マルチグルーブメタサーフェスを使用したグラフェンの角度に影響されない広帯域吸収増強

背景

グラフェンは、その卓越した電子的、機械的、および調整可能な光学特性により、オプトエレクトロニクスデバイスの優れた候補として実証されています[1,2,3]。光検出や太陽電池などの多くのアプリケーションでは、大量の電子正孔対を生成し、大きな光電流を生成するために、グラフェンの強力な吸収が望まれます[4、5]。テラヘルツから中赤外線の範囲まで、グラフェンは金属のように振る舞い、その強力なプラズモン応答により優れた吸収体として機能することができます[6、7、8]。それどころか、可視および近赤外領域では、グラフェンは垂直入射で約2.3％のほぼ波長に依存しない吸収を示し[9]、これは光電検出へのさらなる応用を深刻に制限します。

近年、可視および近赤外領域でのグラフェンの光吸収を増強するための様々なアプローチが提案されており、グラフェンの吸収増強の背後にある物理的メカニズムには、イプシロン-ほぼゼロ効果[10]、空洞共鳴[11、 12,13]、減衰全反射[14]、ガイドモード共鳴[15,16,17,18]、臨界結合[19,20,21]、ファノ共鳴[22、23]、プラズモニック共鳴[24,25 、26]、および磁気共鳴[27,28,29]。残念ながら、これらの吸収体の帯域幅は、共振の性質のために一般的に狭いです。ごく最近、グラフェンの吸収帯域幅は、光吸収チャネルを増やすことによって拡張できることが示されています[30、31、32、33、34、35]。一方では、パッチ共振器[30]またはAgナノディスクアレイ[31]を使用することにより、グラフェンのデュアルバンド光吸収増強を実現できます。グラフェンのより多くの光吸収チャネルは、導波路の厚さを増やすことによって実現でき[32]、グラフェンの広帯域吸収増強は、複数のAgナノディスクアレイを使用することによって可能です[33]。一方、グラフェンの角吸収チャネルは、減衰全反射構成を使用することで増加でき[34]、角密度の高い櫛状のグラフェン吸収の増強は、1次元のガイドモード共鳴の励起によって得られます。次元フォトニック結晶[35]。実際のアプリケーションでは、広いスペクトル範囲での光-グラフェン結合の強化は、光検出器や光起電などのデバイスにとって非常に重要です。ただし、可視および近赤外領域でのグラフェンの広帯域吸収増強に関する研究はほとんどなく、可視領域全体をカバーするグラフェンの角度に影響されない広帯域吸収体が強く望まれています。

この作業では、グラフェンシートをマルチグルーブメタサーフェスと統合することにより、可視領域全体をカバーするグラフェンの新しい角度に影響されない広帯域吸収体を提案します。グラフェンの強化された吸収帯は、溝の空洞に閉じ込められた電気および磁気双極子共鳴の複数の結合から生じています。グラフェンの吸収帯は、溝の数と深さの両方を調整することで柔軟に制御できます。構造パラメータや入射角を大きく変えても高い吸収効率を維持できます。

メソッド

図1は、TM平面波によって照らされたマルチグルーブメタサーフェスの概略図を示しています（磁場ベクトルは y に沿って存在します） -軸）グラフェンの角度に影響されない広帯域吸収増強用。構造のユニットセルは、平面グラフェンシートと、ポリメチルメタクリレート（PMMA）スペーサーで分離された5つの溝を備えたパターン化された銀膜で構成されています。 PMMA層は、グラフェンとパターン化された銀膜との結合を制御するバッファー層として機能します。また、アプリケーションでスピンコーティングを行うことにより、マルチグルーブ表面に簡単に転写することもできます。ユニットセルの周期はΛです。 、PMMAスペーサーの厚さは t です。 、下部の銀フィルムの厚さは D 、および基板はシリカです。溝の形状は、その幅 w の両方で表されます。 そしてその深さ。 5つの溝の幅は等しく、深さは d です。 ₁ 、 d ₂ 、 d ₃ 、 d ₄ 、および d ₅ 、 それぞれ。 PMMAの屈折率は1.49 [36]であり、銀膜の複素屈折率はPalik [37]から取得されます。平面グラフェンシートは単層グラフェンのN層で構成され、グラフェンシートの厚さは N として3.4nmです。 =10 [11、27]。単層グラフェンは、表面伝導率がσの非常に薄い表面としてモデル化されています。 _g 久保公式[38、39]から計算。有限温度では、バンド内とバンド間の寄与に分けることができます：

a グラフェンの角度に影響されない広帯域吸収のためのマルチグルーブメタサーフェスの概略図。 b 構造のユニットセルの断面図

ここで e およびħ それぞれ、電気素量と減少したプランク定数です。 k _B はボルツマン定数、μです。 _c は化学ポテンシャル、Γ =1/2 τ は現象論的散乱率であり、τ 運動量緩和時間です。グラフェンの物理的パラメータはμとして設定されます _c =0.15 eV、 T =300 K、およびτ =0.50ps。

シミュレーションでは、有限差分時間領域（FDTD）法（Lumerical FDTDソリューション）を採用して、グラフェンベースのマルチグルーブメタサーフェスの吸収特性を計算します。 x では周期境界条件（PBC）が採用されています 方向、 z の境界 方向は完全一致層（PML）として採用されています。反射率（ R ）および透過率（ T ）は、構造の上部と下部にある2つのモニターによって取得されます。下部の銀フィルムは、光学的に十分な厚さになるように選択されています（ D =100 nm）光の透過を防ぐため。したがって、全吸収（ A ）構造の A として減らすことができます =1– R 。グラフェンの吸収（ A _g ）は[24]として計算できます：

ここで P _up （λ ）および P _ダウン （λ ）は、波長λでグラフェンシートの上面と下面を通過するパワーです。 、 それぞれ。 P _in （λ ）は、波長λでの入射パワーを表します 。シミュレーションでは、 P _in （λ ）は光源のパワーであり、2つのパワーモニターがグラフェンの上面と下面に挿入されて P を取得します。 _up （λ ）および P _ダウン （λ ）。これらのパワーは、FDTDシミュレーションの全フィールドから抽出されます。

結果と考察

図2は、グラフェンを使用した場合と使用しない場合のマルチグルーブメタサーフェスのスペクトル応答を示しています。溝の数、溝の深さと幅、PMMAスペーサーの厚さなどの構造パラメーターは、可視領域で広帯域の吸収が得られるように最適化されています。図2aに示すように、グラフェンを含まないマルチグルーブメタサーフェスはプラズモン吸収体として機能し、ナノ構造の銀膜の表面プラズモン効果により、可視領域での光吸収を高めることができます。グラフェンを使用したマルチグルーブメタサーフェスについては、図2bを参照してください。光吸収は、可視領域全体で大幅に向上する可能性があります。構造全体の平均吸収は、400〜800 nmの波長範囲で92.7％に達します。これは、吸収効率と吸収帯域幅の両方で、多くのプラズモン吸収体に匹敵します[40、41、42、43]。興味深いことに、光エネルギーは主に銀ではなくグラフェンで消費されます。グラフェンの吸収効率は、拡張波長領域で大幅に向上し、その平均吸収効率は、450〜800 nmのスペクトル範囲で71.1％に達します。ただし、表面プラズモンモードはTM偏光によってのみ励起できるため、TE波照射下でのマルチグルーブメタサーフェスの明らかな吸収増強はありません（追加ファイル1：図S1を参照）。

a グラフェンを含まないマルチグルーブメタサーフェスのスペクトル。 b グラフェンを含む複数の溝のあるメタ表面の全体構造、グラフェン、および銀の吸収スペクトル。パラメータはΛです =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、およびθ _c =0°

TM波照射下でのグラフェンの広帯域吸収増強の効果についての洞察を得るために、異なる波長の構造の電場および磁場分布を調査します。図3に示すように、電界は金属溝の角の周りに非常に集中して増強され、その方向は x にほぼ平行です。 -軸、電気双極子共鳴モードに対応[44、45]。それどころか、磁場は金属溝の空洞内で強く増強され、その方向は xoz に垂直です。 -平面、磁気双極子共鳴モードに対応[26、46]。金属溝内の電気双極子共鳴と磁気双極子共鳴の電磁結合により、光とグラフェンの相互作用が著しく増加し、グラフェンの光吸収が向上します。フィールドエンハンスメントの位置は、主に短波長の浅い溝に集中し、波長が長くなるにつれて深い溝にシフトすることに注意してください。したがって、電気双極子共鳴と磁気双極子共鳴の複数の結合を、異なる溝の深さを持つマルチグルーブ構造でサポートでき、可視領域全体をカバーするグラフェンの広帯域光吸収をもたらします。

（ a の波長450nmでの構造のユニットセルの電界と磁界の正規化された分布 ）および（ b ）; （ c の場合は600nm ）および（ d ）; （ e の場合は750nm ）および（ f ）。挿入された白い破線部分は溝の拡大図であり、赤い矢印は電界の方向を示しています。構造パラメータは図2と同じです

マルチグルーブメタサーフェスのグラフェンの吸収ピークの位置をさらに特定するために、シングルグルーブ構造の共振特性を調べます。図4bの挿入図に示されている単一溝構造の場合、TM偏光下の溝キャビティの共振波長は[47]：

ここで M はモード番号で、 M =1計算中; n _eff は溝キャビティの実効屈折率であり、金属-絶縁体-金属（MIM）導波路のモード屈折率と同等にすることができます。 TM ₀ の基本モードのみ 溝の幅が波長よりはるかに小さいため、サポートできます。対応する n _eff MIM導波路の偶数モード分散を使用して決定できます[48]：

ここで、ε _d およびε _m それぞれPMMAと銀の誘電率です。 k ₀ は入射光の波数ベクトルβです。 はMIM導波モードの伝搬定数であり、 n _eff =β / k ₀ 。

挿入図に示すように、単一溝構造のグラフェンの吸収応答。 a 溝の深さの関数としてのグラフェンの吸収応答。 b 溝の深さの関数としてのグラフェンの吸収ピークの位置のFDTD結果、および溝の深さの関数としての共鳴波長の理論的結果。パラメータはΛです =300 nm、 t =5 nm、 N =10、および w =30 nm

図4aに示すように、シングルグルーブ構造の場合、溝の深さが増すにつれてグラフェンの吸収効率が向上し、グラフェンの吸収ピークも長波長にシフトします。図4bに示されているように、グラフェンの吸収ピークの位置は、溝の空洞の共振波長の理論結果とよく一致しています。 FDTD結果の傾きは8.48であり、理論結果の傾き10.46に近い値です。式によると。 （5）グラフェンの吸収ピークの位置は、溝の深さが増すにつれて赤方偏移し、溝の深さが20〜90 nmの範囲で変化するため、可視領域全体をカバーします。したがって、グラフェンの吸収ピークの位置は溝の深さによって調整でき、溝の深さが異なる複数の溝を構造のユニットセルに統合すると、グラフェンの広帯域吸収を実現できます。これにより、グラフェンの物理的メカニズムがさらに検証されます。マルチグルーブメタ表面のグラフェンの広帯域光吸収。ただし、一定の期間と固定の溝幅の場合、溝の数が多いほど、グラフェンの吸収性能が向上することを意味するわけではありません（追加ファイル1：図S2を参照）。したがって、グラフェンの吸収性能は、マルチグルーブ構成のグルーブの数と深さの両方を調整することにより、柔軟に制御できます。

マルチグルーブメタサーフェスと統合されたグラフェンの吸収性能をさらに評価するために、まず、グラフェンの光吸収に対するスペーサー層の厚さの影響を調査しました。図5に示すように、グラフェンの吸収応答はスペーサー層の厚さの変化に対してロバストであり、スペーサー層の厚さが5nmから20nmに増加しても広い吸収帯を維持できます。 。スペーサー層の厚さが増すと、構造の光学的厚さが増すため、グラフェンの吸収帯はより長い波長にシフトします。また、スペーサー層は金属溝とグラフェンの電磁結合を制御するバッファー層の機能を持っているため、スペーサー層の厚みが増すとグラフェンの平均吸収効率が低下します。

マルチグルーブ構造のスペーサー層の厚さの関数としてのグラフェンの吸収応答、およびその他のパラメーターは、図2と同じです

図6は、単層グラフェンの数と溝の幅がグラフェンの光吸収に及ぼす影響を示しています。グラフェンの吸収性能は、両方の N の変動に対してロバストであることがわかります。 および w 。図6aでは、単層グラフェンの数を10に増やすと、グラフェンの吸光度を大幅に高めることができます。ただし、 N の場合、全体的な吸収の向上は遅くなります。> 10そして N として飽和状態になります グラフェンの光吸収は、単層グラフェンの数の増加に伴って常に増加するとは限りません。同様の現象は、グラフェンベースの導波路共鳴格子でも観察できます[49]。図6bでは、溝幅を大きくすると吸収帯がブルーシフトし、設計値 w で平均吸収が最大になっていることがわかります。 可視領域の全体構造とグラフェンの両方で=30nm。電気双極子共鳴と磁気双極子共鳴の電磁結合は主に溝に限定されるため、溝幅の設計値から±10 nmの偏差は、マルチグルーブメタサーフェスの吸収性能に明確に影響します。

a 単層グラフェンの数の関数としてのグラフェンの吸収応答。 b N の溝幅の関数としての全構造とグラフェンの吸収スペクトル =10。その他のパラメータは図2と同じです

また、マルチグルーブメタサーフェスと統合された提案されたグラフェン吸収体の角度ロバスト性を調査します。図7では、グラフェンの吸収応答が入射角の変化に対してロバストであることがわかります。 θでも平均61.5％の吸収効率が得られると計算できます。 _c =450〜800 nmのスペクトル範囲内で60°であり、入射角は大幅に変化しますが、吸収帯はほぼ同じに保たれます。これは、マルチグルーブメタサーフェスと統合されたグラフェンの広帯域吸収増強が、入射角の変化にほとんど影響されない、溝キャビティ内の電気および磁気双極子共鳴の結合に起因するためです。ほとんどのグラフェンベースの吸収体の吸収性能は一般に入射角に依存するため、角度に影響されない吸収性能は非常に重要です[12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23 、24、25、28、29、30、31、32、33、34、35]。以前のグラフェンベースの吸収体とは異なり、提案された構造は、広い吸収帯と角度に影響されない性能を同時に備えています。これは、全方向性吸収体などのさまざまな分野で非常に望まれています。

マルチグルーブ構造の入射角の関数としてのグラフェンの吸収応答、およびその他のパラメータは図2と同じです

結論

結論として、マルチグルーブメタサーフェスと統合されたグラフェンの角度に影響されない広帯域吸収体が提案され、その光吸収特性が数値的に調査されます。グラフェンの吸収帯は可視領域全体をカバーしており、450〜800nmのスペクトル範囲で平均71.1％の吸収効率を実現できます。グラフェンの拡張吸収帯は、溝の空洞に閉じ込められた電気双極子共鳴と磁気双極子共鳴の複数の結合から生じており、そのメカニズムは、単一溝構造を使用して検証できます。グラフェンの吸収ピークの位置は溝の深さによって調整でき、グラフェンの吸収帯域幅は溝の数と深さの両方を調整することによって柔軟に制御できます。グラフェンの広帯域吸収特性は、スペーサー層の厚さ、単層グラフェンの数、および溝の幅の変化による影響をほとんど受けません。特に、グラフェンの光吸収スペクトルは、大きな角度でもほぼ同じです。マルチグルーブメタサーフェスを使用して光とグラフェン間の相互作用バンドを広げるというアイデアは、近赤外領域やその他のグラフェンベースのオプトエレクトロニクスデバイスでも採用できます。

略語

FDTD：

有限差分時間領域

MIM：

金属-絶縁体-金属

PBC：

周期境界条件

PML：

完全一致レイヤー

PMMA：

ポリメチルメタクリレート