes guidés. En fait, le silicium structuré avec un design géométrique approprié peut servir lui-même de bon PLA, grâce à la caractéristique de perte du silicium dans le visible. De plus, la croix de silicium peut être considérée comme une couche antireflet, rendant le substrat or quasi parfaitement absorbant aux résonances. L'or reste plasmonique dans le visible (partie réelle de la permittivité négative). Sans réponse SPR, l'absorption parfaite serait impossible.

En s'appuyant sur les analyses, on conclut que l'absorption parfaite triple-bande du PLA proposé provient des modes guidés d'ordre supérieur et de la nature de perte diélectrique du silicium et du substrat or dans le visible. En résumé, la résonance de mode guidé et les pertes de la nanostructure sont les deux facteurs clés de l'absorption parfaite.

Ensuite, l'influence des paramètres géométriques de chaque cellule unité sur la propriété d'absorption a été étudiée par une étude paramétrique. Quatre paramètres sont à considérer : largeur de fil (w), longueur de fil (l), hauteur (h) de la nanostructure en croix de silicium, et périodicité (p) de la cellule unité. Les spectres d'absorbance avec différents paramètres (w, h, l, p) sont illustrés Fig. 5a-d. Un seul paramètre est varié à la fois, les autres constants.

D'après Fig. 5a, b, l'absorbance des pics de résonance reste >95 % en variant un paramètre. Cependant, la fréquence de fonctionnement est sensible aux paramètres géométriques. Lorsque la périodicité (p) est fixe, la fréquence du pic d'absorption est inversement proportionnelle aux tailles géométriques (w, h, l), cohérent avec les études antérieures. L'indice de réfraction effectif des résonances de modes guidés augmente avec l'augmentation de w, h, l. L'absorbance pour différentes tailles de w (Fig. 5a) : en faisant varier w de 85 à 105 nm par pas de 5 nm, un décalage vers le rouge net est observé. Pour w > 100 nm, l'absorbance des premier et second pics diminue légèrement, le troisième reste quasi constant, dû à l'affaiblissement du couplage et de l'effet de confinement. Le premier pic est plus sensible aux variations de w, avec un décalage rouge saillant. Pour h (Fig. 5b) : variation similaire, décalage rouge léger. Avec l'augmentation de h, l'absorbance du premier pic augmente progressivement, le second diminue légèrement, le troisième constant. Pour l (Fig. 5c) : augmentation de l de 340 à 360 nm par pas de 5 nm décale les pics vers les basses fréquences. L'absorbance du premier pic diminue légèrement, les autres constants. Pour p (Fig. 5d) : tendance contraire, « décalage bleu » des pics d'absorption quand p augmente de 390 à 430 nm par pas de 10 nm. L'absorbance du premier pic augmente légèrement, les autres quasi inchangés. En somme, les résultats confirment que ces pics d'absorption sont liés aux caractéristiques des ondes stationnaires (Fig. 3), indiquant que la fréquence et l'efficacité de fonctionnement du PLA peuvent être directement régulées par les paramètres géométriques relatifs (w, h, l, p).

D'après les résultats, le PLA triple-bande conçu est un candidat prometteur pour la détection RI. Pour clarifier la praticabilité, le comportement des spectres d'absorbance en fonction des valeurs de RI de l'analyte environnant a été vérifié. La Fig. 6a montre l'analyte remplissant les espaces de la nanostructure en croix. Comme le PLA a une bande passante triple étroite et une absorption parfaite autour de la fréquence de résonance, une bonne performance de détection est attendue. La Fig. 6b montre la dépendance des spectres d'absorbance au changement de RI de l'analyte (n = 1,0 à 1,4 par pas de 0,1). L'absorbance reste >95 %, tandis que les décalages de fréquence des trois pics sont très visibles, décrits comme un décalage rouge évident avec l'augmentation du RI. Les variations moyennes des points de fréquence f1, f2, f3 sont d'environ 2,53 THz, 4,13 THz et 3,19 THz. La capacité de détection est décrite par la sensibilité RI en volume S = Δf/Δn. La Fig. 6c montre les valeurs moyennes de S pour f1, f2, f3 : ~25,3, 41,3, 31,9 THz/RIU. Grâce à ces excellentes caractéristiques, le design de PLA triple-bande est prometteur pour les domaines liés aux capteurs.

Conclusions

En conclusion, un design simple de PLA triple-bande basé sur méta-surface hybride a été proposé et étudié numériquement, applicable à la détection RI. Le PLA proposé ne consiste qu'en réseaux périodiques de nanostructures en croix de silicium déposées sur un substrat or. Les résultats numériques indiquent une absorbance élevée de 98,1 %, 98,7 %, 99,6 % à 402,5 THz, 429,5 THz, 471,5 THz. Les images physiques ont été explorées en analysant les distributions spatiales des champs électrique et magnétique aux trois fréquences. L'énergie EM est dissipée par les ondes stationnaires issues des modes guidés d'ordres supérieurs à l'interface perteuse entre la croix de silicium et le substrat or, menant à l'absorption parfaite triple-bande. Les distributions spatiales du flux de puissance et de la densité de perte révèlent que la caractéristique de perte diélectrique du silicium et de l'or dans le visible est aussi critique. De plus, les propriétés d'absorption de résonance peuvent être bien accordées dans le visible en régulant les paramètres géométriques de la cellule unité. Les fréquences des pics de résonance sont très sensibles aux variations de RI de l'analyte remplissant le PLA. Les sensibilités moyennes S sont ~25,3, 41,3, 31,9 THz/RIU. Le PLA proposé est facile à fabriquer par gravure ionique réactive profonde (DRIE) ou lithographie par faisceau d'électrons (EBL), compatible CMOS de manière économique. Ce design ouvre une nouvelle voie pour les applications de détection RI multispectrales dans le visible, notamment pour la détection bio-moléculaire, gaz, diagnostics médicaux, biosensing spatial, et substrats pour activités de détection multiplex de différenciation et prolifération de cellules souches neurales.

Disponibilité des données et matériaux

Les jeux de données générés et/ou analysés sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

PLA :

Absorbeur de lumière parfait

RI :

Indice de réfraction

RIU :

Unité d'indice de réfraction

2D :

Bidimensionnel

MDM :

Métal-diélectrique-métal

SPRs :

Résonances plasmoniques de surface

EM :

Électromagnétique

CMOS :

Semi-conducteur métal-oxide complémentaire

FEM :

Méthode des éléments finis

FWHM :

Largeur à mi-hauteur

DRIE :

Gravure ionique réactive profonde

EBL :

Lithographie par faisceau d'électrons