局所電場が大幅に増強された可視領域におけるボイドプラズモン効果による全方向性吸収体

背景

貴金属と誘電体の界面での電子のコヒーレント振動である表面プラズモン共鳴（SPR）は、貴金属の光吸収効率を高めることができます[1]。今日、SPRベースの吸収体は、グレーティングのアレイ[2,3,4,5,6,7,8,9]、金属ナノ粒子[10,11,12,13,14]など、さまざまなプラズモンシステムで広く研究されています。 、15、16、17、18、19、20、21]、および金属膜のナノホール[22、23、24、25]。構造の形状、サイズ、材料、誘電環境などの幾何学的および物理的パラメータを変更することにより、可視領域の吸収特性を効果的に制御および改善できます。一般に、伝播表面プラズモン（PSP）と局在表面プラズモン（LSP）はSPRに属します。金属ナノ粒子は通常LSP効果と連動しますが、金属フィルムの穿孔はPSP効果とボイドプラズモン（VP）効果の両方を誘発する可能性があります。 VPは、ナノホール構造に関連するLSPの一種であり、金属ナノ粒子と同様の電磁双極子共鳴を維持できます[26、27]。ナノホールアレイベースの吸収体でのPSP効果は、1次元金属格子ベースの吸収体での偏光感度の欠点を取り除くだけでなく、ナノパターンのより大きなフィーチャサイズを使用して、可視領域で同じ波長でほぼ完全な吸収を実現できます。ナノ粒子アレイベースのデバイスに。上記の利点を考慮して、ナノホールアレイ構造におけるPSP効果の吸収メカニズムが広く調査され、報告されています[22、23、24、25]。ただし、PSP効果によって誘発される吸収は、その固有のメカニズム[28]により、入射角に非常に敏感であり、吸収体全体の吸収効率が低下します。対照的に、VP効果によって誘発される吸収は、入射光の角度と偏光に影響されません。一方、周囲の誘電率に敏感であるため、環境材料を変えることで共鳴吸収ピークの位置を調整することができ、周囲の材料の屈折率を差別化する可能性を示しています。したがって、VP効果に関する体系的な研究は非常に有意義です[25、29、30、31、32]。それにもかかわらず、VPによって誘発される吸収効率は、通常、他の効果、たとえば、金属-絶縁体-金属（MIM）構造のファブリペロー（FP）効果で達成されるものよりも低くなります。

本論文では、誘電体層で分離された穴あき金属膜と接地金属面からなる広角で高効率の吸収体を系統的に研究した。スペーサーでのFP共鳴とナノホールでのVP効果の組み合わせと相互作用により、99.8％もの高い吸収効率が得られます。さらに、VP効果によって誘発される吸収ピークは、穴あき金属膜厚、ナノホールアレイの周期、環境屈折率などの構造的または物理的パラメータを変更することによって制御できます。さらに、共鳴波長の位置は、正方形のナノホールのエッジの長さや光の入射角の影響を受けません。提案されたデバイスは、環境屈折率を検出するセンサーとしても機能する可能性があり、3.16の性能指数（FOM）（従来の金属ナノ粒子の性能指数[33、34]と互換性があります）を得ることができます。 。この研究で提示された結果は、吸収メカニズムの範囲を拡大し、太陽電池、光検出器、熱エミッターなどの潜在的な用途を持つ吸収体を設計するための新しい方法を提供する可能性があります。

メソッド

設計された吸収体の構造を図1に模式的に示します。この図には、正方形の穴の配列である二酸化アルミニウム（Al ₂ O ₃ ）中間層、および下部の銀層。各層の厚さは h で表されます ₁ 、 h ₂ 、および h ₃ それぞれ（ h ₃ 銀の表皮深さよりもはるかに大きいと想定されるため、銀の下部層からの光の透過が妨げられます。最上層の四角い穴の周期と辺の長さは p で表されます。 および w 、 それぞれ。 Lortenz–Drudeモデルは、銀の光学定数を記述するために使用されます[35]。 Al ₂ の屈折率 O ₃ n として設定されます _d =1.76。有限差分時間領域（FDTD）法は、構造の光学特性を調査するために採用されています。すべての計算で、シミュレーション領域は200×200×2000 nm ³ に設定されました。 3次元で（200 nmは格子周期です）。期間境界条件は x で設定されます -およびy方向、および完全一致層（PML）が z に設定されます -方向。十分な小さなメッシュ（1×1×1 nm ³ ）は、高い空間分解能で吸収効率と電界分布を計算するために使用されます。シミュレーションが終了する前にフィールドが完全に減衰するように、シミュレーション時間を1000fsに設定しました。

提案されたナノホールアレイベースの吸収体の概略図

結果と考察

一般性を失うことなく、幾何学的パラメータは p として設定されました =200 nm、 w =60 nm、 h ₁ =20 nm、 h ₂ =250 nm、および h ₃ =200nm。まず、平面波が構造物に垂直に入射すると仮定します。図2aの黒い線は、計算された吸収応答を示しています。最上層に周期的なナノホールアレイがないFP吸収体と比較すると、635 nm付近に新しい吸収ピークが現れ、最大99.8％の吸収効率が得られます。この新しい吸収ピークの起源を理解するために、3つの層と20 nmの厚さの平面銀フィルムのさまざまな組み合わせの吸収スペクトルが計算され、図2bに示されています。下部反射銀層がないと、下部界面での反射位相の変化とエネルギー漏れにより、FP共鳴に対応するピークが長波長にシフトし、吸収効率が低くなります（図2b; TL + MLを参照）。送信経由。中間層が除去されると、FP共鳴ピークは最終的に解消され、新しい吸収ピークは635から482 nmへの大きな青方偏移を示します（図2b; TLを参照）。巨大な青方偏移は、中間層が除去されたときの環境誘電体材料の屈折率の遷移に関連しています。ナノホールアレイをさらに除去すると（図2bを参照、厚さ20 nmの銀膜）、482nm付近の鋭い吸収ピークが消えます。したがって、635 nmに位置する新しい吸収ピークは、VP共鳴とFP共鳴の結合によってピーク位置と吸収効率が変更される、最上部の金属層のナノホールと相関しています。新しいピークは、周囲の物質の屈折率にも敏感であり、プラズモニクス効果（PSPまたはVPのいずれか）に関連していることを示唆しています。新しい吸収ピークのメカニズムをさらに確認するために、数値計算を実行して、設計された構造の可能なPSPモードを分析します。銀/誘電体界面PSP（0、1）モードの最大共鳴波長は480 nmであり、635nmの共鳴吸収ピークよりもはるかに小さいことが示されています。したがって、新しいピークはナノホールのVP効果に起因すると考えられます。

a 最上層にナノホールのないFP吸収体と比較した、提案されたナノホールアレイベースの吸収体の計算された吸収スペクトル。 b 3層のさまざまな組み合わせと20nmの銀を使用して計算された吸収スペクトル。 TL、最上層; ML、中間層; BL、最下層

吸収ピーク位置の入射角への依存性は、PSPとVP効果の間の吸収メカニズムを区別するための強力な証拠をさらに提供することができます。 VP効果の分散を知り、以前の解釈を強化するために、VPモードの角度依存分散を数値的に調べます。横方向の電気（TE）および横方向の磁気（TM）偏光に対して提案された吸収体の計算された吸収等高線は、波長と入射角の関数としてそれぞれ図3aとbにプロットされています。 TE偏光の場合、入射角θとして 増加すると、VP吸収ピークはシフトを示さず、他の3つのFP共鳴吸収ピークはより短い波長に向かってシフトします。 FP共振のピークシフトは、次の共振条件（中間誘電体層の定在波条件）で理解できます。

ここで、φ ₁ およびφ ₂ 上部と下部のキャビティインターフェースと m での位相シフトです。 は整数です。さらに、TM偏光の場合、VP吸収ピークは、入射角が大きくなるにつれてわずかな赤方偏移を示します。 3つのFP共鳴吸収ピークは、TE偏光の場合と同じ青方偏移を示します。 VP共鳴モードによって誘発される吸収メカニズムを解明するために、VP共鳴モードによって誘発される吸収には2つのプロセスが含まれると考えられます。最初のプロセスは、入射光によって誘発されるVP共鳴モードの励起です。ナノホール構造の固有共鳴周波数が入射光の周波数と同じである場合、界面での伝導電子の振動は、入射光の偏光と角度とは無関係です。次に、2番目のプロセスは、FPキャビティによって変調された「共鳴ダイポール」の放射です。励起と放射は両方とも偏光と入射角に依存しないため、VP共鳴モードによって誘発される吸収ピーク位置は、入射角と偏光にわたって変化しません。

波長と入射角の関数として提案されたナノホールアレイベースの吸収体の計算された吸収等高線： a TEと b TM偏光。ここで、吸収体の構造パラメータは p として設定されます。 =200 nm、 w =60 nm、 h ₁ =20 nm、 h ₂ =250 nm、および h ₃ =200 nm

吸収ピークの電磁界分布は、FPおよびVP共鳴の吸収の性質についてより多くの洞察を与えます。さまざまな吸収ピーク波長について計算された空間電場（上のパネル）と磁場（下のパネル）の分布を図4に示します（光の法線入射の場合）。 FP共鳴モード（372 nm、546 nm、1113 nm）の場合、電場と磁場は中間層に閉じ込められてブーストされ、特定のパターンに対応して異なる共鳴次数が形成されます。電界と磁界のパターンでは、1次共振モードが1113 nmに、2次共振モードが546 nmに、3次共振モードが372nmに位置することが観察されます。対照的に、635 nmのVPモードでは、図4cに示すように、電界が大幅に増強され、穴のエッジに局在します。入射光と比較して、最大電界強度| E | ² 「ホットスポット」の数は2284倍になります。大幅に増加した電界強度は、多くの潜在的なアプリケーションにとって有益です。さらに、磁場分布は、磁場が主に上部空洞界面の近くに閉じ込められていることを示しており、VPモードの局所的な特性と一致しています（図4gを参照）。

電気の計算された空間場分布（ a – d ）および磁気（ e – h ）通常の光の入射のためのフィールド。入射光の波長は372nm（ a 、 e ）、546 nm（ b 、 f ）、635 nm（ c 、 g ）、および1113 nm（ d 、 h ）。黒い破線は構造の断面を示しています。ここでは、構造のパラメータは p として設定されています =200 nm、 w =60 nm、 h ₁ =20 nm、 h ₂ =250 nm、 h ₃ =200 nm、およびε ₂ =3.1

特定の条件では、FPとVPの共振が互いに結合し、強力なハイブリッドモード特性を生じさせる場合があります。 FPとVPの共振間の結合を示唆するために、吸収応答の厚さへの依存性 h ₂ h を連続的に調整することにより、中間誘電体層の特性を調べます。 ₂ 20から500nmまで。結果を図5aに示します。誘電体層の厚さが厚くなると、式（1）の予測と一致して、FP共振モードの波長が増加します（黒い破線）。 （1）。 FP共振波長がVP共振波長（白い破線）と重なると、FPおよびVP共振モードがハイブリッドFP-VP共振モードに結合されます。 VP共振モードは、特定の条件でFP共振モードに近づくと消失する可能性があることに注意してください。 VP共鳴モードがない場合、FP空洞共鳴で強い吸収が発生します。これは、上部の銀層から反射された光（位相の余分な半波損失を伴う）と反射された光の間の破壊的な干渉にも対応します。一番下の銀の層。 FP共鳴モードの波長がVP共鳴モードに近づくと、光は最初にナノホール構造によって吸収され、銀ナノホールの近くで伝導帯電子の集団振動を引き起こします。その後、振動する双極子として、ナノホールは上下に放射線を放出することができます。上向きの光は、下向きの光の反射成分（下部の銀の層によって反射される）と建設的に干渉します。したがって、ＶＰ共鳴モードがＦＰ共鳴モードと一致する場合、発信光の破壊的干渉が建設的干渉に移される可能性がある。このシナリオでは、図5aで強い反射が発生し、吸収がなくなります（白い破線に沿った青い領域を参照）。また、誘電体層の厚さが h の場合、 ₂ が50nm未満の場合、VPによる吸収効率は低くなり、波長は赤方偏移を示します。誘電体の厚さが h の場合 ₂ が大幅に減少すると、ミラー金属インターフェースを介したVPの画像は、最上部の金属層のVPと結合し、ミラー結合モードのエネルギーが減少し、共振波長が増加します。より強いミラー結合効果によって引き起こされる吸収ピークの赤方偏移は、既存の文献によっても証明されています[36、37]。図5bに示すように、上部金属層の厚さのさまざまな厚さに対する提案された吸収体の吸収応答も調査されます。明らかに、VP効果の共鳴によって引き起こされる吸収ピークの波長は、最上層の厚さを変更することによって簡単に調整できます。最上部の金属層の厚さとして h ₁ 減少すると、吸収ピークは明らかな赤方偏移を示し、VPモードが最上層の厚さに影響を受けやすいことを示唆しています。さらに、上部金属層の厚さが減少すると、2番目のFPモードはわずかな赤方偏移を示し、吸収ピークの振幅は徐々に減少します。 2番目のFP共振モードに関連するこの機能は、ナノホールアレイのない純粋な3層吸収体の機能と似ています[38]。ただし、最上層の厚さが h に減少した場合 ₁ =10 nm、純粋な3層吸収体には存在しない明らかなピーク分裂（約600 nm）があります。

a 波長とスペーサー層の厚さの関数として提案されたナノホールアレイベースの吸収体の計算された吸収等高線 h ₂ 。黒い破線はFP共振を表し、白い破線はVPモードを表します。挿入図は、ミラーメタルインターフェイス（白い破線）に対する最上部の金属層の画像（破線の長方形）を示しています。 b h に依存する提案されたナノホールアレイベースの吸収体の計算された吸収 ₁ 10から30nmに変更します。 c w の関数として提案されたナノホールアレイベースの吸収体の計算された吸収等高線 p で =200nm。 d p の関数として提案されたナノホールアレイベースの吸収体の計算された吸収等高線 w で =60 nm

VP特性に対するナノホールの幾何学的効果も計算されます。図5cでは、穴の格子の周期 p は200nmに固定され、穴の幅は w 50から150nmに変更されます。 FP吸収ピークの場合、 w 増加すると、1113 nmでの1次モードの共振は赤方偏移を示しますが、546nmでの2次モードと372nmでの3次モードの位置はほとんど変化しません。さらに、 w の増加に伴い、VP効果の赤方偏移も見られます。 、ボイドの両側の間で振動するとき（穴の幅が w のとき）、電子はより長い時間を経験するためです。 が十分に大きい場合、2つのボイド間の近接場結合も存在します[39]）。図5dには、VP効果の吸収特性に対する格子周期の影響がプロットされています。ここで、 w 60nmおよび p に固定されています 100から500nmに変化します。 FP共鳴吸収ピークの場合、 p が増加すると、1113 nmの1次共振モードは、 p のときに赤方偏移を示します。 は200nm未満であり、 p の場合は変化しません。 200nmより大きい。小さい p の赤方偏移 （ p <200 nm）は、 p による最上層の実効中屈折率の変化によるものです。 （またはアスペクト比 w ² / p ² ）。ただし、 p の場合 が200nmより大きい場合、有効な中屈折率は、小さな細孔サイズによってほとんど影響を受けません。 p の場合、546nmでの2次共振モードと372nmでの3次共振モードはシフトを示しません。 変更します。 2番目のFPモードの場合、 p が300nmより大きい場合、複数の出現した狭い吸収ピークが存在します。これは、PSP効果に起因する可能性があります。 VP吸収ピーク（〜635 nm）を考慮すると、赤方偏移が観察され、 p として吸収効率が小さくなります。 成長します。同様の現象は、ナノ粒子アレイに基づく吸収体でも観察され、赤方偏移は長距離双極子相互作用に起因します[40]。さらに、VP共鳴の強い結合が近くのFP効果を阻害する可能性があることもわかりました。この現象は、 w の状況で観察されます。 100nmまたは p を超えている 図5cおよびdに示すように、は150nmよりも小さいです。一般に、VP吸収ピークの赤方偏移は、 w の増加に伴います。 または p 。

VPモードはナノホールの近くに限定されるため、VP効果によって誘発される吸収ピークの位置は、ホール内の材料の屈折率に依存します。この効果は、周囲の誘電率を区別するためのセンサーを構築するために使用できます。ナノホール内のさまざまな材料の屈折率の反射スペクトルが計算され、図6aにプロットされています。周囲の屈折率が n から変更されます =1.332（水）から n =1.372（マイナーグルコース溶液）、間隔はΔ n =0.01。 FP共鳴吸収ピークは、周囲の屈折率とはほとんど関係がありません。逆に、LSPの特性と同様に、VP吸収ピークは材料の周囲の屈折率に依存します。プラズモニックセンサーの性能を測定するために、性能指数（FOM）と呼ばれる量を使用できます。 FOMは感度 S として定義されます _λ 線幅で割った値Γ;ここで、 S _λ 多くの場合、単にΔλで表されます / RIU（屈折率の単位変化あたり）およびΓ は半値全幅（FWHM）です。計算では、Δ n のより細かい微分商を使用します。 = n の場合は0.01 =1.332、 n =1.342、 n =1.352、および n =1.362。図6bは、屈折率単位あたりの波長シフトに関する最大感度が≈186nm / RIUであることを示しています。私たちの場合、VPモードの共振線幅は≈59nmであり、最大FOM≈3.16になります。私たちの研究におけるFOM値は、金属ナノ粒子に基づく報告されたデバイス[33、34]（実験的FOM =0.8–5.4）、および理論上のFOM値が2である最近報告された金属格子構造[41]と互換性があります。ただし、非常に複雑なナノ構造によって達成される理論的結果よりもはるかに低いです[42、43]。

a ホールの屈折率（ n ）を持つ提案されたナノホールアレイベースの吸収体の法線入射反射スペクトル ）1.332から1.372に変更します。構造および材料パラメータは h として設定されます ₁ =20 nm、 h ₂ =250 nm、 h ₃ =200 nm、ε ₂ =3.1、 p =200 nm、および w =60nm。 b 穴の屈折率（ n ）の関数としての反射ディップと計算されたFOMの位置 =1.332–1.362）

結論

結論として、FDTD法を使用して、ナノホールアレイベースの3層吸収体におけるVP効果を体系的に研究しました。 VP効果により、最大99.8％の高い吸収効率と強力に増強された電界強度（2284倍に増強）を共鳴波長で達成することができます。高い吸収効率は、FPモードとVPモードの間のハイブリダイゼーションからも恩恵を受けます。シミュレーションにより、光の偏光と入射角に対するVP効果の強度が証明され、構造パラメータに対するVP効果の依存性も調査されます。さらに、VPモードは3.16の最大FOM値を所有します。これは、環境誘電率を検出するためのプラズモンセンサーを構築するのに役立つ場合があります。この論文で提示された体系的な研究は、VP効果に基づく吸収メカニズムの欠如を強調し、高効率で多機能な吸収体の新しい設計を提案します。

略語

FDTD：

有限差分時間領域

FOM：

性能指数

FP：

ファブリペロー

LSP：

局在表面プラズモン

MIM：

金属-絶縁体-金属

PML：

完全一致レイヤー

PSP：

表面プラズモンの伝播

SPR：

表面プラズモン共鳴

TE：

横電気

TM：

横磁気

VP：

ボイドプラズモン