単層MoS2と六角形窒化チタンナノディスクアレイを備えたブロードバンドパーフェクトアブソーバー

背景

メタマテリアルは、前例のない方法で入射光の振幅、位相、および偏光応答を調整することができます。特に、メタマテリアルによる吸収の強化は、人工的に設計されたメタマテリアルに関連する最も興味深いトピックの1つです[1,2,3,4,5]。高密度ナノロッドやナノチューブ[6、7]、多層平面フォトニック構造[8、9、10]、フォトニック結晶[11]など、いくつかのメタマテリアル構造が高性能光吸収体として実証されました。過去10年間で、吸収体を設計するためにAu [12]とAgが集中的に調査されてきました[13,14,15,16]。初期の段階では、ほとんどの研究活動は、金属ナノ粒子、周期的格子、および金属/誘電体/金属薄層の構造を持つ狭い波長帯内の電磁界の吸収に焦点を合わせていました[17、18、19、20]。ただし、光起電および熱光起電セルでは、可視領域全体にわたる広帯域吸収が重要です。現実的なアプリケーションの実際のニーズに駆り立てられて、ブロードバンド吸収に関する研究が近年報告されました。交差した台形配列で構成されたナノ構造の上部銀膜を備えた吸収体は、可視領域全体（400〜700 nm）でシミュレートされた0.85の吸収に対して、0.71の平均測定吸収で広帯域で偏光に依存しない共鳴光吸収を提供します[16]。広帯域吸収は、複数の金属/誘電体/金属層に基づく吸収体でさらに改善され、可視領域全体で平均93％の吸収がシミュレートされました[14]。より良い広帯域吸収を得るために、半導体ベースの酸化物と遷移金属窒化物[21、22]が代替プラズモン材料として提案されました。具体的には、TiNやZrNなどの遷移金属窒化物は、可視波長帯の従来の貴金属の代替品として機能します[21]。正方形のリングアレイを備えたTiNに基づく広帯域メタマテリアル吸収体は、可視領域全体（400〜800 nm）で平均95％の吸収を示します[23]。また、560〜675 nmの98％を超える吸収は、TiNとインジウムスズ酸化物の透明導電性フィルムを備えた広帯域メタマテリアル吸収体で得られましたが、400 nm〜500 nmの短波の平均吸収は85％未満でした[24]。最近、単層MoS ₂ は、さまざまなオプトエレクトロニクスデバイスを生成する可能性が高く[25、26、27、28、29、30、31、32、33、34]、短波長側での吸収が高いため、光触媒アプリケーションに大きな可能性を示しています[35、36]。金属Agメタ表面と単層MoS ₂ を備えた広帯域吸収体 まだ90％未満の平均吸収で研究されました[37]。この作業では、単層MoS ₂ を備えたよりコンパクトな吸収体 六角形に配置されたTiNナノディスクアレイが提案されており、可視領域全体で98.1％もの平均吸収が近赤外（400〜850 nm）まで広がっています。この構造は、太陽光発電アプリケーションに有望であるはずです。

メソッド

吸収体の初期構造とユニットセルの上面図を図1に模式的に示します。誘電体SiO ₂ の層 TiNナノディスクアレイとアルミニウム（Al）基板の間に挟まれています。シングルサイズのTiNナノディスクは、SiO ₂ 上に六角形に配列されています。 同じピッチのフィルム。単層MoS ₂ 厚さ0.625nmのナノディスクアレイの下に挿入されます。構造パラメータは次のように表されます： p _x および p _y =\（\ sqrt {3} px \）は、 x に沿った長方形の単位セルの周期的な長さです。 -および y -それぞれ方向; d TiNナノディスクの直径です。 t ₁ および t ₂ は、上部のTiNナノディスクとSiO ₂ の厚さです。 それぞれフィルム。アルミニウムフィルムが基板として選択され、厚さは500 nmで、調査したスペクトル範囲の光の侵入深さよりもはるかに厚いです。

a 提案されたTiNナノディスク/単層MoS ₂ の概略図 / SiO ₂ / Al構造。 b 長方形のユニットセルの上面図

Lumerical FDTD Solutionsのソフトウェアパッケージを使用したシミュレーションでは、有限差分時間領域（FDTD）法が採用されました。光は通常、吸収体に- z に向かって入射すると想定されます。 -方向。このシミュレーションでは、 z -方向には2つの完全一致層があり、周期境界条件は x で設定されます。 -および y -方向。吸光度は、対応する透過率（R）と透過率（T）から A で計算できます。 =1− R − T 。この場合、Al基板はスペクトル範囲の光侵入深さよりもはるかに厚く、吸収を高めるためにナノディスクアレイと共鳴空洞を形成する際のミラーとして機能するため、透過率が常にゼロであることが簡単にわかります。シミュレーションでは、さまざまなレイヤーサイズに関して不均一なメッシュサイズが使用され、具体的な設定は次のとおりでした。2.0nm×2.0nm×0.1nmのメッシュサイズが単層MoS _{2 >;他のシミュレーション領域では、2.0nm×2.0nm×2.0nmのメッシュサイズが設定されました。}

SiO ₂ の屈折率曲線 スペーサー層は、ソフトウェアLumerical FDTDSolutionsのマテリアルベースから採用されました。 TiNの関連する材料パラメータは、参考文献から借用しました。 [38]、および単分子層MoS ₂ の分散曲線 参考文献から得られた。 [39]。 TiNと単分子層MoS ₂ の適合分散曲線 可視領域では、TiNは貴金属と比較してはるかに高い吸光係数を示すため、LSPRの励起を実現する際にAuやAgなどの貴金属を置き換えることが提案されています[21]。ただし、短波エッジでの比較的低い吸光係数は、吸収性能が不十分であることを示しています。幸いなことに、単層のMoS ₂ 特に短波側で非常に高い吸光係数を持っています。 TiNナノディスク/ SiO ₂ に導入できます 可視領域全体にわたって広帯域吸収を改善するための/ Al構造。さらに、単層MoS ₂ は、電子を容易に励起できるダイレクトギャップ半導体です。そして、まともな熱電特性[40]により、提案された構造によって吸収されたエネルギーをうまく利用し、太陽エネルギーの用途に利益をもたらします。

a TiN層の分散： n は屈折率であり、 k 吸光係数。 b 単層MoSの分散 ₂

結果と考察

TiNナノディスク/ SiO ₂ の吸収性能 / Al構造が最初に研究されます。構造の性能を最適化するために、TiNナノディスクの直径と厚さ、およびSiO ₂ の厚さに対する吸収スペクトルの依存性 スペーサー層は、それぞれ x で研究されています -最適化された周期の偏光入射光 p _x 200nmで。

ユニットセル内の電界と磁界は吸収体の寸法に強く影響されるため[28、41]、TiNナノディスクの直径が異なる場合の吸収スペクトルを調べました。図3aは、 p の上部TiNナノディスクの吸収スペクトルと直径の関係を示しています。 _x =200 nm、および t ₁ = t ₂ =50nm。 TiNナノディスクの直径が40nmから120nmに増加すると、共鳴吸収が増加し、その後、直径が200nmに徐々に近づくにつれて吸収が減少します。提案された構造は、直径が約120 nmの場合、可視領域で最高の吸収性能を備えています。

a p にパラメータを固定した上部TiNナノディスクの吸収スペクトルと直径 _x =200 nm、および t ₁ = t ₂ =50nm。 b p を使用した上部TiNナノディスクの吸収スペクトルと厚さの関係 _x =200 nm、 d =120 nm、および t ₂ =50nm。 c SiO ₂ の厚さに対する吸収スペクトル p のレイヤー _x =200 nm、 d =120 nm、および t ₁ =50nm。 d p として設定されたパラメータを使用した入射光のスペクトル対偏光角 _x =200 nm、 d =120 nm、および t ₁ = t ₂ =50nm。 カラーバー 吸収値を示します

同じ理由で、TiNナノディスクの厚さへの吸収依存性も調べた。図3bは、他のパラメータが p に固定されている場合の、上部のTiNナノディスクの厚さに対する吸収スペクトルを示しています。 _x =200 nm、 d =120 nm、および t ₂ =50nm。 t の間に、共鳴吸収ピーク波長に赤方偏移があることは明らかです。 ₁ 増加し、共鳴吸収帯域幅は t から広くなります ₁ =30〜50nm。その結果、 t ₁ =50 nmの場合、最高の吸収性能は453〜797 nmの範囲の波長で達成されます。これは、幅が約350 nmで、吸収率が95％を超えています。

さらに、SiO ₂ の厚さ スペーサー層は、構造の磁気共鳴を決定するための重要なパラメーターでもあります。吸収スペクトル対SiO ₂ の厚さから 図3cのスペーサー層では、共鳴吸収ピークの中心波長が、SiO ₂ の厚さが増すにつれて赤方偏移していることがわかります。 、最適化された厚さは t ₂ =50 nm、残りのパラメータは p に設定されています _x =200 nm、 d =120 nm、 t ₁ =50nm。 TiNナノディスク/ SiO ₂ / Al構造は、400〜850 nmの平均吸収率が96.1％で、非常に満足のいく広帯域吸収を提供します。

図4aの680nm付近の吸収ピークの背後にあるメカニズムを理解するために、ナノディスクを分極性双極子として扱うことにより、結合双極子近似アプローチを採用しました。 TiNナノディスクのサイズは可視光の波長よりもはるかに小さいため、この場合の処理​​には準静的近似が有効です。準静的近似では、入射光で照射された各ナノディスクは、分極率を備えた双極子として扱うことができます[42]、

a 単分子層MoS ₂ のない吸収スペクトル p の場合 _x =200 nm、 d =120 nm、および t ₁ = t ₂ =50nm。 b 法線入射で平面波で照射されたTiNナノディスクの正規化された光消光断面積

ここでは、 V TiNディスクのボリュームを示します。ε ₁ =ε _{1 r} + ε _{1 i} はTiNナノディスクの周波数依存誘電率であり、ε ₂ 埋め込み媒体SiO ₂ の誘電率です。 。入射光の印加電界がディスクに平行に偏光している場合（つまり、 xy 平面）、形状係数は[42]

と書くことができます。 $$ L =\ frac {g} {2 {e} ^ 2} \ left（\ frac {\ pi} {2} -ta {\ mathrm {n}} ^ {-1} g \ right）-\ frac {g ^ 2} {2} $$（2）$$ g =\ sqrt {\ frac {1- {e} ^ 2} {e ^ 2}} $$（3）$$ {e} ^ 2 =1- \ frac {4 {t} _1 ^ 2} {d ^ 2} $$（4）

ここで、 d はTiNナノディスクの直径であり、 t ₁ はTiNナノディスクの厚さです。したがって、光学的消光断面積σ _ext 分極率から得ることができます[12、43]

$$ {\ sigma} _ {ext} \ propto k \ operatorname {Im} \ left（\ alpha \ right）$$（5）

前述のように、準静的近似は、単一のTiNナノディスクの光学的消光断面積の計算に適用できます。ナノディスクの正規化された光学的消光断面積を図4bに示します。これは、 p を使用した図4aのスペクトルと同様の傾向を示しています。 _x =200 nm、 d =120 nm、 t ₁ =50 nm、および t ₂ =50nm。最大減光断面積に対応する波長は約715nmであり、シミュレーション結果の吸収スペクトルの約680nmのピーク波長に近い値です。実際、LSPR吸収ピークをシミュレートするためにTiNナノディスクの寸法のみを考慮し、ナノディスク間のクロストークとギャップ内の磁気共鳴を無視したため、数値結果は吸収スペクトルと完全には一致していません。これは、完全な吸収帯の拡大に大きな影響を与え、構造の吸収性能の向上に貢献するはずです。これについては、次のセクションで説明します。

短波長エッジでの吸収を高めるために、単層MoS ₂ TiNナノディスク/ SiO ₂ に導入されました / Al構造は、図1aに示すように、それぞれナノディスクアレイの上と下に挿入します。パラメータは p として設定されました _x =200 nm、 d =120 nm、 t ₁ =50 nm、および t ₂ =以前に取得した最適化された結果に基づく50nm。図6に示すように、LSPRの励起により、ナノディスク周辺の電場が増強されます。その結果、電場の増強により、極薄単分子層MoS ₂ の吸収が強化されます。 、図5a、bに示すように、両方のケースでより良い吸収性能が得られます。 MoSなし ₂ TiNナノディスク/ SiO ₂ / Al構造では、最高の吸収性能が得られ、ピーク吸収は100％近く、平均吸収は400〜850 nmで96.1％です。単層MoS ₂ TiNナノディスクアレイの下に挿入すると、100％近くのピーク吸収も観察されます。単層MoS ₂ がない場合と比較 、95％を超える吸収帯域は、424〜842nmの範囲で約80nmに広がり、400 nmでの光の波長の吸収は81〜89％に増加します。その結果、400〜850 nmの平均吸光度は96.1〜98.1％に向上し、波長範囲は約300 nmで、475〜772 nmのほぼ100％の吸光度になります。 MoS ₂ を使用 ナノディスクアレイ上に重ねると、400〜850 nmの平均吸収率が96.8％になり、全体的なパフォーマンスも向上します。上記の議論から、単層MoS ₂ を挿入することがわかります。 ナノディスクアレイの下は、提案された構造の吸収性能を改善する上でより優れた性能を発揮します。単分子層MoS ₂ の寄与を明らかにする 全体の構造に、単分子層MoS ₂ の吸収 TiNナノディスクが計算され、図5cに示されています。単層MoS ₂ を導入した後 、短波長エッジでのナノディスクの吸収はわずかに減少します。ただし、単層MoS ₂ での吸収が高いため 、スペクトルの短波長エッジでも総吸光度は増加します。長波長エッジでは、単層MoS ₂ を導入すると、ナノディスクによる吸収が高くなります。 。全体として、吸収帯域幅は単分子層MoS ₂ で拡大されます。 TiNナノディスクの下。

吸収スペクトル a 拡大された吸収スペクトル b 単分子層MoS ₂ は、TiNナノディスクアレイの下、TiNナノディスク上に導入され、それぞれ導入されません。 c TiNナノディスクと単層MoS ₂ の吸収

さらに、入射光の偏光角の影響も研究されています。図3dは、他のメタマテリアル設計で報告されているように、吸収スペクトルが入射光の偏光角の影響をほとんど受けないことを示しています[44、45、46]。円形ナノディスクの回転対称性により、法線入射での偏光角の変化による違いはありません。さらに、六角形のアレイは3回回転対称であるため、垂直入射での偏光角に対して吸収が鈍感になります[44、45、46、47]。その結果、構造内の全吸収は偏光に影響されません。

光がMA構造でどのように吸収されるかを確認するために、さまざまな共鳴波長のエネルギーフローを表す電界分布とポインティングベクトルを調べます。図6a–cでは、電界分布が xz の断面にプロットされています。 y の平面 =0。これは、LSPRが発生してナノディスクの周囲の電磁界を強化し、それぞれ波長402、502、および680nmに対応する3つのケースすべてでナノディスク間に電磁界を閉じ込めたことを示します。パラメータは p として設定されました _x =200 nm、 d =120 nm、 t ₁ =50 nm、および t ₂ =50nm。 3つのケースを比較すると、402 nmでのLSPRは比較的弱く、反射電界は強く、82％の弱い吸収を示しています。 502nmと680nmの波長の場合、LSPRは明らかに強く（図6b、cに示されています）、それぞれ99.4％と99.6％のより良い吸収をもたらします。理解を深めるために、ポインティングベクトルも電界分布でプロットされています。ポインティングベクトルの大きさは、特に波長が502および680 nmの場合に、ナノディスクの近くで見られます。ポインティングベクトルのパターンから、ナノディスクの周りに強い共鳴が発生し、エネルギーがナノディスクに流れ込む、つまり、入射光エネルギーが主にTiNナノディスクに吸収されるという結論を導き出すことができます。さらに、LSPRから生じるTiNナノディスクの周りの増強された場は、単層MoS ₂ での吸収を改善します。 TiNナノディスク/ SiO ₂ の吸収帯を広げます 単分子層MoS ₂ の両方の場合の/ Al構造 ナノディスクアレイの上と下に挿入されます。

電界の分布 | E | および xz のポインティングベクトル y の平面 =波長λの光で照らされたユニットセルの0 =402 nm（ a ）、502 nm（ b ）、および680 nm（ c ）、および磁場分布

さらに深く掘り下げるために、図7a–cは、ナノディスクの上面（インターフェース1）、TiNナノディスクとSiO ₂ の間のインターフェースでの電界強度分布を示しています。 層（インターフェース2）、およびSiO ₂ 間のインターフェース xy に沿ったユニットセルの層と下部Al基板（インターフェース3） それぞれ、共振波長680nmの平面。すべての強度分布は対称であり、最大共鳴強度はTiNナノディスクの端にあり、振動電荷がそこに蓄積していることを示しています（図7a–c）。界面3に関しては、SiO ₂ を通過するナノディスクによる散乱電磁場により、界面2の共鳴強度と比較して共鳴強度が減衰します。 異なる方向に沿ったスペーサー層。図6dに示すように、磁気共鳴はギャップで励起され、その結果、入射光の磁場と強く相互作用する人工磁気モーメントが発生します[48]。したがって、電磁場はギャップ内で強化することができ、エネルギーはTiNナノディスクとAl基板の間のギャップに効率的に閉じ込められます。 LSPRと磁気共鳴がインピーダンス整合している場合、全吸収は1に達します[19]。ナノディスクの直径が大きくなると、クロストークが強くなり、インピーダンス整合条件が変化します。その結果、1つの吸収ピークが波長502nmと680nmの2つの吸収ピークに分割され、LSPRと磁気共鳴が1つの吸収にインピーダンス整合されます。さらに、磁気共鳴の存在により、単分子層MoS ₂ ナノディスクアレイの下に挿入すると、ナノディスクアレイよりもパフォーマンスが向上します。とりわけ、広帯域の完全な吸収は、隣接するナノディスク間のクロストークに加えて、ナノディスクの強力なLSPRの励起とギャップ内の磁気共鳴によって得られます。開発されたナノファブリケーション技術により、私たちの設計は、薄膜の堆積とエッチングのプロセスによって実現できます。

xy の電界分布 a の668nmの共振波長の平面 インターフェイス1：TiNディスクの上面、 b インターフェイス2：TiNディスクとSiO ₂ 間のインターフェイス レイヤー、および c インターフェース3：SiO ₂ 間のインターフェース 層と下部のTiN層

結論

この作業では、400nmから850nmまでの波長帯のメタマテリアル完全吸収体がFDTD法によって研究されました。最初に提案したTiNナノディスク/単層MoS ₂ / SiO ₂ / Al構造は、400nmから850nmまでの平均98.1％の広帯域完全吸収を提供します。これには、475nmから772nmまでのほぼ100％（99％以上）の吸収を伴う300nm帯域幅が含まれます。興味深い吸収の実現は、強力なLSPR、TiNナノディスクのクロストーク、およびギャップ内の磁気共鳴によるものです。重要なのは、単層MoS ₂ を導入することです。 吸収性能が大幅に向上しました。さらに、完全な吸収体は、法線入射で偏光非感受性を示します。コンパクトさの観点から、メタマテリアル吸収体の寸法を150nmの厚さに減らすことができます。結論として、この研究で提案された完全な吸収体は、六角形の周期的な円形のTiNナノディスクパターンと単分子層のMoS ₂ 単一吸収に近いブロードバンドを提供し、光起電力デバイスと光トラッピングに有望です。

略語

FDTD：

有限差分時間領域

LSPR：

局在表面プラズモン共鳴

MA：

メタマテリアルアブソーバー