具有单层二硫化钼和六方氮化钛纳米盘阵列的宽带完美吸收器
摘要
使用有限差分时域 (FDTD) 模拟研究了由六边形排列的单尺寸氮化钛 (TiN) 纳米盘阵列和单层二硫化钼 (MoS2) 组成的宽带超材料吸收体 (MA)。我们的设计采用了 TiN 纳米盘阵列/介电二氧化硅 (SiO2)/铝 (Al) 的结构。通过优化结构的尺寸参数,在 400 到 850 nm 范围内实现了 96.1% 的平均吸收率。此外,通过在 TiN 纳米盘阵列下方插入在短波长侧具有高吸收率的单层 MoS2,在 400 到 850 nm 的整个可见光范围内实现了 98.1% 的平均吸收率,峰值吸收率接近 100 % 和 475 至 772 nm 的吸收率超过 99%。此外,本文中介绍的吸收器对偏振不敏感。这种具有TiN纳米盘/单层MoS2/SiO2/Al结构的紧凑而独特的设计可能在光伏和光捕获方面具有巨大的应用潜力。
背景
超材料能够以前所未有的方式调整入射光的振幅、相位和偏振响应。特别是,超材料的吸收增强是与人工工程超材料相关的最有趣的主题之一 [1,2,3,4,5]。几种超材料结构被证明是高性能光吸收体,例如致密纳米棒和纳米管 [6, 7]、多层平面光子结构 [8,9,10] 和光子晶体 [11]。在过去的十年中,Au [12] 和 Ag 已被深入研究 [13,14,15,16] 用于设计吸收体。在早期阶段,大多数研究活动都集中在具有金属纳米颗粒、周期光栅和金属/电介质/金属薄层结构的窄波段内的电磁场吸收 [17,18,19,20]。然而,整个可见光区域的宽带吸收对于光伏和热光伏电池很重要。在现实应用中的实际需求驱动下,近年来报道了宽带吸收的研究工作。具有由交叉梯形阵列组成的纳米结构顶部银膜的吸收器提供宽带和偏振无关的共振光吸收,平均测量吸收为 0.71,而在整个可见光区域(400-700 nm)内模拟吸收为 0.85 [16]。使用基于多个金属/电介质/金属层的吸收剂进一步改善了宽带吸收,在整个可见光区域的平均模拟吸收率为 93% [14]。为了获得更好的宽带吸收,基于半导体的氧化物和过渡金属氮化物 [21, 22] 被提议作为替代等离子体材料。具体来说,过渡金属氮化物如 TiN 或 ZrN 可以作为可见波段中传统贵金属的替代品 [21]。基于 TiN 的宽带超材料吸收器具有方环阵列,在整个可见光区域 (400-800 nm) [23] 中的平均吸收率为 95%。在具有 TiN 和氧化铟锡透明导电膜的宽带超材料吸收器中,560 至 675 nm 的吸收率超过 98%,而 400 nm 至 500 nm 的短波平均吸收率低于 85% [24]。最近,单层 MoS2 在产生各种光电器件 [25,26,27,28,29,30,31,32,33,34] 和光催化应用方面显示出巨大的潜力,因为它在短波长侧具有高吸收 [35, 36 ]。研究了具有金属 Ag 超表面和单层 MoS2 的宽带吸收剂,平均吸收率低于 90% [37]。在这项工作中,提出了一种具有单层 MoS2 和六边形排列的 TiN 纳米盘阵列的更紧凑的吸收剂,在整个可见光区域延伸到近红外(从 400 到 850 nm)具有高达 98.1% 的平均吸收率。这种结构在光伏应用中很有前景。
方法
我们的吸收器的初始结构和单元的顶视图示意性地显示在图 1 中。一层介电 SiO2 夹在 TiN 纳米盘阵列和铝 (Al) 基板之间。单个尺寸的 TiN 纳米盘以相同的间距六边形排列在 SiO2 膜上。将厚度为 0.625 nm 的单层 MoS2 插入纳米盘阵列下方。结构参数表示如下:p x 和 p 是 =\( \sqrt{3}px \) 是矩形单位单元沿 x 的周期长度 - 和 y - 方向,分别; d 是 TiN 纳米盘的直径; t 1 和 t 图 2 分别为顶部 TiN 纳米盘和 SiO2 薄膜的厚度。选择铝膜作为基板,厚度为 500 nm,远比我们研究的光谱范围内的光穿透深度厚。
<图片>一 拟议的 TiN 纳米盘/单层 MoS2/SiO2/Al 结构的示意图。 b 矩形单元格的俯视图
图>使用 Lumerical FDTD Solutions 的软件包在模拟中采用了有限差分时域 (FDTD) 方法。假设光垂直入射在吸收体上,朝向 -z -方向。在这个模拟中,z -direction 有两个完全匹配的层,在 x 中设置周期性边界条件 - 和 y - 方向。吸光度可以由相应的透射率(R)和透射率(T)与A计算 =1−R -T .很容易看出,在我们的情况下,透射率始终为零,因为铝基板远比光谱范围内的光穿透深度厚,并且作为镜子与纳米盘阵列形成共振腔以增强吸收。在模拟中,针对不同层尺寸使用非均匀网格尺寸,具体设置如下:在单层MoS2中采用2.0nm×2.0nm×0.1nm的网格尺寸;其他模拟区域设置网格尺寸为 2.0 nm × 2.0 nm × 2.0 nm。
SiO2 间隔层的折射率曲线取自 Lumerical FDTD Solutions 软件的材料基础。 TiN 的相关材料参数是从参考文献中借用的。 [38],单层二硫化钼的色散曲线来自参考文献。 [39]。 TiN 和单层 MoS2 的拟合色散曲线如图 2 所示。在可见光范围内,TiN 被提议替代 Au 或 Ag 等贵金属来实现 LSPR [21] 的激发,因为 TiN 表现出更高与贵金属相比的消光系数。然而,在短波边缘相对较低的消光系数表明吸收性能不令人满意。幸运的是,单层 MoS2 具有相当高的消光系数,尤其是在短波一侧;它可以被引入到 TiN 纳米盘/SiO2/Al 结构中,以改善整个可见光区域的宽带吸收。此外,单层二硫化钼是直接带隙半导体,容易激发电子。并且具有良好的热电性能[40],可以很好地利用所提出的结构吸收的能量,有利于太阳能应用。
<图片> 图片>一 TiN层的分散度:n 是折射率和 k 消光系数。 b 单层MoS2的分散
图>结果与讨论
首先研究了TiN纳米盘/SiO2/Al结构的吸收性能。为了优化结构的性能,利用x分别研究了吸收光谱对TiN纳米盘直径和厚度以及SiO2间隔层厚度的依赖性。 -具有优化周期p的偏振入射光 x 在 200 纳米。
由于晶胞中的电场和磁场受吸收体尺寸的强烈影响 [28, 41],研究了不同直径 TiN 纳米盘的吸收光谱。图 3a 显示了 p 顶部 TiN 纳米盘的吸收光谱与直径的关系 x =200 nm 和 t 1 =t 2 =50 纳米。当 TiN 纳米圆盘的直径从 40 nm 增加到 120 nm 时,共振吸收增加,然后随着直径逐渐接近 200 nm,吸收减少。当直径在 120 nm 左右时,所提出的结构在可见光范围内具有最佳的吸收性能。
<图片>一 吸收光谱与顶部 TiN 纳米盘直径的关系,参数固定在 p x =200 nm 和 t 1 =t 2 =50 纳米。 b 具有 p 的顶部 TiN 纳米盘的吸收光谱与厚度 x =200 nm,d =120 nm 和 t 2 =50 纳米。 c 吸收光谱与具有 p 的 SiO2 层的厚度 x =200 nm,d =120 nm 和 t 1 =50 纳米。 d 参数设置为 p 时入射光的光谱与偏振角 x =200 nm,d =120 nm 和 t 1 =t 2 =50 纳米。 颜色条 表示吸收值
图>出于同样的原因,还研究了对 TiN 纳米盘厚度的吸收依赖性。图 3b 显示了当其他参数固定在 p 时吸收光谱与顶部 TiN 纳米盘的厚度 x =200 nm,d =120 nm 和 t 2 =50 纳米。很明显,共振吸收峰波长有红移,而 t 1 增加,共振吸收带宽从 t 变宽 1 =30 到 50 纳米。结果,对于 t 1 =50 nm,在453~797 nm波长范围内吸收性能最佳,约350 nm宽,吸收率大于95%。
此外,SiO2 间隔层的厚度也是决定结构磁共振的关键参数。从图3c中SiO2间隔层的吸收光谱与厚度的关系可以看出,随着SiO2厚度的增加,共振吸收峰的中心波长发生红移,优化后的厚度为t 2 =50 nm 而其余参数设置为 p x =200 nm,d =120 nm,t 1 =50 纳米。可以看到,TiN 纳米盘/SiO2/Al 结构提供了非常令人满意的宽带吸收,在 400 到 850 nm 范围内的平均吸收率为 96.1%。
为了理解图 4a 中 680 nm 附近吸收峰背后的机制,通过将纳米盘视为可极化偶极子来采用耦合偶极子近似方法。由于 TiN 纳米盘的尺寸远小于可见光的波长,因此准静态近似适用于处理这种情况。在准静态近似中,每个被入射光照射的纳米圆盘都可以被视为具有极化率的偶极子[42],
$$ \alpha \propto V\frac{\varepsilon_1-{\varepsilon}_2}{\varepsilon_2+L\left({\varepsilon}_1-{\varepsilon}_2\right)} $$ (1) <图片>结论
在这项工作中,通过 FDTD 方法研究了 400 nm 至 850 nm 波段的超材料完美吸收体。我们最初提出的 TiN 纳米盘/单层 MoS2/SiO2/Al 结构在 400 nm 至 850 nm 范围内提供平均 98.1% 的宽带完美吸收,包括 300 nm 带宽,从 475 nm 吸收接近 100%(超过 99%)到 772 纳米。有趣的吸收的实现是由于强 LSPR、TiN 纳米盘的串扰和间隙中的磁共振。重要的是,引入单层 MoS2 显着提高了吸收性能。此外,完美的吸收体在垂直入射时表现出偏振不敏感性。在紧凑性方面,超材料吸收体的尺寸可以减少到 150 纳米厚。总之,这项工作中提出的具有六边形周期性圆形 TiN 纳米盘图案和单层 MoS2 的完美吸收体提供了宽带近统一吸收,并有望用于光伏器件和光捕获。
缩写
- FDTD:
-
有限差分时域
- LSPR:
-
局域表面等离子体共振
- MA:
-
超材料吸收体
纳米材料
- 具有可控厚度的二硫化钼用于电催化析氢
- 将纳米球自组装与传统光刻相结合的宽带金属平面微透镜及其阵列的批量制造
- 超窄带完美吸收体及其在可见光区域中作为等离子体传感器的应用
- 螺旋型天线微桥结构太赫兹微测辐射热计的调频和吸收改进
- 单层石墨烯在超材料中多磁偶极共振的光频率下的多波段和宽带吸收增强
- 具有增强有效光吸收的针结纳米锥阵列太阳能电池的光伏性能
- 通过分层物理相互作用制备具有优异机械性能和快速自愈能力的聚(丙烯酸)/氮化硼复合水凝胶
- 使用多层超材料、集总电阻器和强耦合效应的超宽带和偏振不敏感完美吸收器
- 在太赫兹范围内具有可切换吸收和偏振转换功能的多功能设备
- 在具有极大增强的局部电场的可见区域中由空心等离子体效应产生的全向吸收器
- 使用多槽超表面增强石墨烯的角度不敏感宽带吸收
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