アルミニウムとニオブ酸リチウムの構成を使用したメタ表面カラーフィルター

はじめに

最近、メタマテリアルの研究の進歩は、幾何学的および光学的特性のリアルタイム制御を可能にする調整可能なメタサーフェスの実現に向けて進歩しており、アクティブに調整可能なメタマテリアルの分野で卓越した機会を生み出しています。それらは、可視[1,2,3,4,5,6]、赤外線（IR）[7,8,9,10,11,12]、およびテラヘルツ（THz）[12,13、 14,15,16,17,18,19,20,21]スペクトル範囲。メタ表面のユニークな光学特性は、入射光とナノ構造の間の相互作用に依存しているため、構造の形状、サイズ、および組成を適切に調整することにより、望ましい特性を実現できます。メタサーフェスは近接場エンティティの操作を可能にし、それによって磁気応答[1、22]、ほぼ完全な吸収[14、15、23]、透明性[17、19]、位相工学[18、20]などの興味深い機能の再構成を可能にしました。 21、24]、MIRセンシングおよび熱画像[10]、多くのタイプのフィルター[1,2,3,4,5]、およびセンサー[6,7,8、12,13,14]の共振変調[9] ]アプリケーション。

現在まで、メタサーフェスの柔軟性を向上させるために報告されている多くのアクティブなチューニングメカニズムがあります。ほとんどの設計は、IR [10,11,12、25,26,27]およびTHz [28,29,30,31]スペクトル範囲にあります。機械的伸縮[32]、静電力[33]、三重共鳴[34]、液晶[35]、相変化材料[36,37]など、可視スペクトル範囲でアクティブに調整可能なメタ表面に対するさまざまなアプローチが報告されています。 、38]、および電気光学材料[39、40]ただし、可視スペクトル範囲でアクティブに調整可能なメタ表面に関する研究の数は限られています。電気光学法の調整メカニズムの中で、グラフェンベースの調整可能なメタ表面は、最近、研究者に大きな注目を集めています[41、42、43]。また、ニオブ酸リチウム（LN）は、「フォトニクスのシリコン」と見なされている最も重要な材料の1つです。 LNでのメタサーフェスのアプローチは、その広い透明ウィンドウ、最大30 pm / Vの大きな2次電気光学係数、および集積フォトニクス回路との優れた互換性により、大きな注目を集めています[44]。その大きな二次非線形感受率のために、LNの屈折率はそれに電界を加えることによって線形に調整することができます[44]。メタサーフェスの設計にLNを組み込むことで、電気光学アクティブ調整機能を備えた超高感度カラーフィルターの可能性が広がります。上記のアクティブチューニング方法は、天然素材の非線形特性に大きく依存します。多くの場合、チューニング範囲が広く、チューニング範囲全体で均一なパフォーマンスが得られる、またはアプリケーションを大幅に制限する高い駆動電圧が必要になるなど、望ましい特性が欠けています。これらの方法の中で、メタマテリアルの幾何学的特性を直接変更できるため、微小電気機械システム（MEMS）技術を使用してアクティブに調整可能なメタマテリアルが広く研究されています[26、29]。 MEMSベースの調整可能なメタマテリアルは、多くの場合、ファブリペロー（F-P）キャビティを利用し、2つの構造層間のギャップを変更して共振を調整します[37、45]。これらの構造は、広いチューニング範囲で狭い吸収帯域幅または伝送帯域幅を生成できるため、次世代のアプリケーションに適しています。

この研究では、メタサーフェスカラーフィルター（MCF）の2つのデザインが提示されます。これらは、Lumerical Solutionの有限差分時間領域（FDTD）ベースのシミュレーションを使用して可視スペクトル範囲の光学特性を調査することにより、調整可能なAlベースのメタサーフェス（TAM）および調整可能なLNベースのメタサーフェス（TLNM）です。入射光の伝搬方向は、 x に対して垂直に設定されています。 – y 数値シミュレーションの平面。入射光の偏光角は0に設定されており、電気ベクトルが x に沿って振動することを意味します。 -TM偏光としての軸方向。 x では、周期境界条件も採用されています。 および y 方向、および完全一致層（PML）境界条件は両方の z で想定されています 方向。反射強度は、デバイスの上に設置されたモニターによって計算されます。提案されたデバイスは、アクティブな調整可能性と広い調整範囲を示します。 TAMとTLNMは、可視スペクトル範囲全体に及ぶほぼ完全な超狭帯域吸収を示します。環境センシングアプリケーションの場合、TAMは高い感度を示し、TLNMは高いFOMを示します。これらの設計は、高解像度ディスプレイ、屈折率センサー、および可視スペクトル範囲の適応デバイスで使用できる可能性があります。

デザインとメソッド

図1aに、提案されたTAMとTLNMの概略図を示します。それらは、上部にAlミラー層でコーティングされたSi基板上の吊り下げられた長方形のAlおよび楕円形のLNメタ表面で構成されています。下部のAlミラー層と上部のメタ表面の間のギャップは、MEMS技術を使用してこれら2つの層の間にF-Pキャビティを形成することで調整できます。対応する幾何学的寸法は、Alメタサーフェスの長方形の穴の長さと x に沿ったLNメタサーフェスの楕円形の穴の2つの軸です。 -方向（ D _x ）および y -方向（ D _y ）、 x に沿った期間 -方向（ P _x ）および y -方向（ P _y ）、メタサーフェスの厚さ（ t ）、およびメタサーフェスと下部ミラー層の間のギャップ（ g ）。ここでは、 x に沿った長方形のAlメタサーフェスと楕円形のLNメタサーフェスの周期と長さの比率を定義します。 -方向と y - K としての方向 _x = P _x / D _x および K _y = P _y / D _y 、それぞれ、可視スペクトル範囲全体での有効な電磁応答を把握します。

a TAMとTLNMの概略図。 b – d 異なる（ b ）のTAMの反射スペクトル ） D _x 、（ c ） K _x 、および（ d ） K _y 値

図1b–dは、 D を変更した場合のTAMの反射スペクトルを示しています。 _x 、 K _x 、および K _y それぞれ値。図1bでは、パラメータは D と同じように一定に保たれています。 _y =200 nm、 g =450 nm、および K _x = K _y =1.2。 D を変更することにより、ほぼ完全な吸収スペクトルが維持されます。 _x 110nmから200nmまでの値。共鳴は535nmの波長にあります。図1cは、さまざまな K を使用したTAMの反射スペクトルを示しています。 _x 値。その他のパラメータは D と同じくらい一定に保たれます _x = D _y =200 nm、 g =450nmおよび K _y =1.2。共振は、530 nm〜540nmの波長範囲でほぼ一定に保たれます。図1dは、さまざまな K を使用したTAMの反射スペクトルを示しています。 _y 値。他のパラメータは D と同じくらい一定に保たれます _x = D _y =200 nm、 g =450nmおよび K _x =1.2。 K を変更する _y 1.1から1.5の値の場合、共鳴は60nm未満のさまざまな波長範囲で赤方偏移します。これらの結果は、 D の影響を示しています _x 、 K _x 、および K _y TAMの共振波長の値は非常に小さいため、提案されたTAMは、 D の変動に対して製造偏差の高い許容誤差を持っています。 _x 、 K _x 、および K _y 値。以下の議論では、 K _x および K _y 1.2および D と同じくらい一定に保たれます _x D と等しくなるように設定されています _y 提案されたTAMおよびTLNMデバイスのアクティブな調整可能性を調査します。

結果と考察

提案されたデバイスの柔軟性と適用性を高めるために、メタサーフェスは、それ自体と下部ミラー層の間にギャップを残してFP共振器を形成するように吊り下げられるように設計されており、その結果、入射光はこのデバイスにトラップされます。ギャップがあり、デバイスに吸収されます。 D について _y および g 値は共鳴波長のシフトに寄与する主な要因であり、TAMのほぼ完全な吸収は、 D をペアリングすることにより、可視スペクトル範囲全体で調整できます。 _y 図2aに示すようにg値。 D の4つのペア _y および g 値は、TAMの調整可能性を調査するために選択されます。彼らは（ D _y 、 g ）=（160 nm、355 nm）、（200 nm、450 nm）、（240 nm、540 nm）、（280 nm、645 nm）、それぞれ。 D で構成する _y および g 値が大きい場合、433.9 nm、533.5 nm、629.8 nm、および740.9nmのさまざまな波長で完全な吸収を実現できます。図2aの挿入されたカラー画像は、CIE RGBマッチング関数を使用してデバイス表面の実際の色を模倣することによって計算された、人間の目に対応する反射スペクトルの可視色です。共鳴と D の関係 _y 値は要約され、図2bにプロットされています。共鳴は、 D を増加させることにより、可視スペクトル範囲全体に直線的に赤方偏移します。 _y 150 nm〜290nmの値。対応する補正係数は0.99401です。これは、提案されたTAMデバイスの優れた調整可能性を示しています。 F-P共振器の共振周波数は、[46]

a D が異なるTAMの反射スペクトル _y および g 値。 b 共鳴と D の関係 _y 値

ここで、 q モードインデックス、 g はF-Pキャビティの長さであり、 c =c ₀ / n 、ここで c ₀ は真空中の光速であり、 n は媒体の屈折率です。これは、この提案された設計で吊り下げられたメタサーフェスを垂直に移動することによって、つまり g を変更することによって、共振周波数を調整できることを示しています。 値。

図3は、さまざまな g を使用したTAMの反射スペクトルを示しています。 D の条件下での値 _y =200 nm（図3a）および D _y =250 nm（図3b）、それぞれ。図3aでは、 g を変更することにより、共鳴が490nmの波長から590nmに赤方偏移しています。 410nmから510nmまでの値。チューニング範囲は100nmです。共振の半値全幅（FWHM）が最も狭いのは、 g で29.9nmです。 =470nm。図3bでは、 g を変更することにより、共鳴が580nmの波長から691nmに赤方偏移しています。 490nmから610nmまでの値。チューニング範囲は111nmです。共振の最も狭いFWHMは、 g で31.8nmです。 =530nm。チューニング範囲は、参考文献[39]で報告されているものと比較して2倍であり、以前の参考文献[37、38、40]で報告されているものよりも優れています。図3c、dは、共鳴と g の対応する関係を示しています。 それぞれ図3a、bの値。共鳴は、 g の10nm刻みごとに9.2nmずつ直線的に赤方偏移します。 図3cに示す値であり、 g の10nm刻みごとに9.0nmずつ 図3dに示す値。チューニング範囲はそれぞれ90.5nmと110.7nmです。すべての反射スペクトルはほぼ完全な吸収です。対応する補正係数は、それぞれ0.99950と0.99969です。提案されたTAMのこのような設計は、超高感度カラーフィルターとして機能するか、さまざまなセンシングアプリケーションで使用される可能性があります。

g が異なるTAMの反射スペクトル a の条件下での値 D _y =200 nm、 b D _y =250nm。 c、d 共鳴と g の関係 a の値 および b 、それぞれ

ほぼ完全な吸収を維持しながら、FWHMとチューニング波長範囲の観点からTAMのパフォーマンスを向上させるために、図1aに示すようにTLNMが提案され、提示されています。幾何学的パターンが楕円形の穴として設計されているのは、ナノ構造のパターン化が常にコーナー効果と製造偏差に悩まされているためです。 D のパラメータ _x および D _y x-に沿ったマクロ軸と短軸の長さを表します および y -それぞれ方向、 K _x および K _y パラメータは1.2および D と同じように一定に保たれます _x 値は110nmです。図4aは、 D の4つの組み合わせによるTLNMの反射スペクトルを示しています。 _y および g 値。 t 値は200nmで一定に保たれます。 TLNMは、可視スペクトル範囲全体に及ぶ超狭帯域幅で完全な吸収の特性を示します。反射スペクトルのFWHM値は3nmです。このような超狭幅FWHMは、F-P共鳴によってもたらされます。これは、

a D が異なるTLNMの反射スペクトル _y および g 値。 b 共鳴と D の関係 _y 値

ここで、λ _q は共振波長であり、下付き文字 q モードインデックス、 g はF-Pキャビティの長さであり、 R は、下部のAlメタサーフェスと上部のAl / LNメタサーフェスの間のF-P共振器サーフェスの反射率です。 TLNMの反射強度が高いため、FWHM値が低下する可能性があります。これは、LN材料を使用することで光学性能を大幅に向上させることができることを意味します。共鳴と D の関係 _y 図4aの値は、図4bに示すように要約されています。共鳴は、 D を増加させることにより、427nmから673nmに直線的に赤方偏移します。 _y 250nmから500nmの値であり、対応する補正係数は0.97815です。したがって、提案されたデバイスの線形調整可能性を示しています。

吊り下げられた楕円形のLNメタサーフェスは移動可能であり、MEMSテクノロジーを使用して光学的調整可能性を実現するために直接変更できます。図5a、bは、さまざまな g を使用したTLNMの反射スペクトルを示しています。 D の2つの条件下での値 _y =350 nm、 t =210 nm、および D _y =450 nm、 t =それぞれ280nm。図5aでは、 g を増やすことによって 390nmから570nmの値では、共鳴は465.9nmから553.5nmに赤方偏移します。図5bでは、 g を増やすことによって 540nmから780nmの値では、共鳴は613.6nmから731.2nmに赤方偏移します。図5c、dは、対応する共振の関係 g を示しています。 値、およびそれぞれ図5a、bの対応するFWHM値。共鳴は非常に直線的に赤方偏移します。対応する補正係数は、2つのケースでそれぞれ0.99864と0.99950です。 D の場合 _y =350 nm、 t 図5cに示すように、=210 nm、チューニング範囲は87.6 nm、平均FWHM値は3nmです。 D の場合 _y =450 nm、 t 図5dに示すように、=280 nm、調整範囲は117.6 nm、平均FWHM値は4nmです。最も狭いFWHM値は、図5aに示すように波長466nmで1.5nmであり、図5bに示すように波長615nmで3.2nmであることがわかります。それらは提案されたTAM設計の結果と比較され、TLNMのFWHM値は少なくとも完全な吸収を維持しながら10倍改善されます。 LNメタサーフェスを使用することにより、光学性能が大幅に向上します。これらの結果は、TLNMが、超狭帯域、完全な吸収、および広い調整範囲というこれらの並外れた特性に従って、超高感度カラーフィルター、吸収体、検出器、センサーなどの多くのアプリケーションで使用できる可能性があることを示しています。

TLNMの反射スペクトル。パラメータは、 a の条件下で最大調整可能範囲に最適化されています D _y =350 nm、 t =210 nm、 b D _y =450 nm、 t =280nm。 c 、 d 共鳴の関係、 g 値、および a の対応するFWHM値 および b 、それぞれ

TAMおよびTLNMデバイスを実際のアプリケーション、たとえば環境センサーに埋め込むことができるかどうかをさらに調査するために、それらはさまざまな周囲屈折率（ n ）で周囲の環境にさらされます。 ）。図6は、1.0から1.3までのさまざまな屈折率を持つ周囲環境にさらされたTAMの反射スペクトルを示しています。 TAMの幾何学的寸法は、 D と同じくらい一定に保たれます。 _x =110 nm、 D _y =200 nm、および g =450nm。 84.6 nm（ω）のチューニング範囲で赤方偏移した2つの共鳴があります ₁ ）および172.1 nm（ω ₂ ）。共鳴と n の関係 値は図6bに要約されています。感度は246.7nm / RIUおよび481.5nm / RIUとして計算され、対応する性能指数（FOM）は最初の共振（ω）に対して11および14です。 ₁ ）および2番目の共振（ω ₂ ）、 それぞれ。これらのより高い感度は、21.6 nm（ω）の共鳴の狭いFWHMに起因します。 ₁ ）および34 nm（ω ₂ ）。これらの特性は、実用的なセンシングアプリケーションに非常に適しています。

a さまざまな屈折率（ n ）を持つ周囲環境にさらされたTAMの反射スペクトル ）。 b 共鳴と n の関係 値

ただし、欠点は、ωの反射強度です。 ₁ 比較的高く、ωの ₂ n として20％以上に増加します 1.3に増加します。この制限を克服するために、TLNMは、LNメタサーフェスの特性評価により、安定した光学特性を備えているように設計されています。図7は、さまざまな n の周囲環境にさらされたTLNMの反射スペクトルを示しています。 D の条件下での値 _y =350 nm、 t =210 nm、 g =490 nm、および D _y =450 nm、 t =280 nm、 g =それぞれ図7a、bに示すように580nm。図7aでは、TLNMと D の共振 _y =350 nm、 t =210 nm、 g =490 nmは、 n を増やすことにより、58.4nmの調整範囲で赤方偏移します。 1.0から1.2までの値。 D の条件下でのTLNMの共振 _y =450 nm、 t =280 nm、 g =580 nmは、 n を増やすことにより、78.2nmの調整範囲で赤方偏移します。 1.0から1.2までの値。これらの2つのケースの中で、TLNMはほぼ完全な吸収を示し、反射強度の変動は5％未満です。反射スペクトルはTAMの反射スペクトルよりも安定しています。共鳴と n の関係 値は、2つのケースについてそれぞれ図7c、dにプロットされています。 D を使用したTLNMの状態の場合 _y =350 nm、 t =210 nm、 g =490 nm、感度と平均FWHM値はそれぞれ291.4 nm / RIUと3nmです。対応するFOMは、図7cに示すように97として計算されます。 D を使用したTLNMの状態の場合 _y =450 nm、 t =280 nm、 g =580 nm、感度と平均FWHM値はそれぞれ390.3 nm / RIUと4nmです。対応するFOMは図7dに示すように97.5と計算され、図6に示すTAMの7倍に向上しています。これは、TLNMが環境センサーアプリケーションで使用するのに優れたセンシング性能を示すことを意味します。

さまざまな屈折率（ n ）を持つ周囲環境にさらされたTLNMの反射スペクトル ） a の条件下で D _y =350 nm、 t =210 nm、 g =490 nm、 b D _y =450 nm、 t =280 nm、 g =580nm。 c 、 d 共鳴の関係、 n それぞれ値と対応するFWHM値

結論

結論として、上にAlミラー層でコーティングされたSi基板上の吊り下げられた長方形のAlおよび楕円形のLNメタ表面に基づく調整可能な高効率カラーフィルターの2つの設計を提示します。 D のさまざまな構成を変更する _x 、 g 、および t TAMとTLNMの値では、電磁応答は、可視スペクトル範囲全体にわたって超高効率で完全な吸収を実行できます。 g を増やすことによって 値の場合、TAMとTLNMの共振はそれぞれ110.7nmと117.6nmに調整できます。環境センシングアプリケーションの場合、TAMは481.5 nm / RIUの超高感度を示し、TLNMは97.5の超高FOM値を示します。 TLNMのFWHMは最大で10倍に向上し、FOMはTAMのFWHMと比較して7倍向上する可能性があります。超狭帯域の上記の特性、特にTLNMの3 nmのFWHM、完全な吸収、およびAlまたはLNメタ表面を注入することによって可視スペクトルで同時に報告されることはめったにない広い調整範囲によると、提案されたデバイスが高色純度の超高感度カラーフィルター、ディスプレイおよびイメージング技術用の高解像度、集積光学に望ましい高効率の調整可能な吸収体、屈折率センサーなど、多くのアプリケーションで使用される可能性があります。これらのアプリケーションの中で、TLNMはより高いFOMでパフォーマンスを発揮しますTAMは屈折率センサーに対してより高い感度を備えていますが、FWHMはより狭くなっています。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された記事に含まれています。

略語

MCF：

メタサーフェスカラーフィルター

LN：

ニオブ酸リチウム

TAM：

調整可能なアルミニウムメタサーフェス

TLNM：

調整可能なLNメタサーフェス

F-P：

ファブリペロー

FOM：

性能指数

IR：

赤外線

THz：

テラヘルツ

FDTD：

有限差分時間領域

PML：

完全一致レイヤー