Разработка инфракрасного оптического поглотителя с использованием массива серебряных наноколец, изготовленного волчком.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7770 (2023) Цитировать эту статью

282 доступа

Подробности о метриках

В данной статье представлено численное моделирование и изготовление метаповерхности, состоящей из серебряных наноколец с зазором в виде расщепленного кольца. Эти наноструктуры могут демонстрировать оптически индуцированные магнитные реакции с уникальными возможностями контроля поглощения на оптических частотах. Коэффициент поглощения серебряного нанокольца был оптимизирован путем параметрического исследования с использованием моделирования в области конечных разностей во временной области (FDTD). Для оценки влияния внутреннего и внешнего радиусов, толщины и зазора расщепленного кольца одного нанокольца, а также коэффициента периодичности для группы из четырех наноколец численно рассчитаны сечения поглощения и рассеяния наноструктур. Это продемонстрировало полный контроль над резонансными пиками и усилением поглощения в ближнем инфракрасном спектральном диапазоне. Экспериментальное изготовление этой метаповерхности из массива серебряных наноколец достигается методами электронно-лучевой литографии и металлизации. Затем проводятся оптические характеристики и сравниваются с численным моделированием. В отличие от обычных метаповерхностей микроволнового расщепленного кольцевого резонатора, описанных в литературе, настоящее исследование показывает как реализацию нисходящим процессом, так и моделирование, выполняемое в инфракрасном диапазоне частот.

Проектирование поглощающих метаповерхностей в видимом и инфракрасном диапазонах является ключевым в различных областях, таких как солнечная тепловая и фотоэлектрическая энергетика, оптоэлектроника (фотодетекторы, датчики и т. д.) или даже для функциональных материалов, требующих селективных поглотителей1,2,3,4,5,6 ,7. Возможность использовать субволновые наноструктуры для настройки взаимодействия света с материей вызвала огромный интерес в последнее десятилетие благодаря множеству уникальных оптических свойств, которые могут быть достигнуты с помощью метаматериалов или метаповерхностей, которые по определению не встречаются в природе8,9 ,10,11,12,13,14. Среди этих возможностей металлические резонаторы с разъемным кольцом являются хорошо известными метаматериалами, обеспечивающими уникальные возможности управления реакцией на электрические и магнитные компоненты света в видимом15,16,17 и инфракрасном диапазонах [ближнем инфракрасном (NIR) и коротковолновом инфракрасном диапазоне (NIR). SWIR)]18,19,20. Помимо резонансов электрического характера, металлические резонаторы с разъемным кольцом поддерживают оптически индуцированные магнитные резонансы благодаря своей круглой форме21,22,23,24,25,26. Электрические и магнитные поля могут усиливаться и, следовательно, вызывать усиление свойств поглощения на резонансной длине волны19,27,28. Кроме того, разрезные кольцевые резонаторы предоставляют уникальные возможности точного управления световым откликом в зависимости от их геометрических параметров. Конструкция нанокольца обеспечивает отличную платформу для легкой настройки свойств плазмонного резонанса благодаря точному набору параметров: внутреннему и внешнему радиусам, зазору разрезного кольца и толщине структуры29,30. Для реализации таких резонаторов с разрезным кольцом было изучено несколько технологических подходов17,31,32,33. Например, недавно мы предложили инновационный подход «снизу вверх»34 для изготовления нанофотонных поверхностей из строительных блоков коллоидных нанокубов, показывающий потенциал, который может изменить правила игры в недорогом производстве метаповерхностей35,36. Это предыдущее исследование позволило нам определить ограничения на проектирование метаповерхностей, которые не рассматривались в предыдущих отчетах37,38. Эти технологические ограничения были учтены в данном исследовании, в котором на этот раз используется нисходящий процесс. Здесь изготовление массива серебряных наноколец достигается методами электронно-лучевой литографии и металлизации. Цель состоит в том, чтобы оптимизировать проект метаповерхности благодаря моделированию FDTD и проверить модель благодаря хорошо известному надежному методу изготовления. Следовательно, как моделирование FDTD, так и изготовление сверху вниз выполняются с учетом конструктивных ограничений. Мы предлагаем набор реалистичных параметров массивов наноколец для достижения увеличения поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне (λ = 1000–2000 нм), что может быть привлекательным для большого количества оптоэлектронных приложений39,40,41. Серебро выбрано в качестве составного материала из-за его превосходных оптических и электронных свойств42.