프로그래밍 가능한 나노포토닉 평면 공진기 필터

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13225(2023) 이 기사 인용

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재구성 가능한 플라즈몬-광자 전자기 장치는 오늘날의 새로운 요구를 충족시키기 위해 외부 자극을 통해 광학적으로 변조할 수 있는 뛰어난 능력에 대해 끊임없이 연구되어 왔으며, 칼코겐화물 상변화 물질은 매우 독특한 전기 및 광학으로 인해 유망한 후보가 되어 최근 광자 분야의 새로운 관점을 가능하게 합니다. 응용 프로그램. 본 연구에서는 유한요소법(FEM)으로 설계하고 수치적으로 분석한 금속-유전체-PCM 기반 초박막 적층 평면층을 사용하는 재구성 가능한 공진기를 제안합니다. 이 구조는 기판으로 사용되는 금(Au), 산화알루미늄(Al2O3), PCM(In3SbTe2)의 얇은 필름을 기반으로 합니다. PCM 위상(비정질 및 결정질) 간의 변조를 통해 적외선(IR) 스펙트럼(1000~2500nm)에서 필터에서 흡수체 구조로의 전환이 가능하며 두 경우 모두 효율이 70% 이상입니다. 재료 두께의 영향도 분석되어 제조 오류에 대한 허용 오차를 확인하고 투과율 및 흡수율 피크의 효율성을 동적으로 제어합니다. 전계 결합과 전달/흡수 전력 밀도의 물리적 메커니즘을 조사합니다. 또한 두 경우 모두 TE(Transversal Electric) 및 TM(Transversal Magnetic) 편파의 편파각에 미치는 영향을 분석했습니다.

재구성 가능한 광소자를 사용하여 테라헤르츠(THz) 영역에서 전자기파를 효율적으로 제어하는 것은 특히 메타표면1,2,3,4,5, 메탈렌즈6,7, 플라즈모닉8,9 및 메타물질 흡수체10와 관련하여 이미 귀중한 현실입니다. 11. 이러한 맥락에서 비휘발성 칼코게나이드 상 변화 물질(PCM)12,13,14,15은 열 안정성, 비정질 상태와 결정질 상태 사이에 존재하는 급격한 변화에서 비휘발성 보장, 초고화질로 인해 큰 이점을 나타냅니다. - 광범위한 전자기 스펙트럼에 걸쳐 위상(펨토초의 경우 나노초)과 광학 상수 값 사이의 빠른 전환. PCM은 높은 읽기/쓰기 속도, 비휘발성 특성, 확장된 읽기/쓰기 저항 및 높은 확장성으로 인해 범용 메모리에 수많은 기술적 이점을 제공합니다. 비정질 PCM 필름은 결정화 온도(또는 유리 전이 온도) 이상으로 가열하여 결정화할 수 있지만 용융 온도에는 도달하지 않습니다. 유사하게, PCM 재형성 공정에는 PCM을 빠르게 녹여 비정질 상태로 되돌리는 과정이 포함됩니다. 실제 상황에서 상 변화가 있는 물질의 상태는 온도, 전기 전압 등을 통해 제어할 수 있으며 굴절률과 결과적으로 상대 유전율을 동적으로 제어할 수 있습니다. 위상 변화가 있는 물질의 높은 광학 대비는 적외선 스펙트럼에서 감지될 수 있으며, 열 방출기17, 위장18,19, 광검출기20, 편광21과 같은 수많은 실제 응용 분야가 발견됩니다. 풍부한 전환 가능 특성으로 인해 가장 많이 사용되는 칼코겐화물 PCM은 Ge-Sb-Te(GST)22,23,24를 기반으로 하는 PCM입니다. GST 기반 PCM은 광 재구성 가능 장치 분야와 랜덤 액세스 메모리 기술 개발에서 큰 주목을 받았습니다. 재구성 가능한 특성과 비휘발성으로 인해 파장 이하 기하학에서 빛을 조작하고 제어할 수 있습니다. 최근 연구에서는 Sb2S3 및 Sb2Se3 화합물이 가시광선 스펙트럼에 적용 가능한 낮은 광학 손실을 고려하여 상변화 물질로 분류되었습니다. GeTe 상 변화를 기반으로 한 적외선 영역의 열적으로 재구성 가능한 메타표면은 Ge-Te의 상 변화가 결정화/비정질화를 부분적으로 변경할 때 공명 피크를 이동시키는 흡수체 설계가 개발되었습니다. 근적외선 파장을 통과시키거나 감쇠시킬 수 있는 Ge2Sb2Se4Te1 기반의 광학적이고 동적으로 재구성 가능한 MIM(금속-절연체-금속) 필터가 29에서 개발 및 테스트되었습니다. In30에서 저자는 메타표면 전송의 2차수 변조와 거의 완벽한 흡수의 스펙트럼 조정으로 VO2 전이에 의해 구동되는 두 가지 기능 조정 체제를 실험적으로 입증했습니다. 두 기능 모두 다양한 메모리 효과를 위해 활용될 수 있는 히스테리시스와 유사한 동작을 동반합니다. Chen et al.31은 테라헤르츠 영역에서 VO2 기반 등방성 가변 광대역 흡수체를 제안했습니다. 수직 입사에서 기하학적 구조를 조정하면 1.08~2.55THz 사이에서 90%보다 큰 흡수 효율을 달성할 수 있습니다.

> \varepsilon ^{\prime\prime}_{r} (\omega )\). In the crystalline phase of IST, the result of negative \(\varepsilon ^{\prime}_{r} (\omega )\) with positive \(\varepsilon ^{\prime\prime}_{r} (\omega )\), results from a material with negative permittivity considered a metallic phase as also plasmonic for metal-dielectric interactions. Figure 2 shows the scheme of the proposed planar programmable structure of three layers, with variable thickness tsubst, tAl2O3 and tAu, respectively. The metallic thin film of gold (Au) inserted on top of the structure, followed by the dielectric material Al2O3 and the material with phase change IST, as substrate. Crystallization of the IST occurs by long-lasting laser pulses (about 0.5 ps), with a power on the order of 10 mW, heating it above the glass transition temperature, about 291.8 °C39. The amorphization is obtained by heating the material with a short duration laser pulses (about 10 ns) and high power close to 300 mW, above the melting temperature (626 °C) to cool it quickly with cooling rates over 109 K/s39./p> \varepsilon_{{Al_{2} O_{3} }}\)). When switching to the crystalline phase, the metallic state of the substrate changes the signal and becomes a perfect absorber, due to its considerably high imaginary permittivity, common to metals (\(\varepsilon_{c - IST} < \varepsilon_{{Al_{2} O_{3} }}\))./p>

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