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Apr 24, 2023

Breitband und hoch

Wissenschaftliche Berichte Band 13,

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 7454 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Nano-Kirigami-Metaoberflächen haben aufgrund ihrer einfachen dreidimensionalen (3D) Nanofabrikation, vielseitigen Formtransformationen, attraktiven Manipulationsmöglichkeiten und vielfältigen potenziellen Anwendungen in nanophotonischen Geräten zunehmend Aufmerksamkeit erregt. Durch das Hinzufügen eines Freiheitsgrades außerhalb der Ebene zu den Doppel-Split-Ring-Resonatoren (DSRR) mithilfe der Nano-Kirigami-Methode demonstrieren wir in dieser Arbeit die breitbandige und hocheffiziente lineare Polarisationsumwandlung im nahen Infrarot-Wellenlängenband. Insbesondere wenn die zweidimensionalen DSRR-Vorläufer in 3D-Gegenstücke umgewandelt werden, wird ein Polarisationsumwandlungsverhältnis (PCR) von mehr als 90 % im breiten Spektralbereich von 1160 bis 2030 nm realisiert. Darüber hinaus zeigen wir, dass die Hochleistungs- und Breitband-PCR durch gezielte Verformung der vertikalen Verschiebung oder Anpassung der Strukturparameter leicht angepasst werden kann. Schließlich wird der Vorschlag als Proof-of-Concept-Demonstration durch die Anwendung der Nano-Kirigami-Herstellungsmethode erfolgreich verifiziert. Die untersuchten nano-kirigami-basierten polymorphen DSRR ahmen eine Folge diskreter optischer Massenkomponenten mit Multifunktion nach, wodurch deren gegenseitige Ausrichtung überflüssig wird und neue Möglichkeiten eröffnet werden.

Nano-Kirigami-Metaoberflächen1, die aus polymorphen künstlichen Nanostrukturen im Subwellenlängenbereich bestehen, die auf vielseitigen Formtransformationsmethoden basieren, bringen nicht nur neue Freiheitsgrade in die traditionelle dreidimensionale (3D) Nanofertigung, sondern weisen auch außergewöhnliche Potenziale im Bereich rekonfigurierbarer Hologramme2 auf. 3, fraktalabhängige optische Wirbel4, Fano-resonante Metamaterialien5,6,7, Umkehrung des Zirkulardichroismus8,9 und so weiter. Insbesondere Nano-Kirigami1,10,11 könnte anspruchsvolle Formänderungen von zweidimensionalen (2D) Vorläufern zu 3D-verformten Nanostrukturen mit vertikaler Verschiebung und räumlicher Biegung ermöglichen, was einen neuartigen Ansatz zur Manipulation der Amplitude, Phase und Polarisation elektromagnetischer Strahlung bietet Wellen im Mikro-/Nanobereich. In diesem Zusammenhang wurde die Verformung von Nano-Kirigami-Strukturen durch äußere Reize wie pneumatischen Druck12, mechanische Kompression7,13, elektronische Vorspannung14,15, magnetische Betätigung16 und thermische Ausdehnung17 induziert. Unter diesen gilt die durch globale fokussierte Ionenstrahlbestrahlung (FIB) induzierte Zugspannung als einfache Strategie zur Herbeiführung dauerhafter Strukturveränderungen.

Aufgrund der zusätzlichen Geometrie außerhalb der Ebene könnten die vielseitigen Nano-Kirigami-Geometrien die Leistung der Metaoberflächen verbessern. Beispielsweise weist die Polarisationsumwandlung in vielen wissenschaftlichen Forschungssystemen eine hervorragende Fähigkeit zur Manipulation der Polarisationszustände auf. Zu den Hauptkategorien herkömmlicher Polarisationskonverter gehören optisch aktive Kristalle, Flüssigkristalle und der Faraday-Effekt18,19,20,21,22,23,24,25. Dennoch leiden diese Geräte mehr oder weniger unter großen Volumina, geringer Effizienz, geringer Bandbreite, komplexer Herstellung usw. Metaoberflächen bieten eine ideale Plattform, um diese Mängel zu überwinden. Die Polarisation des Lichts kann durch die Konstruktion von Metaatomen mit einer Dicke im Subwellenlängenbereich der Metaoberflächen willkürlich gesteuert werden. Durch die Nutzung der Metaoberflächen ist eine Realisierung des breitbandigen und hocheffizienten Polarisationskonverters mit ultradünner Dicke vielversprechend.

Hier berichten wir über die Erzeugung der breitbandigen und hocheffizienten Polarisationsumwandlung im nahen Infrarotwellenlängenbereich durch den Einsatz einer Nano-Kirigami-Metaoberfläche. Durch Ätzen der lokal suspendierten Nanofilme werden Metaoberflächen mit polymorphen Doppel-Split-Ring-Resonatoren (DSRRs) und reichhaltigen physikalischen Eigenschaften realisiert. Sowohl die Simulationen als auch die Experimente deuten darauf hin, dass die 2D-DSRR-Metaoberflächen zwei schmale Bänder lokalisierter Lückenplasmonen aufweisen, die zusammengeführt werden, um eine breitbandige und hocheffiziente Polarisationsumwandlung in den nach oben deformierten 3D-DSRR-Strukturen zu bilden. Der Wert des Polarisationsumwandlungsverhältnisses (PCR) erreicht im Wellenlängenbereich von 1160 bis 2030 nm mehr als 90 %. Die nachgewiesene breitbandige und hocheffiziente Polarisationsumwandlung in solchen Nano-Kirigami-basierten Metaoberflächen könnte für Anwendungen in ultrakompakten und integrierten optoelektronischen Geräten nützlich sein.

Unser vorgeschlagenes Nano-Kirigami basiert auf der klassischen DSRR-Metaoberfläche, wie in Abb. 1 dargestellt. Die anisotrope DSRR-Struktur ist eine typische Struktur mit offener Schleife, die im Vergleich zu anderen Geometrien mit geschlossener Schleife relativ leicht verformt werden kann. Es besteht aus dem 60 nm dicken oberen Goldfilm, den dazwischen liegenden quaderförmigen SiO2-Trägern mit einer Dicke von 300 nm und der unteren dielektrischen Si-Schicht. Hier kann ein ausreichend dickes Siliziumsubstrat die Reflexion bei Wellenlängen im nahen Infrarot verstärken. Die kontinuierliche Krümmungsänderung der Kreisformen im mittleren Nanospalt kann zu einer stabilen Strukturverformung führen. Abbildung 1 zeigt schematisch das Funktionsprinzip, bei dem die Resonanzen der beiden schmalen Bänder aus der 2D-Struktur zusammengeführt werden, um im Fall einer 3D-verformten Struktur eine breitbandige Polarisationsumwandlung zu bilden.

Schematische Darstellung der breitbandigen linearen Polarisationsumwandlungsreaktion der Nano-Kirigami-basierten DSRR-Metaoberflächen. Im Fall von PCR-Spektren zeigt die 2D-Struktur zwei schmale Banden, während die 3D-verformte Struktur eine breitbandige und hocheffiziente Konvertierung aufweist.

Wie in Abb. 2a gezeigt, ist das planare DSRR-Metaatom mit einem 60 nm breiten spiralförmigen Luftspalt ausgestattet. Der Innenradius (r) des spiralförmigen Luftschlitzes beträgt 0,31 μm. Der Winkel (α) beträgt 40° und die Periode (p) beträgt 0,8 μm. Dabei werden die optischen Reaktionen der Nanostrukturen durch die Finite-Elemente-Software COMSOL simuliert. Die periodischen Randbedingungen werden in der xy-Ebene angewendet und die perfekt angepasste Schichtrandbedingung wird in der z-Achse verwendet. Unter x linear polarisiertem (LP) Normaleinfall zeigt das planare DSRR zwei genau definierte kopolarisierte und kreuzpolarisierte optische Resonanzen im nahen Infrarotwellenlängenbereich, wie in Abb. 2b dargestellt. Die Copolarisationsreflexion Rxx ist in einer Bandbreite von 1200 bis 2200 nm Wellenlänge viel größer als die kreuzpolarisierte Reflexion Ryx, wie in Abb. 2b dargestellt. Die beiden Resonanzen in Abb. 2b werden durch die lokalisierten Lückenplasmonen verursacht, die im spiralförmigen Luftschlitz eingeschlossen sind, wie in Abb. 2c gezeigt.

Schematische Darstellung der Elementarzellen (a) der 2D-Struktur und (d) der deformierten 3D-DSRR-Metaoberflächen. (b) und (e) sind die Reflexionsspektren der vorgeschlagenen 2D- und 3D-Nanostrukturen unter x-polarisiertem Normaleinfall (kreuzpolarisierte Reflexion Ryx, kopolarisierte Reflexion Rxx). Entsprechend der Resonanz der Spektren zeichnen wir die elektrischen Feldverteilungen bei der Wellenlänge 1080, 2020 nm in den Abbildungen (c) und (f) auf.

Durch die Anwendung unseres zuvor entwickelten Doppelschicht-Spannungsverteilungsmodells9 kann die Beziehung zwischen Spannung und Höhe des entworfenen DSRR berechnet und die gewünschten Nanostrukturen erhalten werden. Unter Belastung der 2D-DSRR-Nanostruktur öffnet die Nanostruktur die „Tür“ entlang der z-Richtung und verursacht die vertikale Verformung, wie in Abb. 2d dargestellt. Die maximale Höhe beträgt 380 nm. In einem solchen Fall wird der Freiheitsgrad außerhalb der Ebene der Struktur hinzugefügt und kann zur Abstimmung der optischen Resonanz der Struktur verwendet werden. Offensichtlich ist Rxx im deformierten 3D-Zustand in einer Bandbreite von 1200 bis 2200 nm viel kleiner als Ryx, wie in Abb. 2e dargestellt. Dadurch wird das x-polarisierte normal einfallende Licht nach der Reflexion effizient in sein kreuzpolarisiertes Licht umgewandelt. Dies liegt daran, dass die Spiegelsymmetrie in den deformierten Strukturen gebrochen ist, was zu chiralen optischen Reaktionen führt und zu Veränderungen in der Licht-Materie-Wechselwirkung führt. Unterdessen stören die 3D-Nanostrukturen die ursprünglichen lokalisierten Plasmonresonanzmodi, und die Resonanzwellenlänge der beiden Schmalbandresonanzen in Abb. 2b überlagert sich und verbreitert so die Spektrallinie. Abbildung 2f zeigt die elektrischen Feldverteilungen der Stereo-Nanostruktur, in der die lokalisierten Oberflächenplasmonenmoden verschwunden sind. Hier erzeugt schräg auf die Nanoschlitze einfallendes Licht reflektiertes Licht mit unterschiedlichen Beugungswinkeln. Bei einfallendem Licht mit einem schrägen Einfallswinkel von weniger als 10 Grad ändern sich die PCR-Spektren der Strukturen geringfügig, während ein zu großer Einfallswinkel die Ergebnisse stark beeinträchtigt (wie in der ergänzenden Abbildung S1 dargestellt).

Um einen physikalischen Einblick in das Prinzip der Polarisationsumwandlung zu gewinnen, zerlegen wir ein normal einfallendes x-LP-Licht Ei in zwei Komponenten von Eiu und Eiv in u- und v-Richtung, wie in Abb. 2d skizziert.

und die elektrische Komponente der reflektierten Welle wird geschrieben als

Dabei sind ru = rueiφu und rv = rveiφv die Reflexionskoeffizienten in u- bzw. v-Richtung. Aufgrund der anisotropen Charakteristik von DSRR-Metaoberflächen gibt es einen Unterschied in der Ausbreitungsphase der Komponenten in u- und v-Richtung des polarisierten Lichts, da Δφ = |φu − φv|. Wenn die Beträge und die Phase der Reflexionskoeffizienten die Bedingung ru = rv und Δφ = 180° erfüllen, gilt Gl. (2) wird

In unserem Fall können die Bedingungen für eine effiziente Polarisationsumwandlung durch Verformung der Struktur außerhalb der Ebene erreicht werden.

Die PCR wird verwendet, um die Leistung des vorgeschlagenen DSRR zu bewerten, das wie folgt definiert ist26,27:

Abbildung 3a zeigt die PCR der 2D-DSRR-Nanostruktur und der 3D-Nanostruktur. Im 2D-Fall ist offensichtlich, dass es zwei schmale Banden mit PCR-Peakwerten von 0,67 und 0,75 bei den Resonanzwellenlängen 1080 bzw. 2020 nm gibt. Unterdessen ist die PCR des 2D-Zustands bei Wellenlängen von 1250 bis 1750 nm sehr niedrig. Sehr interessant ist, dass die PCR für die 3D-verformte DSRR-Nanostruktur in einem breiten Wellenlängenbereich von 1200 bis 2200 nm größer als 0,9 ist.

(a) Die PCR-Spektren und (b) entsprechende Ey-Verteilungen in der xy-Ebene bei 1500 nm der vorgeschlagenen 2D- und 3D-Metaoberflächen. (c) Berechnete Beziehung zwischen Vorspannungsspannung und der vertikalen Höhe von 3D-DSRR-Nanostrukturen. Um die optimierten Leistungen zu erzielen, werden die PCR-Reaktionen der 3D-Nano-Kirigami-Metaoberfläche in Bezug auf die Variation von (d) vertikaler Höhe, (e) Radien (r) und (f) mittlerem Bogenmaßwinkel (α) untersucht.

Die PCR kann auch aus der Verteilung des elektrischen Feldes Ey der y-Komponente in der xy-Ebene verstanden werden, wie in Abb. 3b dargestellt. Es ist ersichtlich, dass das Ey bei einer Wellenlänge von 1500 nm für die 2D-DSRR-Nanostruktur ungerade und gerade symmetrisch um die diagonale V-Achse und die U-Achse ist. In einem solchen Fall ist das Ey im Fernfeld sehr klein und dadurch die PCR sehr niedrig. Für 3D-Nanostrukturen ist das Ey jedoch sogar symmetrisch zum Koordinatenursprung der xy-Ebene bei einer Wellenlänge von 1500 nm. Dadurch ist der Ey im Fernfeld sehr groß und dadurch die PCR sehr hoch.

Die Leistung des 3D-DSRR hängt auch von den Parametern und Geometrieformen ab. Abbildung 3c zeigt die Beziehung zwischen Vorspannungsspannung und der vertikalen Höhe von 3D-DSRR-Nanostrukturen. Die Ergebnisse in Abb. 3d zeigen deutlich, dass der Wert und die Bandbreite der PCR mit der Höhe zunehmen. Dies unterstreicht direkt die Bedeutung von Freiheitsgraden außerhalb der Ebene für die Abstimmung der optischen Reaktion. Basierend auf dem Durchsuchen verschiedener r- und α-Parameter unter Beibehaltung der Höhe bei 380 nm sind die Simulationsergebnisse der entsprechenden reflektierten PCR-Amplituden und -Bandbreiten in Abb. 3e, f dargestellt. Für das 3D-verformte DSRR ist die Erhöhung des Tastverhältnisses der Nanostruktur oder die Verringerung des mittleren Bogenwinkels α hilfreich, um die PCR zu verbessern und die Bandbreite zu erweitern. Für das 2D-DSRR verschieben die verschiedenen Strukturparameter r und α die Betriebswellenlänge mit einer geringen Bandbreitenstörung der Polarisationsumwandlung, wie in Abb. S2 der Zusatzinformationen dargestellt. Basierend auf diesen Studien wählten wir die Strukturparameter r = 310 nm und α = 40° für die experimentelle Vorbereitung.

Für experimentelle Demonstrationen kann das einzelne DSRR-Metaatom direkt durch Bestrahlung mit hochdosiertem fokussierten Ionenstrahl (FIB) gebildet werden, wie in Abb. 4a dargestellt. Nach dem Nassätzprozess wird die mittlere SiO2-Schicht weggeätzt, um das lokal schwebende 2D-DSRR-Array zu bilden. Abbildung 4b zeigt die REM-Bilder des 2D-DSRR-Arrays unter den Blickwinkeln 0° und 45°. Die Gesamtgröße der hergestellten Metaoberfläche beträgt 25 μm × 25 μm. Anschließend wird die globale niedrig dosierte FIB-Bestrahlung eingesetzt, um die 2D-Muster nach dem Nano-Kirigami-Prinzip in 3D-Metaoberflächen zu verformen1,9,10. Abbildung 4c, d zeigen die Einzel- und Metaoberflächen deformierter DSRR in verschiedenen Situationen. Es ist ersichtlich, dass die experimentell hergestellten Nanostrukturen gut mit den theoretisch entworfenen Strukturen übereinstimmen.

Die experimentelle Demonstration der simulierten DSRR-Nanostruktur. (a) und (c) Schematische und REM-Bilder der Elementarzelle von (a) 2D- und (c) 3D-DSRRs, betrachtet in perspektivischen Winkeln von 0° bzw. 45°. (b) und (d) SEM-Bilder der entsprechenden 2D- und 3D-verformten Nano-Kirigami-Metaoberflächen unter verschiedenen perspektivischen Blickwinkeln. Maßstabsbalken: 1 μm.

Das LP-Licht für die Messung kann durch Hinzufügen eines linearen Polarisators hinter der Lichtquelle und vor der Probe erhalten werden, wie in Abb. S3 der Zusatzinformationen dargestellt. Die einfallende Polarisation der Lichtquelle wird entlang der x-Richtung eingestellt. Ein weiterer linearer Polarisator wird im optischen Detektionspfad entlang der x-(y)-Richtung platziert, um das kopolarisierte (kreuzpolarisierte) reflektierte Signal Rxx (Ryx) zu messen. Für die 2D-Metaoberfläche sind die Ergebnisse experimenteller Messungen und theoretischer Simulationen in Abb. 5a bzw. b dargestellt. Das experimentell gemessene Spektrum stimmt grundsätzlich mit der theoretischen Simulation überein. Die Abb. 5a zeigt, dass der experimentell gemessene Rxx über den gesamten Spektralbereich größer als Ryx ist. Wie in Abb. 5a gezeigt, liegt der Ryx nahe bei 0. Daraus kann geschlossen werden, dass die PCR für die 2D-Metaoberflächen sehr niedrig ist. Die Abb. 5c, d sind die Ergebnisse der 3D-DSRRs. Es ist zu erkennen, dass der experimentell gemessene Ryx über den gesamten Spektralbereich größer als Rxx ist. Die breitbandige Kreuzpolarisationsreflexion erfolgt in Wellenlängen von 1000 bis 2200 nm. In einem solchen Fall wird die breitbandige und hocheffiziente Polarisationsumwandlung im nahen Infrarot-Wellenlängenbereich mithilfe der Out-of-Plane-Deformation des DSRR erreicht. Der geringfügige Unterschied zwischen der Messung (Abb. 5c) und der Simulation (Abb. 5d) ist hauptsächlich auf den Materialverlust zurückzuführen, der möglicherweise durch die Implantation von Ga+-Ionen verursacht wird. Nach der FIB-Bestrahlung wird der bestrahlte Bereich hinsichtlich Oberflächenrauheit und Brechungsindex leicht verändert, was sich auf die optischen Eigenschaften im Vergleich zu den idealen Materialparametern in Simulationen auswirkt28. Solche Metaoberflächen mit breitbandiger Polarisationsumwandlung vermeiden den komplizierten Herstellungsprozess der mehrschichtigen Nanofabrikation und bieten große Vorteile bei den Polarisationskontrollgeräten29,30,31,32,33,34,35.

Vergleich zwischen experimentellen und theoretischen Ergebnissen. (a), (c) Gemessene und (b), (d) simulierte Spektren der 2D- und 3D-DSRR-Metaoberflächen in den Einschüben unter x-polarisierter Lichtanregung.

In dieser Arbeit haben wir DSRR-Metaatome verwendet, um eine hocheffiziente und breitbandige lineare Polarisationsumwandlung im nahinfraroten Wellenlängenband auf der Grundlage des Nano-Kirigami-Prinzips zu realisieren. Die hergestellte 2D-Metaoberfläche weist zwei Resonanzbänder mit Reflexionspolarisation orthogonal zur einfallenden Polarisationsrichtung auf, die durch lokalisierte Oberflächenplasmonen in Lücken verursacht werden. Die Verformung der 3D-DSRRs außerhalb der Ebene nach Nano-Kirigami stimmt die Reaktionen der lokalisierten Oberflächenplasmonen ab. Dadurch werden die Operationsbänder für die kreuzpolarisierte Reflexion breitbandig umgewandelt, mit hoher Effizienz im nahen Infrarot-Wellenlängenbereich unter LP-Einfall. Die PCR liegt im Wellenlängenbereich von 1160 bis 2030 nm (147–256 THz) im Fall der 3D-Struktur bei mehr als 90 %, was im Vergleich zu anderen Breitband-Polarisationskonvertern, über die in36,37,38,39,40 berichtet wird, von Vorteil ist (siehe). Tabelle 1 der Zusatzinformationen). Offensichtlich wird die Proof-of-Concept-Demonstration durch die Anwendung der Nano-Kirigami-Herstellungsmethode erfolgreich verifiziert. Die polymorphen DSRR-Nanostrukturen ergeben eine neuartige Metaoberfläche, die es ermöglicht, optische Massenkomponenten durch ultrakompakte und integrierte optoelektronische Konfigurationen zu ersetzen. Beispielsweise könnten rekonfigurierbare Metaoberflächen leicht realisiert werden, indem eine Vorspannung zwischen dem oberen Metall und dem unteren leitfähigen Substrat angelegt wird, die eine elektrostatische Kraft erzeugen kann, um die Höhe der Verformung nach unten dynamisch anzupassen (siehe Abbildung S4 der Zusatzinformationen). Mit der Erhöhung der externen Vorspannungen kann die Wellenlänge der Resonanzmoden abgestimmt werden und in einem solchen Fall können die Betriebswellenlänge und die PCR der Polarisationsumwandlung dynamisch gesteuert werden.

Alle Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind im Artikel oder auf begründete Anfrage bei den entsprechenden Autoren erhältlich.

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National Natural Science Foundation of China im Rahmen eines Stipendiums (61975016, 12204041); Wissenschafts- und Technologieprojekt von Guangdong (2020B010190001); Naturwissenschaftliche Stiftung der Stadt Peking (1212013 und Z190006); China Postdoctoral Science Foundation im Rahmen eines Stipendiums (2021M700436). Die Autoren danken dem Analyse- und Testzentrum des Beijing Institute of Technology für die Unterstützung bei FIB-Einrichtungen und hilfreichen Diskussionen.

Schlüssellabor für fortgeschrittene optoelektronische Quantenarchitektur und -messung (Bildungsministerium), Pekinger Schlüssellabor für Nanophotonik und ultrafeine optoelektronische Systeme, School of Physics, Beijing Institute of Technology, Peking, 100081, China

Xing Liu, Xiaochen Zhang, Weikang Dong, Qinghua Liang, Chang-Yin Ji und Jiafang Li

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XL konzipierte die Experimente und schrieb den Originalentwurf, XL, XZ, WD und QL führten die Experimente durch und analysierten die Ergebnisse, CJ und JL modifizierten das Manuskript. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Chang-Yin Ji oder Jiafang Li.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Liu, X., Zhang, X., Dong, W. et al. Breitbandige und hocheffiziente Polarisationskonvertierung mit einer Nano-Kirigami-basierten Metaoberfläche. Sci Rep 13, 7454 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-34590-1

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Eingegangen: 28. März 2023

Angenommen: 04. Mai 2023

Veröffentlicht: 08. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34590-1

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