Новости

Aug 16, 2023

Разработка и оптимизация широкополосного поглотителя метаматериалов на основе марганца для видимых применений

Scientific Reports, том 13, номер статьи: 11937 (2023) Цитировать эту статью 1017 Доступов 2 Подробности Altmetric Metrics Поглотители метаматериалов были тщательно исследованы из-за их потенциала.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 11937 (2023) Цитировать эту статью

1017 доступов

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Поглотители из метаматериалов были тщательно исследованы из-за их потенциального применения в фотонике. В данной статье представлен высокоэффективный широкополосный поглотитель из метаматериала (БМА) на основе трехслойной структуры марганец-кремнезем-марганец с фигурным рисунком в верхнем слое. Для максимальной эффективности поглощения геометрические параметры предлагаемого поглотителя были оптимизированы на основе оптимизации роя частиц (PSO). Оптимальная структура толщиной 190 нм позволяет достичь поглощения более 94% в видимом диапазоне (400–800) нм со средним поглощением 98,72% и поглощением более 90% в диапазоне от 365 до 888 нм. В диапазоне от 447 до 717 нм конструкция обеспечивала поглощающую способность выше 99%, обеспечивая сверхширокую полосу пропускания 270 нм. Физический механизм поглощения иллюстрируется исследованием распределения электрического и магнитного полей. Кроме того, предложенная структура сохраняет стабильность поглощения на уровне 85% для широких углов падения до 70° как для TE, так и для TM поляризаций при наклонном падении. Кроме того, оптимизированная структура поглотителя с отличными поглощающими способностями делает его пригодным для различных применений, включая оптические датчики, тепловые излучатели и приложения для цветного изображения.

В последнее десятилетие возник большой интерес к метаматериальным поглотителям (МА), которые построены из элементарных ячеек субволнового размера, изготовленных из металла-изолятора-металла (МИМ)1,2. Отличительные электромагнитные (ЭМ) свойства метаматериалов, такие как их отрицательная проницаемость и отрицательная диэлектрическая проницаемость3,4, позволяют эффективно применять их в различных приложениях, таких как сбор солнечной энергии5, беспроводная связь6 и датчики7. Опубликованы обширные исследования, основанные на проектах МА. В зависимости от диапазона спектра, в котором работает ЭМ-метаматериал, он может легко работать на разных частотах, включая терагерцовый8, видимый и инфракрасный (ИК) режимы9,10,11. Для классификации полосы поглощения узкополосные МА находят применение в манипулировании тепловым излучением, датчиках, наноантеннах и резонаторах12,13. С другой стороны, широкополосные поглотители используются в тепловых излучателях, преобразователях солнечной энергии и во множестве других оптоэлектронных приложений14,15.

В последние годы был проведен широкий спектр исследовательской деятельности, направленной на расширение полосы поглощения для улучшения производительности и расширения возможностей. Первый подход к достижению широкополосного поглощения заключается в использовании мультирезонансов путем объединения нескольких резонаторов различных размеров для формирования элементарной ячейки поглотителя. Такие поглотители обеспечивают высокую гибкость в достижении желаемых спектральных свойств поглощения за счет изменения геометрии и структурных размеров задействованных резонаторов16,17,18. Второй подход заключается в использовании многослойных структур с разными геометрическими параметрами в вертикальном направлении, разделенных диэлектрическими слоями, для расширения спектральной полосы поглощения19,20. Однако добавление большего количества слоев влечет за собой сложные процессы микрообработки и увеличение затрат. Это может препятствовать развитию поглотителей метаматериалов. Следовательно, крайне важно создать метаматериал с простой топологией, способный обеспечить высокоэффективное поглощение21,22.

Конфигурация MIM может обеспечить улучшение полосы поглощения. На сегодняшний день было предложено несколько исследований по максимизации поглощения МА-структур как в интенсивном, так и в широкополосном режиме10,23. Наиболее распространенным методом является оптимизация размеров структуры и формирование верхнего поверхностного металлического слоя структуры метаматериала. Например, поглотитель из метаматериала треугольной призматической формы со средним коэффициентом поглощения 97,85% достиг почти идеального поглощения в диапазоне от 200 до 2980 нм24. Другая МА-структура с топорообразным резонатором удвоенного размера продемонстрировала поглощение более 90% в видимом и ближнем ИК-диапазоне спектра (т.е. от 320 до 982 нм)25. Кроме того, Маджид Аализаде представил дизайн метаматериала, основанный на резонаторе в форме нанодиска для поглощения света, охватывающего видимый и средний инфракрасный диапазон (т.е. от 478 до 3278 нм), что приводит к широкой полосе поглощения26.