Design und Optimierung eines breitbandigen Metamaterialabsorbers auf Manganbasis für sichtbare Anwendungen

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11937 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Metamaterialabsorber wurden aufgrund ihrer möglichen Anwendungen in der Photonik ausführlich erforscht. In diesem Artikel wird ein hocheffizienter Breitband-Metamaterialabsorber (BMA) vorgestellt, der auf einer dreischichtigen Mangan-Siliziumdioxid-Mangan-Struktur mit einem geformten Muster auf der obersten Schicht basiert. Für eine maximale Absorptionseffizienz wurden die geometrischen Parameter des vorgeschlagenen Absorbers auf Basis der Particle Swarm Optimization (PSO) optimiert. Die optimale Struktur mit einer Dicke von 190 nm kann eine Absorption von mehr als 94 % im sichtbaren Band (400–800) nm mit einer durchschnittlichen Absorption von 98,72 % und mehr als 90 % Absorption im Bereich von 365 bis 888 nm erreichen. Im Bereich von 447 bis 717 nm wies das Design ein Absorptionsvermögen von über 99 % auf, was eine extrem große Bandbreite von 270 nm ermöglicht. Der physikalische Mechanismus der Absorption wird durch die Untersuchung der elektrischen und magnetischen Feldverteilungen veranschaulicht. Darüber hinaus behält die vorgeschlagene Struktur eine Absorptionsstabilität von 85 % für große Einfallswinkel von bis zu 70° sowohl für die TE- als auch für die TM-Polarisation bei schrägem Einfall bei. Darüber hinaus eignet es sich aufgrund der optimierten Absorberstruktur mit hervorragenden Absorptionsfähigkeiten für verschiedene Anwendungen, einschließlich optischer Sensoren, thermischer Emitter und Farbbildgebungsanwendungen.

Im letzten Jahrzehnt gab es großes Interesse an Metamaterial-Absorbern (MAs), die aus Elementarzellen im Subwellenlängenbereich aus Metall-Isolator-Metall (MIM)1,2 bestehen. Die charakteristischen elektromagnetischen (EM) Eigenschaften von Metamaterialien, wie ihre negative Permeabilität und negative Dielektrizitätskonstante3,4, ermöglichen eine effiziente Anwendung in verschiedenen Anwendungen, wie etwa der Gewinnung von Solarenergie5, der drahtlosen Kommunikation6 und Sensoren7. Umfangreiche Forschungsarbeiten auf der Grundlage von MA-Entwürfen wurden veröffentlicht. Abhängig vom Spektralbereich, in dem das EM-Metamaterial arbeitet, kann es problemlos für verschiedene Frequenzen betrieben werden, einschließlich Terahertz8, sichtbarem und Infrarot (IR)-Bereich9,10,11. Für die Klassifizierung der Absorptionsbandbreite finden Schmalband-MAs Anwendungen in der Manipulation thermischer Emissionen, Sensoren, Nanoantennen und Resonatoren12,13. Breitbandabsorber hingegen werden in thermischen Emittern, Solarenergiekonvertern und einer Vielzahl anderer optoelektronischer Anwendungen eingesetzt14,15.

In den letzten Jahren gab es zahlreiche Forschungsaktivitäten, die die Absorptionsbandbreite erweitern, um die Leistung zu verbessern und die Fähigkeiten zu steigern. Der erste Ansatz zur Erzielung einer Breitbandabsorption besteht in der Verwendung von Mehrfachresonanzen durch die Integration mehrerer Resonatoren unterschiedlicher Größe zur Bildung einer Absorberelementarzelle. Solche Absorber bieten eine hohe Flexibilität beim Erreichen der gewünschten spektralen Absorptionseigenschaften durch Variation der Geometrie und Strukturabmessungen der beteiligten Resonatoren16,17,18. Der zweite Ansatz besteht darin, mehrschichtige Strukturen mit unterschiedlichen geometrischen Parametern in vertikaler Richtung zu verwenden, die durch dielektrische Schichten getrennt sind, um die spektrale Absorptionsbandbreite zu verbreitern19,20. Das Hinzufügen weiterer Schichten erfordert jedoch komplizierte Mikrofabrikationsprozesse und erhöhte Kosten. Dies kann die Weiterentwicklung von Metamaterialabsorbern behindern. Daher ist es wichtig, ein einfaches Topologie-Metamaterial zu schaffen, das eine hocheffiziente Absorption erreichen kann21,22.

Die MIM-Konfiguration kann eine Verbesserung der Absorptionsbandbreite bewirken. Bisher wurden mehrere Studien vorgeschlagen, um die Absorption von MA-Strukturen sowohl in der Intensität als auch in der Breitbandigkeit zu maximieren10,23. Die gebräuchlichste Methode ist die Optimierung der Strukturabmessungen und die Formung der oberen Metallschicht der Metamaterialstruktur. Beispielsweise hatte ein Metamaterialabsorber in Form eines dreieckigen Prismas mit einer durchschnittlichen Absorption von 97,85 % eine nahezu perfekte Absorption im Bereich von 200 bis 2980 nm24 erreicht. Eine andere MA-Struktur mit einem doppelt großen axtförmigen Resonator zeigte eine Absorption von mehr als 90 % im sichtbaren bis nahen IR-Spektralbereich (d. h. von 320 bis 982 nm)25. Darüber hinaus führte Majid Aalizadeh ein Metamaterialdesign ein, das auf einem nanoscheibenförmigen Resonator für die Lichtabsorption im sichtbaren bis mittleren Infrarotbereich (d. h. von 478 bis 3278 nm) basiert, was zu einer Breitbandabsorption führt26.

Für den sichtbaren Bereich wurden viele Designs untersucht, die auf der MIM-Konfiguration basieren. Vor diesem Hintergrund schlugen Lai et al.27 ein dreischichtiges MA auf Basis von Al-SiO2 mit einem durchschnittlichen Absorptionsvermögen von über 95 % im Bereich von 450 bis 600 nm vor. Allerdings reicht das Wellenlängenband immer noch nicht aus, um den steigenden Anforderungen für Anwendungen wie der Solarenergiegewinnung gerecht zu werden, die eine Ultrabreitbandigkeit mit perfekten Absorptionseigenschaften erfordern. Darüber hinaus werden Polarisation und Schrägeinfallsempfindlichkeit aufgrund der Asymmetriestruktur nicht berücksichtigt. Sultan et al.28 untersuchten einen sternförmigen Resonator mit drei Schichten MA mit über 90 % Absorptionsfähigkeit von 389 bis 697 nm und einer Einfallswinkelstabilität von bis zu 60°. Die x- und y-Abmessungen dieser Struktur sind recht groß. Bilal et al.29 stellten einen ultradünnen Breitbandabsorber vor, der aus Wolfram-Nanodrähten mit einem Absorptionsgrad von mehr als 80 % und einer Bandspanne von 400–750 nm besteht. Es sind jedoch Absorber erforderlich, die das gesamte sichtbare Spektrum mit einem Absorptionsvermögen von mehr als 90 % abdecken.

Optimal ist ein dünner, breitbandiger sichtbarer Absorber mit perfekter Absorption und großem Einfallswinkel. In dieser Arbeit wird ein neuartiger Absorber auf Basis von Mangan (Mn) entwickelt, der eine ultrahohe Absorption für das gesamte Spektrum des sichtbaren Bereichs (400–800 nm) bietet. Die vorgeschlagene Absorberstruktur basiert auf einer MIM-Konfiguration mit einer quadratischen Scheibe, die von einer quadratischen ringförmigen Deckschicht aus Mn und einem dielektrischen Abstandshalter aus SiO2 umgeben ist. Um die beste Leistung des vorgeschlagenen MA-Designs zu erzielen, wird der Particle Swarm Optimization (PSO)-Algorithmus zur Feinabstimmung der geometrischen Parameter der Absorber-Elementarzelle verwendet. Darüber hinaus werden die elektrischen und magnetischen Feldverteilungen diskutiert, um die physikalischen Mechanismen zu klären, die der perfekten Breitbandabsorption zugrunde liegen.

Die schematische Darstellung des vorgeschlagenen Broadband Metamaterial Absorber (BMA) ist in Abb. 1 dargestellt, die von der Lumerical FDTD Solutions-Software30 stammt. Die oberste Schicht einer quadratischen Scheibe, umgeben von einem quadratischen ringförmigen Mn, fungiert als Resonator. Zur Trennung des oberen Resonators von der unteren Mn-Schicht wird dielektrisches Material SiO2 verwendet. Dieser Abstandshalter kann bei der Konstruktion von Fabry-Perot-Hohlräumen helfen und auch eine elektromagnetische Kopplung zwischen dem oberen Resonator und der unteren Mn-Schicht induzieren. Der Grund für die Wahl von Mn als Metallschicht ist sein realer Teil der Permittivität, der sich langsam ändert und das sichtbare Band abdeckt. Dadurch kann die Struktur an die Impedanz des freien Raums angepasst werden, was zu einer starken Durchdringung des Feldes führt22,31. Aufgrund eines großen Imaginärteils der Permittivität weist es außerdem eine starke Absorption auf. Darüber hinaus hat Mn den Vorteil, dass es kostengünstiger ist als Metalle wie Gold, die in verschiedenen strukturierten Breitbandabsorbern22 verwendet wurden. Es ist auch sehr vorteilhaft, kostengünstige Materialien zu verwenden, um eine Kompatibilität für die Massenproduktion zu erreichen. Abbildung 2a zeigt den effektiven Brechungsindex (n) und den Wellenvektor (k) des komplexen Brechungsindex von Mn, die der Brechungsindexdatenbank von Johnson und Christy entnommen sind32. SiO2 wird als dielektrisches Material verwendet, da seine relative Permittivität im optischen Wellenlängenbereich niedrig ist11. Zur Darstellung des Brechungsindex von SiO233 wird das Palik-Modell verwendet.

(a) Schematische Darstellung einer periodischen Anordnung des vorgeschlagenen Breitband-Metamaterialabsorbers. (b) Draufsicht einer einzelnen Absorber-Elementarzelle. (c) Seitenansicht in der Mitte der Absorberelementarzelle, die alle aus der Lumerical FDTD-Lösungssoftware30 extrahiert wurden.

(a) Komplexer Brechungsindex von Mangan (n und k), (b) Flussdiagramm des angewandten PSO-Algorithmus und (c) Die durchschnittliche Absorption mit der Anzahl der Iterationen des angewandten PSO-Algorithmus.

Die vorgeschlagene Absorberstruktur besteht aus drei Schichten Mn–SiO2–Mn mit einer Periodizität (P) von 300 nm. Die obere quadratische Scheibe hat eine Breite von w1 und der quadratische Ring hat eine Länge (l) mit einer Breite (w2). Die Dicken jeder Schicht von oben nach unten betragen h1 und h2 für die obere Schicht, h3 und h4 für das Dielektrikum bzw. das Substrat. Die Dicke des Mn-Substrats wird so gewählt, dass sie größer ist als die Hauttiefe \(\delta \left(\lambda \right)\), bis zu der Wellen eindringen können. Gleichung (1) zeigt, wie die Eindringtiefe eines Leiters berechnet wird34. Dabei ist λ die Wellenlänge (m), ρ der spezifische Widerstand eines Leiters (Ω·m), μ die Permeabilität (H/m) und C die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum (m/s). Für den elektrischen Widerstand von Mn ρ = 144,2 × 10−8 Ω m reicht die Eindringtiefe von einem Tiefstwert von 22 nm bei einer Wellenlänge von 400 nm bis zu einem Höchstwert von 31,2 nm bei einer Wellenlänge von 800 nm35. Somit fungiert das Mn-Substrat mit einer Dicke von 100 nm als perfekter Reflektor, was dazu führt, dass die Strukturtransmission ungefähr Null ist.

Wie bekannt, arbeiten die MA-Strukturen mit unterschiedlichen Metall- und dielektrischen Schichtdicken in unterschiedlichen Frequenzbereichen. Die Dicke ist eine Hauptbeschränkung bei der Realisierung eines perfekten Absorbers. Mit dem Ziel, die Absorption um mehr als 90 % zu maximieren und die Absorberdicke zu minimieren, wird der PSO-Algorithmus verwendet, um die optimale Lösung für dieses Problem zu erreichen. Die geometrischen Parameter des vorgeschlagenen Designs sind entsprechend optimiert für eine perfekte Breitbandabsorption und eine minimale Absorberdicke.

Der Finite-Differenz-Zeitdomänen-Ansatz (FDTD) wird verwendet, um die Absorption für unsere vorgeschlagene Struktur numerisch zu modellieren, und der PSO-Algorithmus wird verwendet, um die geometrischen Parameter zu optimieren. Für FDTD-Simulationen werden Perfectly Matching Layers (PML) entlang der z-Richtung verwendet, während periodische Randbedingungen für die x- und y-Richtung verwendet werden. Die Netzschritteinstellungen betragen jeweils 5 nm, 5 nm und 1 nm in der x-, y- und z-Ebene. Die in den Optimierungsprozess einbezogenen Parameter sind h1, h2, h3, w1 und w2. Die anderen Parameter l und h4 werden durch den Optimierungsprozess auf 250 nm bzw. 100 nm festgelegt. Abbildung 2b veranschaulicht die grundlegenden Schritte des angewandten PSO-Algorithmus anhand eines Flussdiagramms. Nachdem die Anzahl der Partikel, die Anzahl der Iterationen und die Grenzen des Suchraums definiert wurden, beginnt der PSO-Algorithmus mit der zufälligen Generierung von Anfangspartikeln innerhalb eines angegebenen Bereichs. Jedes Teilchen steht für eine mögliche Lösung zur Lösung des Optimierungsproblems. Anschließend wurde die Absorption jedes Partikels mit der FDTD-Methode bei Wellenlängen im Bereich von 400 bis 800 nm gemäß Gl. berechnet. (2), wobei A(λ) und R(λ) Absorption bzw. Reflexion als Funktion der Wellenlänge sind. Die Zielfunktion wird durch die Summierung der Absorption von mehr als 90 % im Bereich von 400–800 nm definiert. Der Optimierungsprozess zielt darauf ab, den Fitnesswert der Zielfunktion auf sein höchstes Potenzial zu steigern.

Die Anzahl der Partikel (N) und Iterationen (t) wurden auf 20 bzw. 50 eingestellt. Bei jeder Iteration wird der maximale Fitnesswert als lokal bester Wert identifiziert. Falls die neue lokale Bestleistung die globale Bestleistung übertrifft, wird die globale Bestleistung mit der neuen lokalen Bestleistung aktualisiert. Als die Anzahl der Iterationen ihr Limit erreichte, endete der Optimierungsprozess. Wenn nicht, werden die Geschwindigkeit der Partikel und ihre neuen Positionen aktualisiert. Der Optimierungsprozess wurde dann wiederholt, bis die optimalen geometrischen Parameter erreicht waren. Die durchschnittliche Absorption der vorgeschlagenen Struktur pro Iteration ist in Abb. 2c dargestellt. Wie gezeigt, bleibt die durchschnittliche Absorption ab Iterationsnummer 12 konstant. Als geometrische Parameter werden daher die Ergebnisse der Iteration Nr. 12 gewählt. Gemäß dem tatsächlichen Vorbereitungsprozess geometrischer Parameter haben wir ihre Werte an reelle ganze Zahlen angenähert. Für jeden Parameter ist in Tabelle 1 der Einstellbereich mit seinem optimalen Wert angegeben.

In diesem Abschnitt werden die Vorteile der Absorptionseigenschaften der vorgeschlagenen MA-Struktur untersucht. Nach Anwendung der optimalen geometrischen Parameter ist das Absorptionsspektrum unter TE-polarisiertem Licht in Abb. 3a dargestellt. Die Struktur weist eine starke Absorption von mehr als 94 % über einen breiten Wellenlängenbereich, beginnend bei 400 nm bis 800 nm, und eine Absorption von mehr als 90 % im Bereich von 365 bis 888 nm auf. Unter Verwendung von Gl. (3) können wir herausfinden, dass die durchschnittliche Absorption im Bereich von 400–800 nm bis zu 98,72 % erreicht. Eine perfekte Absorption (über 99 %) wird von 447 bis 717 nm mit einer Bandbreite von 270 nm erreicht, und eine Spitzenabsorption von bis zu 99,8 % wird bei der Wellenlänge von 655 nm erreicht. Daher zeigen unsere Ergebnisse, dass das vorgeschlagene Design mit den optimierten Parametern eine hervorragende Leistung erbringt.

(a) Absorption des vorgeschlagenen Absorberdesigns mit den optimierten Parametern und (b) effektive Eingangsimpedanz des Absorberdesigns.

Der Grund für die extrem hohe Absorption der vorgeschlagenen Struktur liegt darin, dass ihre Impedanz an die des freien Raums angepasst ist. Wenn die Streuparameter (S-Parameter) bekannt sind, kann man leicht eine theoretische Beobachtung zu dieser Bemerkung treffen. Die Streuparameter für Reflexion und Transmission sind S11 bzw. S21. Aufgrund der dicken metallischen Unterschicht kann S21 einigermaßen gleich Null sein. Die effektive Eingangsimpedanz (Zeff) unseres vorgeschlagenen Absorbers kann aus S-Parametern unter Verwendung von Gleichung erhalten werden. (4) 36,37. Abbildung 3b zeigt die Simulationsergebnisse des normalisierten Zeff für den musterförmigen Mn-Absorber. Es ist deutlich zu erkennen, dass die reale Komponente der Strukturimpedanz nahe bei 1 liegt, während die imaginäre Komponente im sichtbaren Bereich (400–800 nm) nahe bei 0 liegt. Dies bedeutet, dass die Impedanz des musterförmigen Mn-Absorbers eng mit der Impedanz des freien Raums übereinstimmt.

Um weiter zu veranschaulichen, warum die vorgeschlagene MA-Struktur breitbandig und perfekt absorbiert, werden die Verteilungen der elektrischen und magnetischen Felder (|E| und |H|) simuliert und in Abb. 4 dargestellt. Vertikal TE-polarisierte Wellen mit zwei resonanten Wellenlängenspitzen, bei 472 nm und 655 nm auf die Struktur einfallen. Elektrische Verteilungen in der x-y-Ebene sind in Abb. 4a, b dargestellt, und elektrische Verteilungen in der z-y-Ebene sind in Abb. 4c, d dargestellt. Das elektrische Feld konzentriert sich im Bereich zwischen den quadratischen Scheiben- und quadratischen Ringmetallen und konzentriert sich auch um die Metallkanten von Mn. Infolgedessen deuten diese Verteilungen stark darauf hin, dass Oberflächenplasmonpolaritone (SPP) innerhalb der Struktur angeregt werden37. Allerdings sind die Magnetfeldverteilungen deutlich unterschiedlich. Insbesondere bei 472 nm in Abb. 4e wird angenommen, dass es sich bei der Resonanz um eine Propagating Surface Plasmon Resonance (PSP) handelt. Bei der Resonanzwellenlänge von 472 nm sammelte sich das Magnetfeld in der quadratischen Mn-Metalldeckschicht und dem dielektrischen SiO2-Abstandhalter und breitete sich über die angrenzenden Zellen aus. Dies zeigt, dass die PSP-Resonanz für die Absorption um 472 nm verantwortlich ist5,25. Abbildung 4f zeigt, dass das Magnetfeld bei einer Wellenlänge von 655 nm stark im Raum zwischen der oberen quadratischen Mn-Scheibe und der unteren Mn-Schicht lokalisiert ist. Dies bestätigt, dass die lokalisierte Oberflächenplasmonresonanz (LSP) angeregt wurde25,38. Die in Abb. 4e, f dargestellten Magnetfeldverteilungen bestätigen die Anregung von PSP- und LSP-Resonanzen, was die Absorptionsbandbreite weiter erweitert.

Elektrische Feldverteilungen (a,b) in der x-y-Ebene und elektrische Feldverteilungen (c,d) in der z-y-Ebene sowie magnetische Feldverteilungen (e,f) der vorgeschlagenen Elementarzelle bei verschiedenen Resonanzwellenlängenspitzen ( 472 nm bzw. 655 nm).

Darüber hinaus wird ein Vergleich des Absorptionsspektrums des vorgeschlagenen MA mit drei anderen unterschiedlichen Konfigurationen der Oberschichtresonatoren untersucht. Die erste Konfiguration ist ein planarer kontinuierlicher MIM-Film in Abb. 5a, der durchgeführt wird, um die Vorteile von Resonanzmodi zu überprüfen. Die anderen beiden Konfigurationen sind ein quadratischer Ring- und ein quadratischer Scheibenresonator. Die Schichtdicken in allen drei Konfigurationen stimmen mit dem vorgeschlagenen Design überein und es wird eine einzelne quadratische Scheibe mit einer Länge von 100 nm verwendet. Abbildung 5b zeigt das Absorptionsspektrum der drei Konfigurationen mit unserer optimierten Absorberstruktur. Für den planaren kontinuierlichen MIM-Film kann die Absorption einfallender Wellen dem Fabry-Perot-Hohlraum und dem intrinsischen Verlust von Mn zugeschrieben werden. Allerdings ist die Absorption der beiden anderen Konfigurationen (quadratischer Ring- und quadratischer Scheibenresonator) aufgrund plasmonischer Resonanzen deutlich erhöht. Für unseren optimierten Absorber kann der Entwurf einer Struktur mit zwei Resonatoren in der Elementarzelle leicht zu starken Oberflächenplasmonresonanzen führen. Wie bereits gezeigt, werden starke Wechselwirkungen mit einfallenden Wellen erzeugt und regen starke Plasmonresonanzen (SPP, PSP und LSP) an. Daher führt das Vorhandensein sowohl eines quadratischen Scheiben- als auch eines quadratischen Ringresonators zu einer perfekten Absorption.

(a) eine 3D-Ansicht von drei verschiedenen Absorberkonfigurationen mit dem vorgeschlagenen Design und (b) Absorptionsspektrum für alle drei Absorberkonfigurationen mit dem vorgeschlagenen Design.

Ein ausgezeichneter Absorber sollte möglichst robust gegenüber Änderungen des Einfallswinkels (θ) der Quelle sein. Infolgedessen wird das Absorberdesign einer weiteren Simulation für schrägen Einfall mit TE- und TM-Polarisation unterzogen, um die Variationen in der Absorption zu bestimmen. Das Absorptionsspektrum bei schrägem Einfall ist in Abb. 6a,b mit TE- bzw. TM-Polarisation zu sehen. Aufgrund der symmetrischen Geometrie der Struktur absorbiert es einfallende Wellen unabhängig von der Polarisation bei schrägem Einfall bis 70° zu mehr als 85 %. Bei Einfallswinkeln von mehr als 70° nahm die Absorption jedoch aufgrund der Empfindlichkeit resonanter Naturen gegenüber Polarisation und Einfallswinkel deutlich ab. Die meisten früheren Arbeiten testen die Absorberpolarisation bei einem Absorptionsgrad von 70 %, wie in der Vergleichstabelle 2 dargestellt. Daher zeigen die Absorptionskurven eine große Einfallswinkelunempfindlichkeit von bis zu 80° bei 70 % Absorptionsfähigkeit sowohl für TE- als auch für TM-Polarisationen, hauptsächlich aufgrund der hohen Symmetrie39,40. Das ist einer der Vorteile des vorgeschlagenen Absorberdesigns.

Die Strukturabsorption mit Variation des Einfallswinkels für (a) TE- und (b) TM-Polarisation.

Abschließend wird der Einfluss der Verwendung unterschiedlicher Metalle und Dielektrika auf die Strukturabsorption untersucht. Durch Ersetzen von Mn aus dem Oberschichtresonator und der Grundebene durch andere Metalle, ohne andere Abmessungen zu ändern. Die Reaktion des optimierten Absorbers, der aus verschiedenen Metallen wie Au, Cr, Al und TiN besteht, ist in Abb. 7a dargestellt. Es ist deutlich zu beobachten, dass die Absorptionsleistung von Metallen wie Au und Al erheblich leidet. Auch wenn es im Vergleich zu Absorbern auf Basis hochschmelzender Metalle wie Cr und TiN eine deutlich höhere Absorption erreichen könnte. Der Grund für dieses Verhalten kann auf den wellenlängenabhängigen Brechungsindex jedes Metalls zurückgeführt werden. Das Diagramm zeigt auch, dass der Mn-basierte Absorber aufgrund der Strukturimpedanz, die an die des freien Raums angepasst ist, am besten für den vorgeschlagenen Absorber optimiert ist. Die durchschnittlichen Absorptionswerte der genannten Metalle sind in Abb. 7b für den Wellenlängenbereich von 400–800 nm dargestellt. Diese Zahl impliziert, dass es möglich ist, Mn-Metall durch feuerfestes TiN-Metall zu ersetzen, während die durchschnittliche Absorption immer noch hoch ist. Allerdings weist der Absorber auf TiN-Basis im Vergleich zu Mn geringere Absorptionsspektren auf. Abbildung 8 zeigt die Absorptionsspektren des vorgeschlagenen Absorbers für verschiedene dielektrische Materialien. Der Absorber wird mit den drei Dielektrika SiO2, Al2O3 und TiO2 simuliert, wobei die Abmessungen der Struktur und das verwendete Metall (Mn) gleich bleiben. Es zeigt sich, dass sich die Absorption mit zunehmendem Brechungsindex des dielektrischen Materials zu längeren Wellenlängen verschob. Daher trägt das Dielektrikum von SiO2 stärker zur hohen durchschnittlichen Absorption bei als andere Dielektrika.

(a) Absorptionsspektren der optimierten Struktur mit verschiedenen Metallen und (b) Vergleich ihrer durchschnittlichen Absorption.

(a) Absorptionsspektren der optimierten Struktur mit verschiedenen dielektrischen Materialien und (b) Vergleich der durchschnittlichen Absorption.

Der Vergleich früherer Designs für das sichtbare Band ist in Tabelle 2 dargestellt, wobei der Schwerpunkt auf bekannten Merkmalen wie Absorptionsbandbreite, Abmessungen, verwendetem Material, Polarisationsunabhängigkeit und Einfallswinkel liegt. Es ist leicht zu erkennen, dass das vorgeschlagene Design im Vergleich zu früheren Arbeiten alle sichtbaren Bänder mit perfektem Absorptionsgrad abdeckte. Breitbandabsorber, die den gesamten Bereich des sichtbaren Bandes durchdringen können, sind relativ selten. Darüber hinaus wurde in unserem Design ein perfekter Breitbandabsorber mit einer durchschnittlichen Absorption von 98,72 % und einer Resonanzabsorption von 99,8 % gefunden. Zusätzlich zur Weitwinkelempfindlichkeit sowohl bei TE- als auch bei TM-Polarisation bis zu 80° im Vergleich zu früheren Arbeiten bei einem Absorptionsgrad von 70 %. Die Produktionskosten hängen direkt von den verwendeten Materialien sowie der Anzahl der enthaltenen Schichten ab. Dieses Design ist im Hinblick auf die dünne Struktur, die geringen Materialkosten und die einfache Herstellung sowie die hohe Leistung im Vergleich zu den in Tabelle 2 genannten einzigartig.

Breitbandiger perfekter Metamaterialabsorber für das sichtbare Band von 400 bis 800 nm numerisch demonstriert. Dieser Absorber besteht aus einer dreischichtigen Mn-SiO2-Mn-Struktur mit einer Dicke von 190 nm. Die Auswahl der geometrischen Parameterwerte der Absorberelementarzelle basiert auf dem Particle Swarm Optimization (PSO)-Algorithmus. Als Ergebnis der Dickenoptimierung weist der vorgeschlagene Metamaterial-Absorber eine durchschnittliche Absorption von 98,72 % im Wellenlängenbereich von 400–800 nm auf und erreicht eine perfekte Absorption (über 99 %) im Wellenlängenbereich von 447–717 nm. Darüber hinaus bleibt die Absorption immer noch über 85 %, wenn sich der Einfallswinkel sowohl für TE- als auch für TM-Polarisation von normal auf 70° ändert. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die vorgeschlagene Metamaterial-Absorberstruktur eine ausgezeichnete Wahl für Anwendungen mit sichtbarem Licht wie optische Sensoren, thermische Emitter und Farbbildgebung.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim jeweiligen Autor erhältlich.

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Referenzen herunterladen

Die Autoren möchten der Nationalen Regulierungsbehörde für Telekommunikation (NTRA) in Ägypten ihren Dank für ihre Unterstützung aussprechen.

Open-Access-Finanzierung durch die Science, Technology & Innovation Funding Authority (STDF) in Zusammenarbeit mit der Egyptian Knowledge Bank (EKB).

Abteilung für Elektronik und Kommunikation, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Helwan-Universität, Kairo, Ägypten

Shima I. Sayed, KR Mahmoud und Roaa I. Mubarak

Nationale Regulierungsbehörde für Telekommunikation (NTRA), Gizeh, Ägypten

KR Mahmoud

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SIS führte die erforderlichen Simulationen der Metamaterial-Absorberstruktur mit den zugehörigen Potenzialen durch und verfasste das Originalmanuskript. KRM trug zur Methodik bei und überwachte die vorgeschlagene Arbeit. KRM und RM haben das Manuskript überprüft und bearbeitet. Alle Autoren haben die endgültige Fassung des Manuskripts gelesen und ihr zugestimmt.

Korrespondenz mit Shimaa I. Sayed.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Sayed, SI, Mahmoud, KR & Mubarak, RI Design und Optimierung eines Breitband-Metamaterialabsorbers auf Manganbasis für sichtbare Anwendungen. Sci Rep 13, 11937 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38263-x

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Eingegangen: 10. Mai 2023

Angenommen: 05. Juli 2023

Veröffentlicht: 24. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38263-x

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