Conception et optimisation d'un absorbeur métamatériau large bande à base de manganèse pour des applications visibles

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11937 (2023) Citer cet article

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Les absorbeurs de métamatériaux ont fait l’objet de recherches approfondies en raison de leurs applications potentielles en photonique. Cet article présente un absorbeur de métamatériaux à large bande (BMA) très efficace basé sur une structure à trois couches manganèse-silice-manganèse avec un motif façonné sur la couche supérieure. Pour une efficacité d'absorption maximale, les paramètres géométriques de l'absorbeur proposé ont été optimisés sur la base de l'optimisation par essaim de particules (PSO). La structure optimale, d'une épaisseur de 190 nm, peut atteindre plus de 94 % d'absorption sur la bande visible (400 à 800) nm avec une absorption moyenne de 98,72 % et plus de 90 % d'absorption sur la plage de 365 à 888 nm. Dans la plage de 447 à 717 nm, la conception présentait une absorptivité supérieure à 99 %, offrant une bande passante ultra-large de 270 nm. Le mécanisme physique de l'absorption est illustré à travers l'exploration des distributions des champs électriques et magnétiques. De plus, la structure proposée maintient une stabilité d'absorption de 85 % pour des angles d'incidence larges jusqu'à 70° pour les polarisations TE et TM sous incidence oblique. De plus, la structure optimisée de l'absorbeur avec d'excellentes capacités d'absorption le rend adapté à diverses applications, notamment les capteurs optiques, les émetteurs thermiques et les applications d'imagerie couleur.

Au cours de la dernière décennie, les absorbeurs de métamatériaux (MA), qui sont construits avec des cellules unitaires de taille inférieure à la longueur d'onde, constituées de métal-isolant-métal (MIM)1,2, ont suscité beaucoup d'intérêt. Les propriétés électromagnétiques (EM) distinctives des métamatériaux, telles que leur perméabilité négative et leur constante diélectrique négative3,4, permettent d'être appliquées efficacement à diverses applications, telles que la récupération d'énergie solaire5, les communications sans fil6 et les capteurs7. Des recherches approfondies basées sur les conceptions MA ont été publiées. En fonction de la gamme spectrale dans laquelle le métamatériau EM fonctionne, il peut être facilement utilisé pour différentes fréquences, notamment les régimes térahertz8, visible et infrarouge (IR)9,10,11. Pour la classification de la bande passante d'absorption, les MA à bande étroite trouvent des applications dans la manipulation des émissions thermiques, les capteurs, les nano-antennes et les résonateurs12,13. Les absorbeurs à large bande, en revanche, sont utilisés dans les émetteurs thermiques, les convertisseurs d’énergie solaire et diverses autres applications optoélectroniques14,15.

De nombreuses activités de recherche ont été menées ces dernières années pour élargir la bande passante d'absorption afin d'améliorer les performances et d'augmenter les capacités. La première approche pour obtenir une absorption à large bande consiste à utiliser des résonances multiples en intégrant différentes tailles de résonateurs multiples pour former une cellule unitaire absorbante. De tels absorbeurs offrent une grande flexibilité pour obtenir les propriétés spectrales d'absorption souhaitées en faisant varier la géométrie et les dimensions structurelles des résonateurs impliqués16,17,18. La deuxième approche consiste à utiliser des structures multicouches avec différents paramètres géométriques dans la direction verticale, séparées par des couches diélectriques, pour élargir la bande passante spectrale d'absorption. Cependant, l’ajout de couches supplémentaires implique des processus de microfabrication complexes et des coûts accrus. Cela peut entraver l’avancement des absorbeurs de métamatériaux. Par conséquent, il est essentiel de créer un métamatériau de topologie simple capable d’atteindre une absorption à haut rendement21,22.

La configuration MIM peut améliorer la bande passante d'absorption. À ce jour, plusieurs études ont été proposées pour maximiser l'absorption des structures MA en intensité et en large bande . La méthode la plus courante consiste à optimiser les dimensions de la structure et à façonner la couche métallique de la surface supérieure de la structure du métamatériau. Par exemple, un absorbeur métamatériau en forme de prisme triangulaire avec une absorbance moyenne de 97,85 % avait atteint une absorption presque parfaite dans la plage de 200 à 2 980 nm24. Une autre structure MA avec un résonateur en forme d'axe double a démontré une absorption de plus de 90 % dans la plage spectrale du visible au proche infrarouge (c'est-à-dire de 320 à 982 nm)25. De plus, Majid Aalizadeh a introduit la conception de métamatériaux basée sur un résonateur en forme de nanodisque pour l'absorption de la lumière couvrant la plage du visible au moyen infrarouge (c'est-à-dire de 478 à 3 278 nm), ce qui entraîne une absorption à large bande26.