Projeto de absorvedor óptico de infravermelho usando arranjo de nanoanéis de prata feito por um top

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 7770 (2023) Citar este artigo

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Este artigo apresenta a simulação numérica e a fabricação de uma metasuperfície composta por nanoanéis de prata com um split-ring gap. Essas nanoestruturas podem exibir respostas magnéticas induzidas opticamente com possibilidades únicas de controlar a absorção em frequências ópticas. O coeficiente de absorção do nanoring de prata foi otimizado por meio da realização de um estudo paramétrico com simulações no Domínio do Tempo de Diferenças Finitas (FDTD). As seções transversais de absorção e espalhamento das nanoestruturas são calculadas numericamente para avaliar o impacto dos raios interno e externo, a espessura e a abertura do anel dividido de um nanoring, bem como o fator de periodicidade para um grupo de quatro nanorings. Isso mostrou controle total nos picos de ressonância e aumento da absorção na faixa espectral do infravermelho próximo. A fabricação experimental desta metasuperfície feita de uma matriz de nanoanéis de prata é realizada por litografia e metalização por feixe eletrônico. As caracterizações ópticas são então realizadas e comparadas com as simulações numéricas. Em contraste com metasuperfícies usuais de ressonadores de anel dividido de micro-ondas relatadas na literatura, o presente estudo mostra tanto a realização por um processo top-down quanto a modelagem realizada na faixa de frequência infravermelha.

O projeto de metasuperfícies absorventes nas faixas visível e infravermelha é fundamental em vários domínios, como solar térmico e fotovoltaico, optoeletrônico (fotodetectores, sensores, etc.) ou mesmo para materiais funcionais que requerem absorvedores seletivos1,2,3,4,5,6 ,7. A oportunidade de empregar nanoestruturas de subcomprimento de onda para ajustar a interação luz-matéria despertou enorme interesse durante a última década, graças à infinidade de propriedades ópticas únicas que podem ser alcançadas com metamateriais ou metasuperfícies, que não são vistas na natureza por definição8,9 ,10,11,12,13,14. Dentre essas possibilidades, os ressonadores metálicos split-ring são metamateriais bem conhecidos que permitem possibilidades únicas de controlar a resposta aos componentes elétricos e magnéticos da luz nas bandas visível15,16,17 e infravermelha [infravermelho próximo (NIR) e infravermelho de ondas curtas ( SWIR)]18,19,20. Além das ressonâncias de caráter elétrico, os ressonadores de anéis divididos metálicos suportam ressonâncias magnéticas opticamente induzidas devido ao seu formato circular21,22,23,24,25,26. Campos elétricos e magnéticos podem ser intensificados e, consequentemente, causar um aumento das propriedades de absorção no comprimento de onda de ressonância19,27,28. Além disso, os ressonadores de anel dividido permitem possibilidades únicas para controlar com precisão a resposta à luz, dependendo de seus parâmetros geométricos. O design do nanoring fornece uma ótima plataforma para ajustar facilmente as propriedades de ressonância plasmônica graças a um conjunto preciso de parâmetros: os raios interno e externo, a lacuna do anel dividido e a espessura da estrutura29,30. Várias abordagens tecnológicas têm sido estudadas para a realização de tais ressonadores de anel dividido17,31,32,33. Por exemplo, propusemos recentemente uma abordagem inovadora de baixo para cima34 para a fabricação de superfícies nanofotônicas a partir de blocos de construção de nanocubos coloidais, mostrando o potencial de ser um divisor de águas na fabricação de metasuperfícies de baixo custo35,36. Este estudo anterior nos permitiu definir restrições no desenho da metasuperfície que não são consideradas em relatórios anteriores37,38. Essas restrições tecnológicas foram consideradas neste estudo, que desta vez usa um processo top-down. Aqui, a fabricação da matriz de nanoanéis de prata é realizada por litografia e metalização por feixe eletrônico. O objetivo é otimizar o projeto da metasuperfície graças às simulações FDTD e validar o modelo graças a um método de fabricação confiável e conhecido. Consequentemente, tanto a simulação FDTD quanto a fabricação top-down são feitas considerando as restrições de projeto. Propomos um conjunto de parâmetros realistas de matrizes de nanoanéis para alcançar um aumento de absorção na faixa do infravermelho próximo (λ = 1000–2000 nm) que pode ser atraente para um grande número de aplicações optoeletrônicas39,40,41. A prata é escolhida como material constituinte devido às suas excelentes propriedades ópticas e eletrônicas42.