Plasmonic metamaterial based structures for designing of multiband and thermally tunable light absorbers, multiple thermal infrared emitter, and high-contrast asymmetric transmission optical diode

Alt dalga boyu nanoyapılara sahip metamalzemeler, doğal malzemelerle gözlemlenemeyen egzotik elektromanyetik özelliklere sahip bir sentetik malzeme sınıfını ifade eder. Negatif kırılma indisi, asimetrik ışık iletimi, görünmez perdeleme ve lazer bu özelliklere örnektir. Bu olası uygulamalar arasında, ışığın sınırlandırılması ve dalga boyu altı yapılar tarafından hasat edilmesi kavramı, termal emisyon, optik modülatör, algılama ve fotodedektörlere kadar uzanan yaygın uygulamaları nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Burada, seçici termal emisyonlar ve sensörler için görünür ve yakın kızılötesi aralıklarda dört farklı uygulama alanında, yani 1) hibrit indiyum kalay oksit-Au meta malzeme soğurucu alt dalga boyu yapılarına sahip metamalzemeleri öneriyor ve tasarlıyoruz. 2) Optik modülatör için bir alt dalga boyu VO2 kullanarak dar banttan geniş bant soğuruculara aktif ayarlama. 3) Çoklu termal kızılötesi uygulamalarla uyumlu, spektral olarak seçici bir nanoanten yayıcı. 4) Doğrusal polarize dalgaların yüksek kontrastlı asimetrik iletimi gibi diyot. İlk çalışmada, görünür ve yakın Kızılötesi (nır) dalga boylarına [sırasıyla 773 nm ve 900 nm] odaklanan iki dar bant emme tepkisine sahip çok bantlı bir MPA ve NIR bölgesindeki başka bir pencerede geniş bant emici bir özellik öneriyoruz [1,530 nm'den 2,700 nm'ye kadar 1,170 nm bant genişliği ile]. MPA, bir SiO2 tabakası ile optik olarak kalın bir alt reflektörden ayrılan periyodik bir dizi kendinden hizalı hibrit indiyum kalay oksit (ITO)-Au bölünmüş halka rezonatöründen oluşur. Yarı analitik bir inceleme ile birlikte verilen sayısal hesaplamalara dayanarak, çift dar bant ve geniş bant tepkilerinin, altının optik tepkilerinin Ito ile plazmonik bir malzeme olarak hibridizasyonuna atfedildiğini görüyoruz. ITO'NUN görünür aralıkta düşük kayıplı bir dielektrik ve NIR bölgesinde kayıplı bir plazmonik malzeme olarak hareket ettiğini unutmayın. Ayrıca, metamateryalin birim hücresindeki uygulanan simetri nedeniyle, önerilen MPA polarizasyona duyarsız ve çok yönlü emici özellikleri temsil eder. Önerilen altyapı, seçici termofotovoltaik cihazlarda, termal yayıcılarda ve sensörlerde potansiyel uygulamalar bulabilir. İkinci çalışmada, metal-dielektrik plazmonik bir yapıya gömülü vanadyum dioksit (VO2) tarafından sağlanan çeşitli işlevlere sahip bir MPA öneriyoruz. İlk tasarım amacı için, bir gümüş (Ag) ayna üzerinde bir silikon (Si) nanograsyonun, yakın Kızılötesi (NIR) bölgesinde çoklu rezonans tepkilerine sahip olması önerilmektedir. Sonra, doğru konumda eklenen ince bir VO2 katmanı yapıyı aç/kapat anahtar ve rezonans ayarlayıcı olarak kullanılmasını sağlar. VO2'NİN geçirgenlik verilerinin Si'ninkine benzer olduğu VO2'NİN izolatör fazında, NIR bölgesi içinde çift güçlü bir rezonans davranışı elde edilir. Sıcaklığı arttırarak, VO2 durumu izolatörden metale dönüşür, böylece emme bantları yakın spektral pozisyonlara sahip üç farklı rezonans zirvesine dönüşür. Bu dönüşüm üzerine, yeni bir rezonans ortaya çıkar ve mevcut rezonans özellikleri spektral alanda Mavi/Kırmızı kaymalar yaşar. Bu zirvelerin süperpozisyonu, genel emilim bant genişliğini geniş yapar. Si, küçük bir termo-optik katsayıya sahip olmasına rağmen, ultra küçük boşluklarda güçlü ışık hapsi nedeniyle, Si nanogratings içinde önemli bir ayar elde edilebilir. Bu nedenle, önerilen hibrit tasarım, geniş bir yelpazeyi kapsayacak şekilde çok rezonanslı ayarlanabilir özellikler sağlayabilir ve doğrusal olarak termal olarak ayarlanabilir ve geniş bant Mpa'ların tasarımı için umut verici bir strateji olabilir. Önerilen çift ayar özelliği sayesinde, rezonans dalga boyları geniş bir dalga boyu aralığını kapsayan sıcaklığa karşı büyük hassasiyet gösterir. Genel olarak, önerilen tasarım stratejisi, ince bir VO2 tabakasının plazmonik emicilerle entegrasyonu ile sağlanan çeşitli işlevleri göstermektedir. Üçüncü çalışmada, çoklu Kızılötesi uygulamaları karşılamak için bir metal-izolatör-metal konfigürasyonu (Gümüş (Ag) tabakaları arasına sıkıştırılmış silikon dioksit (SiO2)) kullanarak boşluk yüzey plazmon modlarının uyarılmasına dayanan bir dalga boyu seçici nanoantenna yayıcı tasarlıyoruz. 3-5 mikron ve 8-12 mikron atmosferik şeffaflık pencereleri nispeten düşük emisyon korurken tasarım I olarak adlandırılan önerilen tasarım, atmosferik emme bantlarıyla eşleşen, nm, nm, and nm rezonans dalga boylarında üçlü dar mükemmel emilimleri sağlar. Daha sonra, Tasarım II olarak adlandırılan tasarım I'in işlevselliği, nanoantenna yayıcıdan gelen güneş ışınımı yansımasını en aza indirmek için yakın Kızılötesi bölgede geniş bant emilimini içerecek şekilde genişletilir. Son olarak, önerilen nanoantenna yayıcının (tasarım II) Kızılötesi imzasının gerçek zamanlı olarak ayarlanmasını sağlamak için tek ve üç katmanlı grafen tanıtılmıştır. Ayrıca, üç katmanlı grafen yapısının, SiO2 tabakasının içsel titreşim modları (optik fononlar) ile ilgili istenmeyen bir emme rezonans dalga boyunu, tek katmanlı olan için %25.53'e kıyasla %53.19 oranında baskılayabildiği gösterilmiştir. Tasarım I'in spektral analizi, tasarım II'nin analizi için sayısal simülasyon alanının genişletildiği hem analitik hem de sayısal yaklaşımlar kullanılarak doğrulanır. Tasarım I ve tasarım II'nin termal karakteristik analizleri (grafen tabakaları olmadan/olmadan), kara cisim radyasyonunun Kızılötesi imzalarının, tüm dalga boyu spektrumu için sırasıyla oda sıcaklığından 500 K'ye kadar geniş bir sıcaklıkta en az %96 ve %91 oranında önemli ölçüde azaldığını ortaya koymaktadır. Dördüncü ve son çalışmada, yakın Kızılötesi (NIR) bölgesinde yüksek kontrastlı ileri-geri oranına sahip dar bantlı bir optik diyot sunuyoruz. Tasarım, yaklaşık %88'lik bir ileri iletime ve %3'ten daha az bir geriye doğru iletime sahiptir ve 1550 nm dalga boyunda 14.5 dB'den daha büyük bir kontrast oranı sağlar. Yapı, her ikisi de silisyum nitrürden (Si3N4) yapılmış bir dielektrik levha dalga kılavuzunun üstünde tek boyutlu bir kırınım ızgarasından oluşur ve hepsi birlikte bir dielektrik substrat üzerine gömülü bir gümüş (Ag) ince film üzerine yerleştirilir. İnce bir gümüş tabaka üzerinde dielektrik bazlı bir kırınım ızgarası dalga kılavuzunun kullanılması, metalik tabakanın her iki arayüzünde uzun ve kısa menzilli yüzey plazmon polaritonları (Spp'ler) olarak bilinen iki yüzey plazmon modunun eşzamanlı uyarılmasına yol açar. Metalik tabakanın üst arayüzünde uyarılan Spp'lerin radyasyon modlarına bağlanmasının sonucu olan plazmon tünelleme etkisi, yüksek asimetrik iletim (AT) özelliği sağlar. Önerilen yüksek kontrastlı AT Cihazının spektral tepkisi, analitik bir yaklaşım olarak hem sıkı birleştirilmiş dalga analizi hem de sayısal olarak sonlu fark zaman alanı kullanılarak doğrulanır.