Absorbeur de lumière parfait à triple bande basé sur une métasurface hybride pour une application de détection

Introduction

Les métasurfaces, en tant que branche importante des métamatériaux optiques, sont des architectures de réseau bidimensionnel (2D) qui sont formées par une nanostructure plasmonique périodique sous la longueur d'onde constituée de matériaux diélectriques et métalliques à motifs [1, 2]. Ces dernières années, les métasurfaces ont été largement étudiées car elles pourraient être potentiellement appliquées dans des composants optiques miniaturisés en espace libre, tels que des lentilles, des plaques d'onde, des filtres spectraux et des absorbeurs [1,2,3,4,5,6,7, 8,9,10]. L'un des aspects remarquables des métasurfaces pourrait être les absorbeurs de lumière parfaits (PLA) exploités dans la région optique car ils ont des applications prometteuses dans la communication optique [11], l'émission thermique [12, 13], la récolte de lumière [14] et la détection [15, 16,17]. Généralement, les PLA à base de métasurface pourraient être réalisés par la configuration de nanostructures tricouches métal-diélectrique-métal (MDM) ou de nanostructures bicouches diélectrique-métal (DM), dans lesquelles les diverses résonances plasmoniques de surface (SPR) peuvent être excités et provoquent ensuite un confinement de l'énergie lumineuse dans les métaux à motifs ou l'interface métal-diélectrique [11, 15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28]. De plus, les pertes optiques intrinsèques des matériaux métalliques et diélectriques du PLA sont également des facteurs importants et avantageux pour améliorer l'absorption d'énergie électromagnétique (EM) des lumières incidentes [11, 19,20,21,22,23,24,25,26 ,27,28,29,30]. Il a été confirmé que la capacité d'absorption du PLA dépend généralement de la forme, de la taille, de l'épaisseur et de la composition de la métasurface plasmonique, qui sont également sensibles à l'indice de réfraction (IR) du matériau environnant [29,30,31,32 ,33,34,35,36]. Comme il est bien connu pour les applications de détection, le PLA à bande étroite a été étudié de manière intensive en raison de sa grande profondeur de modulation [15,16,17,18, 31,32,33,34,35,36,37]. Lorsque le PLA est placé dans un environnement gazeux ou liquide, la fréquence du pic d'absorption se déplacerait de manière significative avec le changement de la valeur RI du matériau environnant. Par conséquent, de nombreuses métasurfaces basées sur des PLA à bande étroite ont été proposées et étudiées de manière intensive [31,32,33,34,35,36,37,38]. Par exemple, Cheng et al. a proposé un PLA à bande étroite basé sur la configuration MDM, qui pourrait atteindre une sensibilité d'environ 590  nm ∕RIU [31]. Bhattarai et al. ont démontré un PLA à bande étroite coiffé d'un champignon basé sur un mécanisme de cavité Fabry-Pérot, et la sensibilité est jusqu'à 2508 nm∕ RIU [32]. Ensuite, d'autres PLA basées sur des configurations MDM ont été proposées en continu et étudiées théoriquement [33,34,35,36,37]. Bien que ces PLA à bande étroite puissent atteindre une sensibilité élevée, la production à grande échelle prend du temps et est coûteuse en raison de la complexité de la conception de la métasurface. Par conséquent, il serait extrêmement utile que le PLA à bande étroite puisse être pris en charge par des structures relativement simples. Yong et al. a proposé un schéma de conception simple des PLA pour l'application de détection basée sur une métasurface entièrement métallique [38,39,40]. Pour ces PLA, les métaux nobles or ou argent sont généralement utilisés, ce qui augmenterait également le coût de fabrication.

Récemment, les métasurfaces basées sur des nanostructures de silicium ont attiré une grande attention en raison de leurs applications dans les détecteurs [41], les guides d'ondes photoniques [42], les générateurs de couleurs et les filtres [43, 44] et les PLA [45,46,47,48,49 ,50]. Semblable aux nanostructures métalliques, le silicium est l'un des matériaux réalisables à RI élevé qui pourrait prendre en charge divers SPR par conception structurelle dans une gamme de fréquences optiques. De plus, le silicium peut également être compatible de manière économique et appréciable avec le procédé CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) [44, 49]. Par conséquent, on peut penser que l'absorption parfaite à bande étroite dans les PLA à base de métasurface de silicium serait très importante dans l'application de détection [50]. Par exemple, Ahmed et al. ont proposé un PLA basé sur une métasurface hybride composée de réseaux de nanodisques en silicium amorphe déposés sur une couche d'or, qui pourrait fonctionner comme un capteur RI dans le proche infrarouge [50]. Cependant, il ne fonctionne que dans une seule bande étroite, ce qui limite les applications potentielles dans la détection par détection multiplex. À notre connaissance, il est difficile de trouver des rapports sur les PLA multibandes à haute efficacité utilisant la métasurface, dont le fonctionnement est valide dans la région visible.

Dans ce travail, un PLA triple bande basé sur une métasurface hybride dans la région visible est proposé et démontré théoriquement, ce qui peut être applicable pour la détection RI. La métasurface hybride, constituée de réseaux de nanostructures croisées en silicium de taille unique sur un substrat en or, présente une absorption parfaite à trois bandes avec une absorbance de plus de 98 % à trois fréquences de résonance distinctes. Un mécanisme physique sous-jacent de l'absorption parfaite observée a également été illustré en analysant les distributions spatiales des champs électriques, le flux de puissance et la densité de perte de puissance aux résonances. L'impact des paramètres géométriques de la nanostructure à cellules unitaires sur les propriétés d'absorption du PLA a également été étudié. De plus, il a été confirmé que les pics d'absorption du PLA sont sensibles à la valeur RI du milieu environnant, ce qui en fait un candidat potentiel pour les applications de détection. En outre, le PLA hybride à base de métasurface pourrait être fabriqué facilement et simplement, ainsi que facilement intégré dans des dispositifs plasmoniques, électroniques et photoniques sur la même puce. Une telle conception de PLA triple bande ouvre la voie à la réalisation de dispositifs nano-photoniques basés sur une métasurface hybride, qui pourraient être un candidat pour des applications potentielles dans la détection multiplex, la détection et la spectroscopie visible améliorée.

Méthodes

La figure 1 présente le schéma de conception du PLA visible basé sur une métasurface hybride, qui se compose uniquement de deux couches fonctionnelles :les réseaux périodiques de nanostructures croisées en silicium constituent la couche supérieure agissant comme résonateur diélectrique, tandis que la couche inférieure est le substrat d'or. Il a été démontré que différentes structures de silicium plasmonique à motifs peuvent prendre en charge différents modes SPR sous un éclairage par lumière incidente, qui pourraient être appliqués pour construire les PLA du térahertz à la gamme de fréquences visible en raison de ses propriétés optiques favorables [42,43,44,45,46 ,47,48].

Illustration schématique du PLA visible à triple bande étroite. un La structure de tableau périodique 2D. b De face. c Vue en perspective de la nanostructure à cellules unitaires

Dans la région visible, le silicium semi-conducteur est un matériau économique avec un RI élevé qui peut être considéré comme le résonateur diélectrique par une conception structurelle spéciale [43,44,45,46,47,48,49]. De plus, il y a un avantage saillant que le silicium semi-conducteur peut être cultivé efficacement sur un substrat hétérogène (tel qu'un substrat d'or) à basse température en s'appuyant sur une compatibilité appréciable avec le processus CMOS [44, 49], qui est facile à répondre aux exigences de la production à grande échelle. Dans notre gamme visible intéressée (350-500 THz), la valeur RI du silicium est approximativement une constante, qui est d'environ n _si = 3,7 × (1 + 0,0025i ) [50,51,52]. La couche de substrat d'or (Au) peut être décrite par le modèle Drude dépendant de la fréquence à partir des données expérimentales [53]. L'épaisseur du substrat d'or est supérieure à la profondeur de pénétration de la lumière incidente dans le domaine visible. Différent de la configuration MDM typique, notre PLA proposé basé sur la métasurface hybride est formé par une nanostructure DM bicouche périodique sous la longueur d'onde, et on peut s'attendre à ce que le PLA proposé soit indépendant de la polarisation en raison de la symétrie de rotation géométrique du nanostructure croisée et le réseau carré. Les paramètres géométriques optimisés de la conception sont donnés comme suit :p _x =p _y =400 nm, l =350 nm, w =100 nm, h =85 nm, et t _s =100 nm. Comme le montre la figure 1c, la cellule unitaire du PLA proposé est définie pour être une périodicité constante de 400  nm le long du x- et y -directions d'axe pour éviter la diffraction pour des fréquences jusqu'à 750 THz.

Le PLA proposé basé sur la métasurface hybride a été conçu et étudié au moyen d'un outil de simulation basé sur la méthode des éléments finis (FEM) dans CST Microwave Studio. Comme le montre la figure 1c, une excitation d'onde plane avec une large plage de fréquences de 350 à 500 THz est considérée comme la source d'éclairage avec un vecteur d'onde qui est normal à la surface de la métasurface hybride. Dans la simulation, la taille du maillage est fixée à 0,3  nm, ce qui est beaucoup plus petit que la longueur d'onde de fonctionnement et la taille de la cellule unitaire. Pour garantir des erreurs numériques négligeables, nous avons également effectué le test de convergence standard avant la simulation de la maille élémentaire. Les conditions aux limites périodiques le long de x- et y -les directions des axes sont utilisées pour considérer l'arrangement périodique de la métasurface hybride. La lumière de polarisation linéaire incidente est réglée pour se propager le long de la direction de l'axe z de manière à ce que le courant électrique (E _x ) et magnétique (H _y ) les champs sont le long du x - et y -axes directions, respectivement. Dans notre conception, puisque la transmission est bloquée par le substrat d'or, l'absorbance ne peut être calculée que par A (ω) =1 - R (ω) =|S ₁₁ | ² , où S ₁₁ est le coefficient de réflexion.

Résultats et discussions

La figure 2 présente les spectres de réflectance et d'absorbance simulés du PLA sur la base d'une métasurface hybride sous un éclairage de lumière incidente normale dans la région visible. Trois points de résonance distincts sont évidemment observés à f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz, et f ₃ =471,5 THz, respectivement. À ces résonances, la réflectance est diminuée à 1,9 %, 1,3 % et 0,4 %, et l'absorbance correspondante augmente jusqu'aux valeurs maximales de 98,1 %, 98,7 % et 99,6 %, respectivement. D'après des travaux antérieurs [45,46,47,48], on pourrait conjecturer que l'absorption parfaite à trois résonances pourrait être attribuée aux excitations de modes SPR d'ordre supérieur dans les nanostructures croisées de silicium sous un éclairage incident normal qui sera discuté plus tard. Bien que le silicium semi-conducteur à RI élevé et le substrat d'or à haute réflectance qui sont largement utilisés dans les travaux précédents aient été appliqués dans notre conception [17, 38, 39, 40, 46, 48, 49, 50], il vaut toujours la peine d'être souligné que la nouvelle conception de PLA proposée dans ce travail présente une propriété relativement améliorée en termes d'absorption parfaite à trois bandes dans la région visible en utilisant une nanostructure croisée en silicium de taille unique. De plus, on peut s'attendre à ce que le PLA proposé soit insensible à la polarisation pour la lumière incidente normale en raison de sa symétrie de rotation géométrique élevée de la cellule unitaire qui est similaire aux conceptions précédentes [54,55,56].

La réflectance simulée (R (ω)) et l'absorbance (A (ω)) spectres du PLA à base de métasurface hybride visible conçu sous un éclairage incident normal

De plus, la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) et le facteur Q du PLA proposé ont également été calculés selon la référence précédente [40]. À ces trois positions de résonance mentionnées ci-dessus, la valeur de FWHM est d'environ 64,875 THz, 27,75 THz et 34,125 THz, et le facteur Q correspondant (=f _je /FWHM_i , i =1, 2, 3) est d'environ 6,48, 14,57 et 13,82, respectivement. Il convient de noter que l'absorption parfaite à trois bandes peut être observée dans le cas idéal avec des médias d'air. Cependant, il est possible d'ajuster la propriété d'absorption de résonance en ajustant la valeur RI extérieur/environnement du PLA conçu. Cela signifie que la fréquence de fonctionnement pourrait être considérablement régulée en modifiant la valeur RI de l'environnement environnant sur le PLA. Ainsi, le PLA conçu avec des résonances abruptes peut fournir des applications potentielles dans les capteurs et détecteurs multiplex.

Pour vérifier le mécanisme physique derrière le phénomène d'absorption parfaite à triple bande observé du PLA conçu, les distributions spatiales de l'électricité (E _x , x-z plan) et magnétique (H _y , y-z plan) à ces trois pics d'absorption ont été systématiquement étudiés, comme le montre la figure 3. De toute évidence, les modèles de distribution spatiale des champs électriques et magnétiques forts (E _x et H _y ) sont significativement différentes à différentes fréquences de résonance, révélant les excitations de différents modes SPR. Cependant, il est évident que les champs électrique et magnétique sont toujours fortement concentrés à l'interface de la croix de silicium et du substrat d'or lorsque la résonance se produit. Ces caractéristiques de champ spatial indiquent que les modes guidés avec différents ordres supérieurs à l'interface de la nanostructure croisée en silicium et du substrat en or ont été excités. On peut penser que les résonances en mode guidé intense à l'interface diélectrique/métal sont excitées lorsque la lumière incidente est couplée entre des guides d'ondes avec des indices de réfraction différents [57,58,59,60]. Pendant ce temps, les couplages résonants entre la lumière incidente et le mode guidé de la nanostructure diélectrique/métallique sont possibles, ce qui est similaire à l'effet de résonance en mode guidé du réseau métallique [21, 59, 60].

Distributions du a –c champ électrique (E _x dans le x-z avion de y =0 nm) et d –f champ magnétique (H _y dans le y-z plan de x =0 nm) dans la nanostructure à mailles unitaires du PLA à différentes fréquences de résonance :(a , d ) f ₁ =402,5 THz, (b , e ) f ₂ =429,5 THz, et (c , f ) f ₃ =471,5 THz

Pour illustrer la résonance en mode guidé de la nanostructure PLA conçue, nous pouvons supposer la nanostructure croisée de silicium conçue comme un guide d'ondes diélectrique dans la région visible. Lorsque la lumière incidente frappe les espaces entre les deux cellules unitaires adjacentes, elle serait diffractée dans la couche de silicium puis réfléchie par le substrat en or, puis guidée dans l'interface du substrat silicium/or. En raison de la conception symétrique de la cellule unitaire, les lumières guidées de couplage provenant d'espaces adjacents se propagent de manière opposée et se combinent par conséquent pour former une onde stationnaire dans la couche de guide d'ondes [58,59,60]. D'après ces résultats montrés sur les figures 3a–f, on peut constater que seuls les modes guidés harmoniques impairs dans la nanostructure peuvent être excités sous l'éclairage normal de la lumière incidente. La figure 3a–f montre respectivement le mode de premier ordre, le mode de troisième ordre et le mode de cinquième ordre dans la nanostructure. Les résultats sont bien cohérents avec les précédents PLA basés sur la configuration MDM [58, 61], dans lesquels le mode de second ordre ne pouvait pas être excité pour les lumières incidentes normales. C'est parce que les excitations des modes guidés harmoniques sont principalement déterminées par les paramètres géométriques de la nanostructure conçue. Cela signifie que seuls les modes guidés impairs ou harmoniques pourraient être excités sous la conception spéciale de nanostructure appropriée dans ce travail. Les excitations en mode guidé avec des ordres plus élevés dans cette nanostructure contribueraient à améliorer les lumières incidentes se couplant dans l'entrefer et se localisant dans l'interface silicium/or, créant finalement une parfaite absorption lumineuse à différentes fréquences de résonance. Comme il est bien connu, la perte d'énergie de la lumière incidente induite par l'excitation des modes guidés dans la nanostructure est toujours suffisamment importante pour introduire l'absorption de haut niveau aux résonances [20, 21, 26, 58,59,60,61]. En outre, ces résonances en mode guidé sont principalement déterminées par les tailles géométriques et les milieux environnants de la nanostructure conçue [58]. On peut conclure que les modes guidés d'ordre supérieur pourraient également être appliqués pour obtenir le PLA haute performance dans la région visible avec des paramètres géométriques modérés par rapport à l'utilisation du mode fondamental avec une structure de sous-longueur d'onde plus profonde [61].

Pour obtenir une compréhension plus approfondie et qualitative de l'absorption parfaite ci-dessus, les distributions 3D du flux de puissance et de la densité de perte de puissance pour un incident normal y -lumières polarisées à différentes fréquences de résonance (f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz, et f ₃ =471,5 THz) ont également été étudiées, comme illustré sur la Fig. 4a–c. Premièrement, les flux de puissance lumineuse d'entrée sont à l'origine des flux parallèles dans l'espace éloigné de la nanostructure aux résonances. Lorsque les flux de lumière incidente se rapprochent du PLA, la plupart d'entre eux circulent «à travers» la cellule unitaire, s'enroulent ensuite dans la couche de silicium et se concentrent finalement sur l'interface du substrat de silicium et d'or. Dans ce cas, la forme spatiale des flux de fleurs de puissance dans la nanostructure présente diverses caractéristiques à différentes fréquences d'absorption. Les profils de flux de puissance provoqués par les excitations en mode guidé ont lieu dans la nanostructure, et la perte intrinsèque se produit généralement dans les matériaux en vrac. En raison de la nature des pertes diélectriques du silicium et de l'or dans la région visible, on peut considérer que les pertes d'énergie lumineuse induites par les excitations en mode guidé avec différents ordres supérieurs devraient provenir principalement de la nanostructure croisée de silicium et du substrat en or.

Les distributions tridimensionnelles (3D) des a –c flux de puissance et d –f densité de perte de puissance du PLA à différentes fréquences de résonance :(a , d ) f ₁ =402,5 THz, (b , e ) f ₂ =429,5 THz, et (c , f ) f ₃ =471,5 THz

La figure 4d–f illustre les distributions 3D de la densité de perte de puissance dans la nanostructure de cellule unitaire à des fréquences de f ₁ =402,5 THz, f ₂ =429,5 THz, et f ₃ =471,5 THz, respectivement. On peut observer que les densités de perte de puissance se répartissent principalement dans l'interface entre la nanostructure croisée en silicium et le substrat en or. De toute évidence, la puissance de la lumière incidente est complètement confinée dans la nanostructure PLA conçue. Étant donné que le silicium et l'or dans la nanostructure sont tous deux des matériaux de perte diélectrique dans la région visible, la dissipation d'énergie lumineuse a donc lieu dans le PLA conçu [48, 49]. Dans notre conception, la croix de silicium est beaucoup plus favorable pour améliorer les performances d'absorption que le carré et le disque précédents, car les espaces de la nanostructure de type croix proposée capteraient facilement plus de lumières incidentes en raison des excitations en mode guidé [47,48,49 ]. En fait, le silicium structuré avec une conception géométrique appropriée peut lui-même servir de bon PLA, en s'appuyant sur la caractéristique de perte du matériau silicium dans la région visible [49]. De plus, la croix de silicium pourrait également être considérée comme une couche antireflet, ce qui fait du substrat d'or un matériau d'absorption presque parfait aux résonances. L'or est encore plasmonique dans le visible puisque la partie réelle de sa permittivité est négative [53]. Il convient de noter que la lumière incidente sera fortement repoussée par le substrat d'or, et l'absorption parfaite serait impossible sans la réponse des SPR.

En se fondant sur les analyses ci-dessus, on pourrait conclure que l'absorption parfaite à trois bandes du PLA proposé provient des modes guidés avec une nature de perte diélectrique et d'ordre supérieur du substrat de silicium et d'or dans la région visible. En un mot, la résonance en mode guidé et les pertes de la nanostructure sont les deux facteurs clés pour l'absorption parfaite du PLA conçu.

Ensuite, les influences des paramètres géométriques pour chaque maille élémentaire sur la propriété d'absorption de notre conception PLA ont été systématiquement étudiées par une étude paramétrique. Comme pour le PLA proposé dans ce travail, seuls quatre paramètres géométriques sont à considérer :la largeur du fil (w ), longueur de fil (l ), hauteur (h ) de la nanostructure croisée de silicium, et la périodicité (p ) de la maille élémentaire. Une série de spectres d'absorbance du PLA conçu avec différents paramètres géométriques (w , h , l , et p ) ont été illustrés à la Fig. 5a–d. Il est intéressant de noter qu'un seul paramètre géométrique peut être réglé à la fois, tandis que les autres restent constants.

La dépendance de l'absorption parfaite sur différents paramètres géométriques du PLA proposé. un –c Largeur de fil (w ), hauteur (h ), longueur de fil (l ) de la nanostructure croisée de silicium, et d périodicité (p ) de la maille élémentaire

Sur la base des figures 5a, b, on peut observer que l'absorbance des pics de résonance peut être maintenue à plus de 95 % lors du changement d'un paramètre géométrique tandis que les autres restent constants. Cependant, la fréquence de fonctionnement s'avère sensible aux paramètres géométriques du PLA. Lorsque la périodicité (p ) du PLA est fixe, la fréquence de pic d'absorption s'avère inversement proportionnelle aux tailles géométriques (w , h , et l ) de la maille élémentaire, ce qui est bien cohérent avec les études précédentes [58, 62]. En effet, l'indice de réfraction effectif des résonances en mode guidé augmente avec l'augmentation de w , h , et l . Les propriétés d'absorbance du PLA avec différentes tailles de w ont été représentés sur la figure 5a. En changeant w de 85 à 105 nm par pas de 5 nm, un décalage vers le rouge distinctif du spectre d'absorption peut être clairement observé. Pour le PLA avec une plus grande largeur de fil (w> 100 nm) de croix de silicium, l'absorbance des premier et deuxième pics d'absorption diminuera légèrement, mais le troisième peut être presque maintenu. Ce type de réponse résulte principalement de l'affaiblissement de l'effet de couplage et de confinement induit par la nanostructure. De plus, par rapport aux deuxième et troisième pics de résonance, on constate que le premier pic est beaucoup plus sensible aux variations de la largeur de fil w , ce qui entraîne un phénomène de décalage vers le rouge saillant. Les propriétés d'absorbance du PLA avec différentes tailles de h ont été présentés sur la figure 5b. Lorsque la hauteur h augmente de 80  à 100 nm par intervalles de 5 nm, les variations des spectres d'absorption sont similaires au cas du changement de la largeur du fil w , et les fréquences de pic d'absorption présentent également un léger décalage vers le rouge. Avec l'augmentation de h , on peut constater que l'absorbance du premier pic de résonance augmente progressivement tandis que le second diminue légèrement, et que le troisième peut être presque maintenu constant. Comme le montre la figure 5c, on peut constater que les pics d'absorption se déplaceront vers les fréquences inférieures lorsque la longueur de fil l passe de 340 nm à 360 nm par pas de 5 nm. Comme l'augmentation de la longueur du fil l , l'absorbance du premier pic d'absorption diminue légèrement tandis que les autres pics de résonance restent constants. Comme le montre la figure 5d, une tendance de variation complètement contraire, qui peut être décrite en termes de « décalage vers le bleu » des pics d'absorption, a été trouvée lorsque la périodicité p passer de 390  à 430 nm par intervalles de 10 nm. Avec l'augmentation de la périodicité p , l'absorbance du premier pic de résonance augmente légèrement tandis que les autres pics d'absorption sont pratiquement inchangés. En somme, les résultats illustrés sur la figure 5 confirment que ces pics d'absorption sont liés aux caractéristiques des ondes stationnaires qui ont été démontrées sur la figure 3, indiquant que la fréquence de fonctionnement et l'efficacité du PLA proposé pourraient être directement régulées par la géométrie relative. paramètres dont la largeur du fil (w ), hauteur (h ), longueur de fil (l ), et la périodicité (p ).

D'après les résultats et les discussions sur le PLA triple bande conçu ci-dessus, on pourrait s'attendre à ce qu'il soit un candidat prometteur pour l'application de détection RI. Pour clarifier la praticabilité de notre PLA triple bande conçu pour les applications de détection, le comportement des spectres d'absorbance en fonction des valeurs RI de l'analyte environnant a été davantage vérifié. Comme le montre la figure 6a, l'analyte environnant est comblé dans les lacunes de la nanostructure croisée en silicium du PLA proposé. Étant donné que notre PLA a une bande passante triple étroite et une absorption parfaite autour de la fréquence de résonance, on peut s'attendre à ce qu'il présente de bonnes performances de détection. La dépendance des spectres d'absorbance sur le changement de la valeur RI de l'analyte environnant a été présentée sur la figure 6b. Il convient de noter que l'absorbance peut être maintenue à plus de 95 % lorsque la valeur RI de l'analyte environnant change de n =1,0 à n =1,4 avec un pas de 0,1, tandis que les décalages de fréquence des trois pics de résonance sont assez remarquables, ce qui pourrait être décrit en termes de décalage vers le rouge évident avec la valeur RI croissante de l'analyte environnant. Les variations de la fréquence points 1 (f ₁ ), 2 (f ₂ ), et 3 (f ₃ ) s'avèrent être d'environ 2,53 THz, 4,13 THz et 3,19 THz en moyenne, respectivement. En fait, la capacité de détection du PLA a été largement acceptée pour être décrite par une définition de la sensibilité RI en vrac (S) :S =Δf /Δn , où f et Δn sont respectivement le changement de la fréquence de résonance et de la valeur RI [63]. Selon la définition ci-dessus, comme le montre la figure 6c, le S moyen valeurs de trois points de fréquence (f ₁ , f ₂ , et f ₃ ) sont évalués à environ 25,3, 41,3 et 31,9 THz/RIU, respectivement. En raison de l'excellente caractéristique de détection, la conception du PLA triple bande pourrait être considérée comme prometteuse dans les domaines liés aux capteurs.

un Le schéma de l'application de détection PLA pour RI. b les spectres d'absorbance simulés du PLA en faisant varier les valeurs RI de l'analyte environnant de n =1,0 à n =1,4 par pas de 0,1. c Ajustement linéaire (lignes pleines) et fréquences de résonance simulées (symboles creux) en fonction des valeurs RI de l'analyte environnant

Conclusions

En conclusion, une conception simple du PLA triple bande basée sur une métasurface hybride a été proposée et étudiée numériquement dans ce travail, qui peut être considérée comme applicable pour la détection RI. Le PLA proposé basé sur la métasurface hybride est conçu pour n'être constitué que de réseaux périodiques de nanostructures croisées de silicium déposées sur un substrat d'or. Les résultats numériques indiquent que le PLA conçu peut présenter une absorbance relativement élevée de 98,1 %, 98,7 % et 99,6 % à 402,5 THz, 429,5 THz et 471,5 THz, respectivement. Les images physiques du PLA conçu ont été explorées en analysant les distributions spatiales du champ électrique et magnétique à trois fréquences de résonance différentes. Il s'avère que l'énergie EM pourrait être dissipée par les ondes stationnaires provenant de différents modes guidés d'ordre supérieur dans l'interface avec perte entre la nanostructure croisée en silicium et le substrat en or, conduisant à l'absorption parfaite à triple bande. En outre, 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 la région visible est également critique pour l'absorption parfaite du PLA. De plus, les propriétés d'absorption de résonance de notre nanostructure PLA conçue ont également été confirmées comme étant bien ajustées dans la région visible en régulant les paramètres géométriques de la cellule unitaire. De plus, il a été démontré que les fréquences des pics de résonance sont très sensibles aux variations de RI de l'analyte environnant rempli dans le PLA proposé. La sensibilité globale moyenne de l'IR S les valeurs du PLA sont d'environ 25,3, 41,3 et 31,9 THz/RIU, respectivement. Le PPA proposé est facile à fabriquer par la technique de gravure ionique réactive profonde (DRIE) ou de lithographie par faisceau d'électrons avancée (EBL), qui est compatible de manière rentable avec le processus CMOS [44, 49]. Par conséquent, cette conception du PLA peut ouvrir une nouvelle voie pour les applications de détection RI multispectrale dans la région visible, en particulier pour la détection biomoléculaire, de gaz, le diagnostic médical et la biodétection spatiale. It also has potential in applications of substrates for multiplex sensing activities of differentiation and proliferation of neural stem cells.

Disponibilité des données et des matériaux

The datasets generated and/or analyzed during the current study are available from the corresponding author on reasonable request.

Abréviations

PLA:

Perfect Light Absorber

RI :

Indice de réfraction

RIU :

Unité d'indice de réfraction

2D :

Bidimensionnel

MDM:

Metal-dielectric-metal

SPRs:

Surface plasmon resonances

EM :

Électromagnétique

CMOS :

Semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire

FEM :

Méthode des éléments finis

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

DRIE:

Deep reactive ion etching

EBL :

Lithographie par faisceau d'électrons