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Aug 16, 2023

Progettazione e ottimizzazione di assorbitori metamateriali a banda larga a base di manganese per applicazioni visibili

Scientific Reports volume 13, numero articolo: 11937 (2023) Cita questo articolo 1017 Accessi 2 Dettagli metriche alternative Gli assorbitori di metamateriali sono stati ampiamente studiati a causa del loro potenziale

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11937 (2023) Citare questo articolo

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Gli assorbitori metamateriali sono stati ampiamente studiati a causa delle loro potenziali applicazioni nella fotonica. Questo articolo presenta un assorbitore metamateriale a banda larga (BMA) altamente efficiente basato su una struttura a tre strati di manganese-silice-manganese con un motivo sagomato sullo strato superiore. Per la massima efficienza di assorbimento, i parametri geometrici dell'assorbitore proposto sono stati ottimizzati sulla base della Particle Swarm Optimization (PSO). La struttura ottimale con uno spessore di 190 nm può raggiungere un assorbimento superiore al 94% sulla banda visibile (400–800) nm con un assorbimento medio del 98,72% e un assorbimento superiore al 90% nell'intervallo da 365 a 888 nm. Nell'intervallo da 447 a 717 nm, il design presentava un'assorbenza superiore al 99%, fornendo una larghezza di banda ultra ampia di 270 nm. Il meccanismo fisico dell'assorbimento viene illustrato attraverso l'esplorazione delle distribuzioni del campo elettrico e magnetico. Inoltre, la struttura proposta mantiene una stabilità di assorbimento dell'85% per ampi angoli di incidenza fino a 70° per entrambe le polarizzazioni TE e TM sotto incidenza obliqua. Inoltre, la struttura ottimizzata dell'assorbitore con eccellenti capacità di assorbimento lo rende adatto a varie applicazioni, tra cui sensori ottici, emettitori termici e applicazioni di imaging a colori.

Nell'ultimo decennio, c'è stato molto interesse per gli assorbitori di metamateriali (MA), che sono costruiti con celle unitarie di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda realizzate in metallo-isolante-metallo (MIM)1,2. Le proprietà elettromagnetiche (EM) distintive dei metamateriali, come la permeabilità negativa e la costante dielettrica negativa3,4, ne consentono l'applicazione efficiente in varie applicazioni, come la raccolta dell'energia solare5, le comunicazioni wireless6 e i sensori7. Sono state pubblicate ricerche approfondite basate sui progetti MA. A seconda dell'intervallo di spettro in cui opera il metamateriale EM, può essere facilmente utilizzato per diverse frequenze, inclusi i regimi terahertz8, visibile e infrarosso (IR)9,10,11. Per la classificazione della larghezza di banda di assorbimento, gli MA a banda stretta trovano applicazioni nella manipolazione delle emissioni termiche, nei sensori, nelle nano-antenne e nei risonatori12,13. Gli assorbitori a banda larga, d'altro canto, trovano impiego negli emettitori termici, nei convertitori di energia solare e in una varietà di altre applicazioni optoelettroniche14,15.

Negli ultimi anni si è svolta un’ampia gamma di attività di ricerca che hanno ampliato la larghezza di banda di assorbimento per migliorare le prestazioni e aumentare le capacità. Il primo approccio per ottenere l'assorbimento a banda larga consiste nell'utilizzare risonanze multiple integrando risonatori multipli di varie dimensioni per formare una cella unitaria di assorbimento. Tali assorbitori offrono un'elevata flessibilità nel raggiungimento delle proprietà spettrali di assorbimento desiderate variando la geometria e le dimensioni strutturali dei risonatori coinvolti16,17,18. Il secondo approccio consiste nell'utilizzare strutture multistrato con diversi parametri geometrici nella direzione verticale, separate da strati dielettrici, per ampliare la larghezza di banda spettrale di assorbimento19,20. Tuttavia, l’aggiunta di più strati comporta complessi processi di microfabbricazione e maggiori costi. Ciò potrebbe ostacolare il progresso degli assorbitori di metamateriali. Di conseguenza, è essenziale creare metamateriali con topologia semplice in grado di raggiungere un assorbimento ad alta efficienza21,22.

La configurazione MIM può fornire un miglioramento della larghezza di banda di assorbimento. Fino ad oggi sono stati proposti diversi studi per massimizzare l'assorbimento delle strutture MA sia in intensità che in banda larga10,23. Il metodo più comune è ottimizzare le dimensioni della struttura e modellare lo strato metallico superficiale superiore della struttura metamateriale. Ad esempio, un assorbitore metamateriale a forma di prisma triangolare con un'assorbanza media del 97,85% ha raggiunto un assorbimento quasi perfetto nell'intervallo compreso tra 200 e 2980 nm24. Un'altra struttura MA con un risonatore a forma di asse di doppia dimensione ha dimostrato un assorbimento superiore al 90% nell'intervallo spettrale dal visibile al vicino IR (cioè da 320 a 982 nm)25. Inoltre, Majid Aalizadeh ha introdotto la progettazione di metamateriali basata su un risonatore a forma di nanodisco per l'assorbimento della luce che abbraccia la gamma del visibile e del medio infrarosso (cioè da 478 a 3278 nm), risultando in un assorbimento a banda larga26.