面内結合と面外結合の混成に基づく光学活性プラズモンメタ表面

背景

メタマテリアルの2次元バージョンとしてのプラズモニックメタサーフェスには、偏光スイッチング[1]、ビームローテーター[2]、ファノ共鳴[3,4,5,6,7]、ナノアンテナ[8]など、幅広い有望な現象とアプリケーションがあります。 、9,10]、負の屈折率[11、12]、ほぼ完全な吸収体[13、14、15]、および不可視のクローキング。特に、表面増強ラマン散乱（SERS）[3]、表面増強赤外線吸収（SEIRA）などの多くの潜在的な用途により、プラズモンメタ表面に基づく電磁誘導透明性（EIT）現象とファノ共鳴の研究に多くの注目が集まっています。 ）[16]、屈折率センシング[17、18、19、20、21]、および量子情報ストレージ。 EITとファノ共鳴の概念は両方とも元々量子系で発見されました。 EITは、古典的なシステムの2つのプラズモンモード間の破壊的な干渉によって得られます。次に、狭いプラズモンモードが広いプラズモンモードと破壊的に干渉するときにEITが生成されると、結果のスペクトルはファノラインの形状になります。張ら。ファノ共鳴とEITを、1つの平面に明るい要素と暗い要素を持つプラズモンナノ構造で最初に実現しました[22]。ただし、可視または近赤外（NIR）領域で動作する面内プラズモン結合に基づく報告されたプラズモンメタ表面のほとんどでは、結合強度は共鳴要素間のギャップの正確なサイズによって決定されますが、正確なサブ10-現在の製造技術には限界があるため、nmギャップは依然として課題です[8]。しかし、これらのナノ構造は、粒子間の距離が小さいことに強く依存しているため、大面積の生産には適していません。面内結合効果に基づくメタサーフェスとは異なり、Liu etal。メタマテリアル元素の垂直スタッキングを使用して、実験的に実証されたプラズモンEIT [23]。その後、プラズモンナノ構造の平面または垂直設計に基づく多くのメタマテリアル（またはメタサーフェス）が最近提案され、EITのような現象とファノ共鳴を達成することが実証されています[24、25、26、27、28、29、30、31 、32、33、34、35]。アミン等。 1つの平面でゴールドフレームとグラフェンパッチの両方を使用して構築された共振器の応答において、非対称のファノのようなスペクトル線形と狭いEITウィンドウを示しました[17]。ただし、この金属構造のファノ共鳴の品質係数は、金属の光損失がプラズモン共鳴の大幅な拡大を引き起こすため、非常に低くなります。これは、金属を使用するプラズモンナノ構造でも非常に一般的な問題です[36、37、38、 39,40,41,42]。私たちの知る限り、可視領域とNIR領域で最も報告されているファノ共鳴のQ値は、一般に10未満です[36、37、38、39、40、41、42、43]。最近、Dayal等。ささやきの回廊モードベースの金属メタ表面が、NIR周波数で高いQ（79に達する）プラズモンファノ共鳴を実現することを実証しました[5]。ただし、この報告されたファノ共鳴は特定の波長でのみ達成できます。これは、ファノ共鳴またはEIT現象のさらなる開発と応用を深刻に制限するもう1つの一般的な問題でもあります。ファノ共鳴またはEITウィンドウのアクティブな操作は、多くの実用的なアプリケーションにとって非常に望ましいです[19、21、35、43]。 Xia etal。正弦波状に湾曲した平面グラフェン層で構成される調整可能なPITシステムを設計し、数値的に実証しました。これにより、グラフェンシートのパターンを回避できます[44]。 2017年、Yang etal。高品質の係数で高度に制御可能な吸収共鳴を実験的に達成しました。これは、中赤外領域のプラズモンメタ表面に基づくフェムト秒光偏光スイッチングであることが最初に実証されました[1]。さらに、この作業では、41.8に達する最大電界増強も観察されます。大きな局所場増強を伴う「ホットスポット」だけでなく、ほぼ完全な吸収をもたらすプラズモンナノアンテナを使用することが望ましい。局所電場増強の強化と吸収の改善の探求は目覚ましい進歩を遂げましたが、強力な局所電場増強を達成しました（| E _loc | / | E ₀ |> 100）とほぼ完全な吸収（> 99％）は同時に課題であり、プラズモンセンサー、光触媒水分解、SERS、SEIRAなどの幅広いアプリケーションにメリットをもたらします。一方、Yangらによって報告された偏波スイッチングを除いて。 [1]、電気光学効果に基づく波長板や偏光子などのほとんどの従来の偏光選択デバイスは、静的であるか、必要な電子機器によって制限されるギガヘルツのスイッチング速度でのみ動作します[45、46]。したがって、EIT効果、ファノ共鳴、およびプラズモンメタ表面に基づくプラズモンナノアンテナの現象またはアプリケーションの場合、以前に報告された作品のほとんどは、通常、これらの深刻で緊急の問題に苦しんでいます：（i）大きな光損失によるプラズモン共鳴の広がり金属中[5]; （ii）EIT効果またはファノ共鳴の調整不可能な動作波長[35]。 （iii）強力な局所電場増強を達成するという課題（| E _loc | / | E ₀ |> 100）とほぼ完全な吸収（> 99％）を同時に[8]; （iv）一般に、可視領域またはNIR領域で動作する偏光選択デバイスのギガヘルツスイッチング速度のみ[1]。

この作業では、それぞれ有限差分時間領域（FDTD）と有限要素法（FEM）を使用して、面内結合と面外結合の混成に基づく光学活性プラズモニックメタサーフェスを提案し、数値的に示します。このメタサーフェスシステムでは、構造の対称性を破ることでEITのような効果を実現でき、ポンプ光を調整することで光学的に制御できるCdO層の屈折率を変更することでEIT未亡人の動作波長を調整できます。 [1]。このEITのような反射スペクトルでは、1550 nmの波長で高いQファクターのプラズモン共鳴が得られます。これは、以前に報告された研究の波長よりもはるかに高い[36,37,38,39,40,41,42,43 ]。特に、メタ表面の偏光に依存しないため、Inドープカドミウムを使用したこのプラズモニックメタ表面は、1550nmのTM偏光のフェムト秒偏光スイッチとしても機能します。ポンプ光を調整することにより、プラズモニック共鳴をスペクトル的に赤方偏移し、メタ表面は、TE偏光波のほぼ1つの反射を維持しながら、TM偏光の反射の大きな変調深度を0.003から60％に達成します。私たちの知る限り、このような大きな変調深度は、以前に報告されたプラズモンスイッチシステムの変調深度よりもはるかに高くなっています[47、48、49、50、51、52、53、54、55]。フェムト秒分極スイッチは、最初に、面内結合と面外結合の混成を介したプラズモンメタ表面に基づいて数値的に示されることに注意してください。同時に、このメタサーフェスは、99.9％を超えるほぼ完全な吸収と、同時に108に達する最大電界増強を実現できます。強力な電界増強は、直径がわずか3 nmの円形領域内に限定されます。これは、単一の場合に非常に有益です。多くの表面増強分光法のための分子検出。さらに、屈折率変化の感度と超鋭いプラズモン共鳴により、このメタ表面は超高性能指数（FOM）屈折率センサーとしても機能します。

メソッド

提案されたメタサーフェスを図1aに模式的に示します。図1bは、メタサーフェスの1つのユニットセルの断面を、2つのグループの金の棒とポリマー層で構成される幾何学的パラメータとともに示しています。各グループには、ナノスリットで区切られた2本の金の棒があります。金の棒の1つのグループはポリマー層に配置され、金の棒のもう1つのグループはポリマー層に埋め込まれました。非対称の金ナノバーアレイは、周期性が P の厚い金基板上に周期的に配置されます。 =1395nm。提案されたメタ表面は、垂直に入射する横磁気（TM）光（入射光に垂直な磁気成分）によって照らされます。この計算では、シミュレーション結果の信頼性と精度を確保するために、FDTD法とFEM法を使用して、提案されたメタサーフェスの光学特性と電磁界分布をそれぞれ計算します。 FEM計算は、商用ソフトウェアCOMSOLMULTIPHYSICSによって実行されます。周期境界条件は x に適用されます 方向を指定し、 y の境界に完全一致層（PML）を設定します 方向。メッシュサイズは、両方の x で0.8nmです。 および y 方向。 Auの誘電率はドルーデモデルで記述され、ポリマーの屈折率は1.5です[36、56、57]。シミュレーションの背景は、 n の空中で想定されています。 _空気 =1。吸光度は A で与えられます =1 − R 、不透明なAu基板のため（ T =0）[58]。

a 提案されたメタサーフェスの概略構造。 b 幾何学的パラメータを使用したプラズモンメタサーフェスの断面

結果と考察

図2aに示すように、TM偏光下での法線入射での1550nm付近の提案されたメタ表面の反射および吸収スペクトルを計算して示しています。吸収スペクトルの場合、1550nmと1588nmに2つの異なる吸収ピークがあり、それぞれ99.9％を超えるほぼ完全な吸収効率があります。図2bに示す反射スペクトルから、この波長範囲でこのメタサーフェスのEITのようなスペクトル応答を観察し、FDTDとFEMをそれぞれ使用して同じ反射スペクトルの結果を示します。 TE偏光下で提案されたメタサーフェス（入射面に垂直な電気成分）の反射スペクトルも図2bに黒い線で示され、反射は1に近く、TE偏光ではこのメタサーフェスで吸収が発生しないことを示しています。このメタサーフェスの偏光依存性は、提案されたメタサーフェスの非対称設計によって簡単に説明できます。したがって、このメタサーフェスはTM偏光では効率的に結合し、TE偏光では暗いままです。

a 図1に示すプラズモンメタ表面の吸収および反射スペクトル。 b 図1に示すメタサーフェスの反射スペクトルは、それぞれFDTDとFEMによって計算されています。 c 金基板からの距離が異なる2本の金バーで構成されるプラズモンメタサーフェス。 d c に示されているプラ​​ズモンメタ表面の反射スペクトル

図2aで提案されたメタサーフェスのEITのような現象を簡単に説明するために、最初に、図2cに示すナノスリットのない比較的単純なメタサーフェスを検討します。これは、金基板からの距離が異なる2つのゴールドナノバーで構成されています。ナノスリットのないこのメタ表面の反射スペクトルが計算され、図2dに示されています。明らかに、非対称の線形状を持つEITのようなスペクトル応答が現れます。これは、2本の金の棒の間の結合効果が原因である可能性があります。次に、構造の対称性の破れのプロセス（図3a-c）を調査して、EITのようなウィンドウの基本的な成形プロセスを明らかにします。 Δdの変化に伴う反射スペクトルの変化 計算され、図3dに示されています。 ∆d の場合 =0、図3eに示すように、動作波長帯には1653nm付近に反射ディップが1つだけあります。 ∆d として 増加すると、2つの反射ディップ（ω）を伴うEITのようなスペクトル応答が現れることがわかります。 _左 およびω _右 ）。さらに増加する場合Δd 、ω _左 モードをさらに強化することができ、これらの計算結果はω _左 モードは金ナノバーAに非常に関連している可能性があります。同時に、 ∆d の増加に伴い 、ωの共振波長 _左 モードはわずかな赤方偏移を示し、ωの共振波長を示します _右 モードは1653nm付近でほとんど変化しません。上記の分析を通じて、EITのような現象の生成はナノ構造の非対称性に寄与することができます。さらに、図3d、gに示す反射スペクトルの1395 nmでのプラズモン共鳴を解釈するために、反射スペクトルを設計されたメタ表面と金属格子構造の間で比較します（図3gの挿入図を参照）。金属格子構造の場合、以前に報告された研究からの表面プラズモンポラリトン（SPP）の励起に起因する、1395 nmでの共鳴ディップもあります[58、59]。したがって、1395 nmでのこのメタ表面のプラズモン共鳴は、SPPの励起によって引き起こされます。

a – c 図2cに示すプラズモンメタ表面の対称性の破れのプロセス。 d さまざまなΔdを持つプラズモンメタ表面の反射スペクトル 1100〜1800nmの波長範囲で。 e ∆d のプラズモンメタ表面の反射スペクトル =0、1550〜1800nmの波長範囲。 f さまざまなΔdを持つプラズモンメタ表面の反射スペクトル 1550〜1800nmの波長範囲で。 g さまざまなΔdを持つプラズモンメタ表面の反射スペクトル =92 nmおよび波長範囲1100〜1800nmの全金属構造

次に、図4a、bに示すように、金ナノバーAと金ナノバーBのみを使用したフィルム結合ナノバーシステムを使用して構築されたメタ表面の反射スペクトルもそれぞれ調査します。 TM入射光で個別に励起すると、プラズモンモードが狭くなります（ω _A ）は、金ナノバーAとより広いプラズモンモード（ω）でメタ表面で励起されます。 _B ）は金ナノバーBのメタ表面で観察されます。これら2つのプラズモンモードの背後にある物理的メカニズムをより明確に示すために、図4c、dに示すように、これら2つの反射ディップでの磁場分布をそれぞれ計算します。赤い矢印は電流を示し、カラーマップは磁場の大きさを示します。 ωの場合 _A 図4aに示すモードでは、磁場が金ナノバーAと金基板の間のギャップに限定されていることがわかります。その上、逆平行電流は上部と下部の内部金属界面で観察されます。したがって、プラズモンモードは主に循環電流によって引き起こされる磁気共鳴に関連しており、入射光エネルギーは金属のオーム損失によって放散され、ωの反射ディップを引き起こします。 _A モード。次に、ωの場合 _B 図4bのモードでは、循環電流はωの電流とは逆方向になります。 _A モード、これも磁気共鳴を励起することができます。金ナノバーAと金ナノバーBの両方を備えたフィルム結合ナノバーシステムの場合、図5aの現象は、2つの反射ディップ（ω）を伴う二重ファノ共鳴として扱うこともできます。 _左 およびω _右 ）非対称の線形状による[3]。この非対称ファノのようなスペクトル線形とEITのようなウィンドウは、より狭いプラズモンモード（ω）間の破壊的な干渉から得られます。 _A ）を図4aに示し、より広いプラズモンモード（ω _B ）図4bに示されています。私たちの知る限り、ファノ共鳴は、非対称の位置を持つ同じ形状の共鳴器の人工的に構造化されたアレイで最初に観察されます。

a 金ナノバーAのみを含むプラズモンメタ表面の反射スペクトル。 b 金ナノバーBのみを含むプラズモンメタ表面の反射スペクトル。 c ωの共鳴波長でのメタ表面の計算された磁場分布H _A モード。 d ωの共鳴波長でのメタ表面の計算された磁場分布H _B モード。 （金Aと金Bの両方の厚さは92 nm、金Aと金Bの両方の幅は92 nm、ポリマーの厚さは110 nm、周期は1395 nmです）

a 図2に示すプラズモンメタ表面の反射スペクトル。 b 、 c ωの共鳴波長でのメタ表面の計算された磁場分布H _左 モードとω _右 それぞれモード。 d 、 e 計算された電界分布（| E _loc | / | E ₀ |）ωの共鳴波長でのメタ表面の _左 モードとω _右 それぞれモード

これら2つのプラズモニック共鳴（ω）の背後にある物理的メカニズムをさらに調査する _左 およびω _右 ）図4cに示すように、磁場Hと電場| E _loc | / | E ₀ |これら2つの共鳴の波長での分布が計算され、図5に示されています。一方、図5b、cによると、磁場は主に金ナノバーと金基板の間の誘電体層に局在しています。は、金の棒とAu基板の間の面外結合の重要な機能です。明らかに、2つの吸収ピークで励起されたこれら2つの共鳴に対して異なる電界分布が観察されます。 ωの場合 _左 モードでは、磁場は金ナノバーAと金基板の間のギャップに局在し、ω _左 モードは、金ナノバーAと金基板間の面外結合と密接に関連しています。これはωの磁場と類似していますが、同じではありません。 _A ω間の結合による図4cのモード _A モードとω _B モード。 ωの場合 _右 モードでは、磁場は金ナノバーBと基板の間のナノギャップに局在します。したがって、ω _右 モードは主に、金ナノバーBと金基板間の面外結合に寄与します。一方、電界は強く増強され、金の棒の端の非常に小さな領域に局在します。次に、EITの物理現象を除いて、このメタ表面はプラズモニックナノアンテナ（PN）として扱うこともでき、自由空間の入射光を局所場の増強によってサブ波長領域に閉じ込めます。これは、ナノフォトニックシステム。ここで、係数| E _loc | / | E ₀ | PNの局所電場増強の性能を評価するために定義されています。図5d、eに示すように、メタ表面の局所電場増強は75に達する可能性があります。ただし、図4cによると、局所電場増強はフィルム結合ナノバーシステムを使用して達成されますが、それでもほぼ完全な吸収を実現するために行うべきかなりの量の作業。これにより、変調深度が小さくなります。以前の研究[8]から、大きな局所電場増強とほぼ完全な吸収の両方を達成することは、プラズモンセンサー、光触媒水分解、SERS、およびSEIRAを含む幅広いアプリケーションに利益をもたらすことがわかっています。その上、このメタ表面構造は比較的広い線幅を示しています。プラズモン共鳴のQファクターは、Q =λ/半値全幅（FWHM）として定義されるため、共鳴が広いほど、Qプラズモン共鳴は低くなります。したがって、FWHMが広く、これらの共振の変調深度が小さいと、屈折率検出、偏光スイッチング、光の減速など、鋭いスペクトル応答が必要なアプリケーションが妨げられる可能性があります。

大きな局所電場増強、ほぼ完全な吸収、および高いQファクター共鳴を同時に実現するために、ここでは、面外プラズモンカップリングと面内プラズモンカップリングの混成の概念をこの作業で紹介します。明らかに、面外結合に基づくフィルム結合ナノバーメタ表面と比較して、図1で提案されたこのメタ表面は、図2に示すように優れた吸収特性を持っています。特に、1550nmでのプラズモン共鳴のFWHMは7nmです。 、結果としてQファクター（Q =λ / FWHM =1550 nm / 7 nm）は221.43であり、これは以前に報告された作品[36,37,38,39,40,41,42]よりもはるかに高い値です。次に、高Qファノ共鳴と元のメタ表面から生じる完全な吸収についてさらに物理的な洞察を得るために、1550 nm（ω）の共鳴波長でシミュレートされた磁場と電場の分布をプロットします。 ₁ ）および1588 nm（ω ₂ ）、図6に示すように、明らかに、磁場は主に金の棒と金の基板の間のギャップにあり、磁場の一部は2つの金のナノバーの間のナノシルトに伝播します。図5d、eに示すように、面外結合からのみ生じる電場とは異なり、この提案されたメタ表面の電場も、図6cによると、2つの金の棒の間の非常に小さな領域内に強く局在します。 dは、2つの金ナノバー間の強い局在表面プラズモン（LSP）結合を意味します。図6cは、共鳴波長での最大電界増強が108に達する可能性があることを示しています。これは、図5dに示されている唯一の膜結合メタ表面と比較して約1.4倍であり、以前に報告されたナノアンテナよりもはるかに高い[21 、60、61、62、63、64、65]。特に、強力な電気的増強が特徴の超小型​​の「ホットスポット」が、直径わずか3nmの円形領域内に閉じ込められていることがはっきりとわかります。したがって、これらの混成メタ表面システムは、優れた吸収、大きな局所電気増強、および小さな横方向分解能を同時に持つことが示されています。これらは、サポートする能力があるため、多くの表面増強分光法の単一分子の正確な特性を調べるのに非常に役立ちます。 LSPと面外結合の両方。

a 、 b それぞれ1550nmと1588nmの共鳴波長でのメタ表面の計算された磁場分布H。 c 、 d 計算された電界分布（| E _loc | / | E ₀ |）それぞれ1550nmと1588nmの共鳴波長でのメタ表面の

図2bの分析結果から、偏光スイッチに応用できる可能性のある非対称設計により、メタサーフェスはTM偏光では効率的に結合し、TE偏光では暗いままであることがわかります。そして、ポンプパワーを変えることでＰＶＡ（ポリビニルアルコール）の屈折率を変えることができることを考えると［３６、５６、５７］、誘電体層の屈折率を変えることでプラズモン共鳴の動作波長を変えることができる。次に、図7a、bは、提案されたメタ表面が実際に分極スイッチとして機能できることを示しています。これは、PVAの屈折率を変更することにより、TM偏光の調整可能な共鳴を含む反射偏光子に基づいています。 .7b、外部刺激なしで、TM偏光は1550 nmの波長で完全に吸収され（「オフ」状態）、このメタ表面は1565 nmの波長でTM偏光を完全に反射できます（「オン」状態）。 。外部刺激により、TM偏光波のファノ共鳴は1565 nm（「オフ」状態）にシフトし、このメタ表面は1550 nm（「オン」状態）のTM偏光に対して完全に屈折します。図7bでは、このメタサーフェスは実在する可能性があります反射値の変化を1550nmで0.009から98％に変更します。このような大きな変調深度は、以前に報告されたプラズモンスイッチシステムよりもはるかに高くなります。一方、図7bによると、入射光の反射は、TE偏光（「オン」状態）の外部刺激がある場合とない場合の反射に近いままです。したがって、このメタサーフェスは、消光比11,000（ R ）の反射偏光子に基づくTM偏光の偏光スイッチを実現できます。 _TE / R _TM =0.99 / 0.00009 =11,000）1550nmで。また、偏光角φの影響についても計算します。 図7cに示すように、反射スペクトルについて。明らかに、φの増加に伴い、共振波長で吸収性能が徐々に低下します。 これは、入射電場EがTE偏光とTM偏光に分解され、TE偏光が反射されることで説明できます。図7cの計算結果に基づいて、ポンプがある場合とない場合の、1550nmと1588nmでのメタサーフェスの投影出力偏光が図7dにプロットされています。

a ポンプ光を用いた提案されたメタ表面の概略構造。 b ポンプ光がある場合とない場合の、TMおよびTE偏光の入射光を使用した提案されたメタ表面の反射スペクトル。 c さまざまな偏光角を持つ提案されたメタ表面の反射スペクトル。 d 1550nmと1588nmでの、ポンプがある場合とない場合のメタサーフェスの投影出力偏光

インドープCdOは光学的に調整可能なプラズモン材料の一種であり、光励起されたCdO膜に基づいて2.8μmで動作するフェムト秒偏光スイッチが最近の文献で実験的に実証されています[1]。 EIT構造の調整可能な容量をさらに改善するために、CdOを使用して提案されたメタ表面の光学特性を調査します[1]。幾何学的パラメータを使用したCdOベースのメタサーフェスの概略構造を図8aに示します。 MgOとCdOの屈折率は、それぞれ参考文献[1、66]から得られます。図8bによると、1568nm付近のポンプがある場合とない場合の反射スペクトルを示しています。静的な「オン」状態では、提案されたメタサーフェスは、TE偏光波を反射し、波長1568nmのTM偏光波を完全に吸収する偏光子です。静的な「オフ」状態では、提案されたメタサーフェスは1568 nmでTM偏光とTE偏光の両方に対して反射し、InドープCdOの屈折率変化によりTM偏光波の共鳴は1581nmにシフトします。外部刺激。特に、この反射偏光子は、 R が非常に低いため、TM偏光に対して1568nmで大きな消光比を達成できます。 _min 図8bに示されています。 CdOベースのメタサーフェスの巨大な消光比により、アクティブな偏光制御に適したプラットフォームになっています。なお、CdOの屈折率は、ポンプパワーを変えることで調整でき、EITのような効果の動作波長をアクティブに制御することもできます。さらに、ポンプライトは他の材料（金、MgOを含む）に影響を与えないことがわかります。これは、これらの参考文献[1、36、56、57]の実験で実証されています。

a Schematic structure of the CdO-based metasurface with pump light. b The reflection spectra of the CdO-based metasurface with TM- and TE-polarized incident light, with and without pump light

Besides, for the sensitivity of refractive index from the above analysis, the proposed metasurface also can be applied to detect the change of refractive index of surrounding environment. In many previously reported works about refractive index sensing, the light intensity of reflection/transmission wave is usually measured when the surrounding refractive index is variable with a specific operating wavelength. Then, to demonstrate the sensing property of this metasurface, Fig. 9 presents that the double plasmonic resonances are red-shifted with the increasing of surrounding refractive index changes. With the variation of the surrounding refractive index, the sensitivity(S) can reach S = 1500 nm/RIU. Then, the FWHM of the reflection dip at ω₁ and ω₂ is 7 and 7.5 nm respectively, which indicate that this metasurface can operate as an ultra-high FOM(S/FWHM₁  = 214.29) refractive index sensor in the near infrared region. The FOM = 214.29 is much higher than those of most previously reported plasmonic refractive index sensor [58, 67,68,69,70].

a Reflection spectra of the proposed metasurface with varying refractive index of surrounding environment. b Resonant wavelengths of the proposed metasurface as a function of the surrounding refractive index

結論

In this work, a novel optically tunable hybridized metasurface is proposed and exploited to generate the EIT-like phenomena around 1550 nm, which hybridizes the in-plane near-field coupling between gold nanobars and the out-of-plane near-field between gold nanobars and substrate. For the traditional design of EIT-like metamaterials, two different shaped resonators, in planar or vertical arrangement, are working as bright mode and dark mode respectively, which can induce EIT effect by bright-dark mode coupling. However, in this structure, the two individual bright modes mainly result from the two same shaped resonators with different positions, which is neither a planar structure nor a vertical structure. The resulting two fundamental plasmon modes of the hybridized system are also investigated in detail. By introducing indium-doped CdO, the operating wavelength of the EIT-like phenomenon can be tuned optically. At the same time, this metasurface is firstly demonstrated to be a femtosecond polarization switch for TM-polarized light at 1550 nm, which can realize an extinction ratio (R _TE / R _TM ) much higher than that of previously reported polarization switches. Besides, operating as plasmonic nanoantennas, this metasurface also achieves a strong local field enhancement (|E _loc |/|E ₀ |> 100) and a near-perfect absorption (> 99%) simultaneously. Owing to these above advantages, this proposed metasurface is a promising candidate for femtosecond polarization switching, plasmonic nanoantennas, and high FOM refractive index sensor.

略語

EIT:

Electromagnetically induced transparency

FDTD：

Finite difference time domain

FE:

Field enhancement

FEM:

Finite element method

FOM:

Figure of merit

FWHM：

半値全幅

PML:

Perfectly matched layer

SEIRA:

Surface-enhanced infrared absorption

SERS:

Surface-enhanced Raman scattering