가시광 응용을 위한 망간 기반 광대역 메타물질 흡수체 설계 및 최적화

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 11937(2023) 이 기사 인용

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메타물질 흡수체는 포토닉스에서의 잠재적인 응용으로 인해 광범위하게 연구되었습니다. 본 논문에서는 최상층에 모양의 패턴이 있는 망간-실리카-망간 3층 구조를 기반으로 하는 고효율 광대역 메타물질 흡수체(BMA)를 제시합니다. 최대 흡수 효율을 위해 제안된 흡수체의 기하학적 매개변수는 PSO(Particle Swarm Optimization)를 기반으로 최적화되었습니다. 190nm 두께의 최적 구조는 가시광선 대역(400~800)nm에 걸쳐 94% 이상의 흡수율과 98.72%의 평균 흡수율을 달성할 수 있으며, 365~888nm 범위에서는 90% 이상의 흡수율을 달성할 수 있습니다. 447~717nm 범위에서 이 디자인은 99% 이상의 흡수율을 나타내어 270nm의 초광대역폭을 제공합니다. 흡수의 물리적 메커니즘은 전기장과 자기장 분포의 탐구를 통해 설명됩니다. 또한 제안된 구조는 경사 입사 하에서 TE 및 TM 편광 모두에 대해 최대 70°의 넓은 입사각에 대해 85% 흡수 안정성을 유지합니다. 또한 흡수 능력이 뛰어난 최적화된 흡수체 구조로 광학 센서, 열 방출기, 컬러 이미징 응용 분야를 포함한 다양한 응용 분야에 적합합니다.

지난 10년 동안 금속-절연체-금속(MIM)1,2으로 만들어진 서브파장 크기 단위 셀로 제작된 메타물질 흡수체(MA)에 많은 관심이 있었습니다. 음의 투자율 및 음의 유전 상수3,4와 같은 메타물질의 독특한 전자기(EM) 특성을 통해 태양 에너지 수확5, 무선 통신6, 센서7과 같은 다양한 응용 분야에 효율적으로 적용할 수 있습니다. MA 디자인을 기반으로 한 광범위한 연구가 발표되었습니다. EM 메타물질이 작동하는 스펙트럼 범위에 따라 테라헤르츠8, 가시광선 및 적외선(IR) 영역9,10,11을 포함한 다양한 주파수에서 쉽게 작동될 수 있습니다. 흡수 대역폭 분류를 위해 협대역 MA는 열 방출 조작, 센서, 나노 안테나 및 공진기에서 응용 분야를 찾습니다. 반면에 광대역 흡수체는 열 방출기, 태양 에너지 변환기 및 기타 다양한 광전자 응용 분야에 사용됩니다14,15.

최근 몇 년 동안 흡수 대역폭을 넓혀 성능을 개선하고 기능을 향상시키는 다양한 연구 활동이 있었습니다. 광대역 흡수를 달성하기 위한 첫 번째 접근 방식은 다양한 크기의 다중 공진기를 통합하여 흡수체 단위 셀을 형성함으로써 다중 공진을 사용하는 것입니다. 이러한 흡수체는 관련된 공진기의 기하학적 구조와 구조적 치수를 변경하여 원하는 흡수 스펙트럼 특성을 달성하는 데 높은 유연성을 제공합니다. 두 번째 접근법은 흡수 스펙트럼 대역폭을 넓히기 위해 유전체 층으로 분리된 수직 방향에서 서로 다른 기하학적 매개 변수를 가진 다층 구조를 사용하는 것입니다. 그러나 더 많은 레이어를 추가하면 복잡한 미세 가공 프로세스와 비용 증가가 수반됩니다. 이는 메타물질 흡수체의 발전을 방해할 수 있습니다. 결과적으로, 고효율 흡수를 달성할 수 있는 간단한 토폴로지 메타물질을 만드는 것이 필수적입니다.

MIM 구성은 흡수 대역폭을 향상시킬 수 있습니다. 현재까지 강도와 광대역 모두에서 MA 구조의 흡수를 최대화하기 위한 여러 연구가 제안되었습니다. 가장 일반적인 방법은 구조 치수를 최적화하고 메타물질 구조의 상단 표면 금속층을 형성하는 것입니다. 예를 들어 평균 흡광도가 97.85%인 삼각형 프리즘 모양의 메타물질 흡수체는 200~2980nm 범위에서 거의 완벽한 흡수를 달성했습니다. 두 배 크기의 도끼 모양 공진기를 갖춘 또 다른 MA 구조는 가시광선부터 근적외선 스펙트럼 범위(예: 320~982nm)에서 90% 이상의 흡수율을 보여주었습니다. 또한 Majid Aalizadeh는 가시광선에서 중적외선 범위(예: 478~3278nm)에 걸친 광 흡수를 위한 나노디스크 모양 공진기를 기반으로 하는 메타물질 설계를 도입하여 광대역 흡수를 구현했습니다.