Projeto e otimização de absorvedor de metamaterial de banda larga baseado em manganês para aplicações visíveis

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11937 (2023) Citar este artigo

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Absorvedores de metamateriais têm sido extensivamente pesquisados ​​devido às suas potenciais aplicações em fotônica. Este artigo apresenta um Absorvedor de Metamaterial de Banda Larga (BMA) altamente eficiente baseado em uma estrutura de três camadas de Manganês-Sílica-Manganês com um padrão modelado na camada superior. Para máxima eficiência de absorção, os parâmetros geométricos do absorvedor proposto foram otimizados com base na Otimização por Enxame de Partículas (PSO). A estrutura ideal com uma espessura de 190 nm pode atingir mais de 94% de absorção abrangendo a banda visível (400–800) nm com 98,72% de absorção média e mais de 90% de absorção na faixa de 365 a 888 nm. Na faixa de 447 a 717 nm, o design apresentou absortividade acima de 99%, proporcionando uma largura de banda ultralarga de 270 nm. O mecanismo físico de absorção é ilustrado através da exploração das distribuições dos campos elétrico e magnético. Além disso, a estrutura proposta mantém estabilidade de absorção de 85% para ângulos de incidência amplos de até 70° para polarizações TE e TM sob incidência oblíqua. Além disso, a estrutura de absorção otimizada com excelentes capacidades de absorção o torna adequado para diversas aplicações, incluindo sensores ópticos, emissores térmicos e aplicações de imagem colorida.

Na última década, tem havido muito interesse em Absorvedores de Metamateriais (MAs), que são construídos com células unitárias de tamanho sub-ondas feitas de Metal-Isolador-Metal (MIM) . As propriedades eletromagnéticas (EM) distintas dos metamateriais, como sua permeabilidade negativa e constante dielétrica negativa3,4, possibilitam sua aplicação eficiente em diversas aplicações, como captação de energia solar5, comunicações sem fio6 e sensores7. Uma extensa pesquisa baseada em projetos de MA foi publicada. Dependendo da faixa do espectro em que o metamaterial EM opera, ele pode ser facilmente operado para diferentes frequências, incluindo regimes de terahertz, visível e infravermelho (IR) . Para classificação da largura de banda de absorção, os MAs de banda estreita encontram aplicações na manipulação de emissões térmicas, sensores, nanoantenas e ressonadores . Os absorvedores de banda larga, por outro lado, têm utilização em emissores térmicos, conversores de energia solar e uma variedade de outras aplicações optoeletrônicas .

Tem havido uma ampla gama de atividades de pesquisa nos últimos anos que ampliam a largura de banda de absorção para melhorar o desempenho e aumentar as capacidades. A primeira abordagem para alcançar a absorção de banda larga é usar multirressonâncias integrando vários tamanhos de múltiplos ressonadores para formar uma célula unitária absorvedora. Tais absorvedores oferecem alta flexibilidade na obtenção das propriedades espectrais de absorção desejadas, variando a geometria e as dimensões estruturais dos ressonadores envolvidos . A segunda abordagem é utilizar estruturas multicamadas com diferentes parâmetros geométricos na direção vertical, separadas por camadas dielétricas, para ampliar a largura de banda espectral de absorção . No entanto, adicionar mais camadas implica processos de microfabricação intrincados e aumento de custos. Isto pode obstruir o avanço dos absorvedores de metamateriais. Consequentemente, é essencial criar metamaterial de topologia simples capaz de alcançar absorção de alta eficiência .

A configuração MIM pode fornecer aprimoramento na largura de banda de absorção. Até o momento, vários estudos foram propostos para maximizar a absorção de estruturas MA tanto em intensidade quanto em banda larga10,23. O método mais comum é otimizar as dimensões da estrutura e moldar a camada metálica da superfície superior da estrutura do metamaterial. Por exemplo, um absorvedor de metamaterial em forma de prisma triangular com uma absorvância média de 97,85% alcançou uma absorção quase perfeita na faixa de 200 a 2.980 nm . Outra estrutura MA com um ressonador em forma de machado de tamanho duplo demonstrou mais de 90% de absorção na faixa espectral do visível ao infravermelho próximo (isto é, de 320 a 982 nm) . Além disso, Majid Aalizadeh introduziu o design de metamateriais baseado em um ressonador em forma de nanodisco para absorção de luz abrangendo a faixa do visível ao infravermelho médio (isto é, de 478 a 3278 nm), resultando em uma absorção de banda larga .