Progettazione di un assorbitore ottico a infrarossi utilizzando una matrice di nanoanelli d'argento costituita da una parte superiore

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 7770 (2023) Citare questo articolo

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Questo articolo presenta la simulazione numerica e la fabbricazione di una metasuperficie composta da nanoanelli d'argento con un gap ad anello diviso. Queste nanostrutture possono mostrare risposte magnetiche indotte otticamente con possibilità uniche di controllare l'assorbimento alle frequenze ottiche. Il coefficiente di assorbimento del nanoanello d'argento è stato ottimizzato eseguendo uno studio parametrico con simulazioni nel dominio del tempo a differenza finita (FDTD). Le sezioni trasversali di assorbimento e diffusione delle nanostrutture vengono calcolate numericamente per valutare l'impatto dei raggi interno ed esterno, lo spessore e lo spazio tra gli anelli divisi di un nanoanello, nonché il fattore di periodicità per un gruppo di quattro nanoanelli. Ciò ha mostrato il pieno controllo sui picchi di risonanza e il miglioramento dell'assorbimento nella gamma spettrale del vicino infrarosso. La fabbricazione sperimentale di questa metasuperficie costituita da una serie di nanoanelli d'argento è ottenuta mediante litografia e metallizzazione a fascio elettronico. Vengono quindi effettuate caratterizzazioni ottiche e confrontate con le simulazioni numeriche. Contrariamente alle consuete metasuperfici di risonatori ad anello diviso a microonde riportate in letteratura, il presente studio mostra sia la realizzazione mediante un processo top-down sia la modellazione eseguita nella gamma di frequenze dell'infrarosso.

La progettazione di metasuperfici assorbenti nelle gamme del visibile e dell'infrarosso è fondamentale in vari settori come il solare termico e il fotovoltaico, l'optoelettronica (fotorilevatori, sensori, ecc.) o anche per materiali funzionali che richiedono assorbitori selettivi1,2,3,4,5,6 ,7. L'opportunità di impiegare nanostrutture sub-lunghezza d'onda per regolare l'interazione luce-materia ha suscitato un enorme interesse durante l'ultimo decennio, grazie alla pletora di proprietà ottiche uniche che possono essere ottenute con metamateriali o metasuperfici, che non si vedono in natura per definizione8,9 ,10,11,12,13,14. Tra queste possibilità, i risonatori metallici ad anello diviso sono metamateriali ben noti che consentono possibilità uniche di controllare la risposta ai componenti elettrici e magnetici della luce nelle bande visibili15,16,17 e infrarosse [vicino infrarosso (NIR) e infrarosso a onde corte ( SWIR)]18,19,20. Oltre alle risonanze di carattere elettrico, i risonatori metallici ad anello diviso supportano risonanze magnetiche indotte otticamente a causa della loro forma circolare21,22,23,24,25,26. I campi elettrici e magnetici possono essere potenziati e di conseguenza causare un miglioramento delle proprietà di assorbimento alla lunghezza d'onda di risonanza19,27,28. Inoltre, i risonatori ad anello diviso offrono possibilità uniche per controllare con precisione la risposta alla luce in base ai loro parametri geometrici. Il design del nanoanello fornisce un'ottima piattaforma per regolare facilmente le proprietà della risonanza plasmonica grazie a un insieme preciso di parametri: i raggi interno ed esterno, il gap dell'anello diviso e lo spessore della struttura29,30. Sono stati studiati diversi approcci tecnologici per la realizzazione di tali risonatori split-ring17,31,32,33. Ad esempio, abbiamo recentemente proposto un approccio innovativo dal basso verso l'alto34 per la fabbricazione di superfici nanofotoniche da blocchi di nanocubi colloidali, mostrando il potenziale per essere un punto di svolta nella fabbricazione a basso costo di metasuperfici35,36. Questo studio precedente ci ha permesso di definire restrizioni sulla progettazione della metasuperficie che non erano state considerate nei rapporti precedenti37,38. Questi vincoli tecnologici sono stati presi in considerazione in questo studio, che questa volta utilizza un processo top-down. Qui, la fabbricazione della matrice di nanoanelli d'argento è ottenuta mediante litografia e metallizzazione a fascio elettronico. L'obiettivo è ottimizzare la progettazione della metasuperficie grazie a simulazioni FDTD e validare il modello grazie a un noto metodo di fabbricazione affidabile. Di conseguenza, sia la simulazione FDTD che la fabbricazione top-down vengono eseguite considerando i vincoli di progettazione. Proponiamo una serie di parametri realistici di array di nanoanelli per ottenere un miglioramento dell'assorbimento nella gamma del vicino infrarosso (λ = 1000–2000 nm) che può essere interessante per un gran numero di applicazioni optoelettroniche39,40,41. L'argento viene scelto come materiale costituente per le sue eccellenti proprietà ottiche ed elettroniche42.