可視用途向けのマンガンベースの広帯域メタマテリアル吸収体の設計と最適化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11937 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

メタマテリアル吸収体は、フォトニクスへの応用の可能性があるため、広範囲に研究されてきました。 この論文では、最上層に成形パターンを備えたマンガン、シリカ、マンガンの 3 層構造に基づく高効率のブロードバンド メタマテリアル アブソーバー (BMA) を紹介します。 吸収効率を最大化するために、提案された吸収体の幾何学的パラメーターは粒子群最適化 (PSO) に基づいて最適化されています。 厚さ 190 nm の最適な構造は、可視帯域 (400 ～ 800) nm にわたって 94% 以上の吸収 (平均吸収率 98.72%)、および 365 ～ 888 nm の範囲で 90% 以上の吸収を達成できます。 447 ～ 717 nm の範囲で、この設計は 99% 以上の吸収率を示し、270 nm の超広帯域幅を実現しました。 吸収の物理的メカニズムは、電場と磁場の分布の調査を通じて説明されます。 さらに、提案された構造は、斜め入射下の TE 偏光と TM 偏光の両方について、最大 70° までの広い入射角に対して 85% の吸収安定性を維持します。 さらに、優れた吸収能力を備えた最適化された吸収体構造により、光センサー、熱エミッター、カラーイメージング用途などのさまざまな用途に適しています。

過去 10 年間、金属 - 絶縁体 - 金属 (MIM) で作られたサブ波長サイズの単位セルで構築されたメタマテリアル アブソーバー (MA) に多くの関心が寄せられてきました 1,2。 負の透磁率や負の誘電率 3,4 など、メタマテリアルの独特の電磁 (EM) 特性により、太陽エネルギーハーベスティング 5、無線通信 6、センサー 7 などのさまざまな用途に効率的に適用できます。 MA 設計に基づく広範な研究が発表されています。 EM メタマテリアルが動作するスペクトル範囲に応じて、テラヘルツ 8、可視、赤外線 (IR) 領域 9、10、11 を含むさまざまな周波数で簡単に動作する可能性があります。 吸収帯域幅分類の場合、狭帯域 MA は熱放射操作、センサー、ナノアンテナ、共振器に応用されています 12、13。 一方、広帯域吸収体は、熱エミッタ、太陽エネルギー変換器、およびその他のさまざまな光電子応用に使用されます14、15。

近年、吸収帯域幅を広げて性能を向上させ、能力を向上させる幅広い研究活動が行われています。 広帯域吸収を達成するための最初のアプローチは、さまざまなサイズの複数の共振器を統合して吸収体ユニットセルを形成することによって多重共振を使用することです。 このような吸収体は、関与する共振器の幾何学的形状および構造的寸法を変えることによって、所望の吸収スペクトル特性を達成する際に高い柔軟性を提供する16、17、18。 2 番目のアプローチは、垂直方向に異なる幾何学的パラメータを持つ多層構造を使用し、誘電体層で分離して吸収スペクトル帯域幅を広げることです 19,20。 ただし、さらに多くの層を追加すると、複雑な微細加工プロセスが必要となり、コストが増加します。 これは、メタマテリアル吸収体の進歩を妨げる可能性があります。 したがって、高効率の吸収を達成できるシンプルなトポロジーのメタマテリアルを作成することが不可欠です21,22。

MIM 構成により、吸収帯域幅を強化できます。 現在までに、強度と広帯域の両方で MA 構造の吸収を最大化するためのいくつかの研究が提案されています 10,23。 最も一般的な方法は、構造の寸法を最適化し、メタマテリアル構造の上面の金属層を成形することです。 たとえば、平均吸光度 97.85% の三角プリズム形状のメタマテリアル吸収体は、200 ～ 2980 nm の範囲でほぼ完全に吸収を達成しました24。 2 倍のサイズの軸型共振器を備えた別の MA 構造は、可視から近赤外のスペクトル範囲 (つまり、320 ～ 982 nm) で 90% 以上の吸収を示しました。 さらに、Majid Aalizadeh は、可視から中赤外範囲 (つまり、478 ～ 3278 nm) にわたる光吸収のためのナノディスク型共振器に基づくメタマテリアル設計を導入し、広帯域吸収を実現しました 26。