Конфигурация Кречмана как метод увеличения оптического поглощения в двумерных графеноподобных полупроводниках

Цели. Оптические свойства двумерных полупроводниковых материалов, в частности монослойных дихалькогенидов переходных металлов, предоставляют новые возможности в области нанои оптоэлектроники. Однако практическое применение этих материалов ограничено из-за низкой способности поглощать свет, вызванной их высокой прозрачностью. При работе с такими тонкими структурами возникает возможность использования множества физических механизмов, включая резонансные и плазмонные эффекты, которые можно настроить для улучшения эффективности поглощения света. Цель данной работы – оптимизация поглощения света в двумерном полупроводнике в конфигурации Кречмана с учетом указанных выше явлений для последующего применения в устройствах оптоэлектроники.
Методы. Для проведения моделирования использован метод конечных элементов решения уравнений Максвелла в структуре, представляющей стандартную конфигурацию Кречмана. Проведен параметрический анализ влияния трех параметров: угла падения света, толщины металлического слоя и толщины полупроводникового слоя.
Результаты. Проведено исследование конфигурации модели Кречмана с целью достижения максимального оптического поглощения в двумерной полупроводниковой пленке. Определены параметры, при которых наблюдается наибольшая «площадь» пика поглощения, включая толщину металлического слоя и угол падения излучения. На основе полученных результатов выявлены лучшие параметры для достижения наивысшей степени поглощения в двумерной пленке полупроводника.
Выводы. На основе численных исследований конфигурации модели Кречмана обнаружено, что оптимальными параметрами для максимального поглощения в монослойной пленке являются: толщина слоя серебра, не превышающая 20 нм, и угол падения света от 55° до 85°. Установлено, что максимальное поглощение в двумерной пленке составляет лишь часть от общего поглощения всей структуры. Таким образом, для достижения максимальной эффективности в определенных оптоэлектронных приложениях необходим индивидуальный подход к выбору параметров.

1. Liu J.-T., Wang T.-B., Li X.-J., Liu N.-H. Enhanced Absorption of Monolayer MoS2 with Resonant Back Reflector. J. Appl. Phys. 2014;115:193511. https://doi.org/10.1063/1.4878700

2. Jeong H.Y., Kim U.J., Kim H., et al. Optical Gain in MoS2 via Coupling with Nanostructured Substrate: Fabry–Perot Interference and Plasmonic Excitation. ACS Nano. 2016;10(9):8192–8198. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b03237

3. Huang X., Feng X., Chen L., Wang L., Tan W.C., Huang L., Ang K.-W. Fabry-Perot Cavity Enhanced Light-Matter Interactions in Two-Dimensional van Der Waals Heterostructure. Nano Energy. 2019;62:667–673. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.05.090

4. Kumari S., Dalal J., Kumar V., Kumar A., Ohlan A. Emerging Two-Dimensional Materials for Electromagnetic Interference Shielding Application. Int. J. Mol. Sci. 2023;24(15):12267. https://doi.org/10.3390/ijms241512267

5. Gorbatova A.V., Khusyainov D.I., Yachmenev A.E., Khabibullin R.A., Ponomarev D.S., Buryakov A.M., Mishina E.D. A Photoconductive THz Detector Based on a Superlattice Heterostructure with Plasmonic Amplification. Tech. Phys. Lett. 2020;46(11):1111–1115. https://doi.org/10.1134/S1063785020110218

6. Yu L., Liu D., Qi X.-Z., Xiong X., Feng L.-T., Li M., Guo G.-P., Guo G.-C., Ren X.-F. Gap Plasmon-Enhanced Photoluminescence of Monolayer MoS2 in Hybrid Nanostructure. Chinese Phys. B. 2018;27(4):047302. https://doi.org/10.1088/1674-1056/27/4/047302

7. Johnson A.D., Cheng F., Tsai Y., Shih C.K. Giant Enhancement of Defect-Bound Exciton Luminescence and Suppression of Band-Edge Luminescence in Monolayer WSe2-Ag Plasmonic Hybrid Structures. Nano Lett. 2017;17(7):4317–4322. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b01364

8. Butun S., Tongay S., Aydin K. Enhanced Light Emission from Large-Area Monolayer MoS2 Using Plasmonic Nanodisc Arrays. Nano Lett. 2015;15(4):2700–2704. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b00407

9. Su H., Wu S., Yang Y., Leng Q., Huang L., Fu J., Wang Q., Liu H., Zhou L. Surface Plasmon Polariton–Enhanced Photoluminescence of Monolayer MoS2 on Suspended Periodic Metallic Structures. Nanophotonics. 2020;10(2):975. https://doi.org/10.1515/nanoph-2020-0545

10. Miao J., Hu W., Jing Y., Luo W., Liao L., Pan A., Wu S., Cheng J., Chen X., Lu W. Surface Plasmon-Enhanced Photodetection in Few Layer MoS2 Phototransistors with Au Nanostructure Arrays. Small. 2015;11(20):2392–2398. https://doi.org/10.1002/smll.201403422

11. Xu H. Enhanced Light–Matter Interaction of a MoS2 Monolayer with a Gold Mirror Layer. RSC Adv. 2017;7(37): 23109–23113. https://doi.org/10.1039/C6RA27691A

12. Guo J., Li S., He Z., et al. Near-Infrared Photodetector Based on Few-Layer MoS2 with Sensitivity Enhanced by Localized Surface Plasmon Resonance. Appl. Surf. Sci. 2019;483:1037–1043. https://doi.org/10.1016%2Fj.apsusc.2019.04.044

13. Li Y., DiStefano J.G., Murthy A.A., Cain J.D., et. al. Superior Plasmonic Photodetectors Based on Au@MoS2 Core–Shell Heterostructures. ACS Nano. 2017;11(10):10321–10329. https://doi.org/10.1021/acsnano.7b05071

14. Kats M.A., Genevet P., Aoust G., et. al. Giant Birefringence in Optical Antenna Arrays with Widely Tailorable Optical Anisotropy. Proc. Natl. Acad. Sci. 2012;109(31):12364–12368. http://doi.org/10.1073/pnas.1210686109

15. Ross M.B., Blaber M.G., Schatz G.C. Using Nanoscale and Mesoscale Anisotropy to Engineer the Optical Response of Three-Dimensional Plasmonic Metamaterials. Nat. Commun. 2014;5(1):4090. https://doi.org/10.1038/ncomms5090

16. Li H.-J., Ren Y.-Z., Hu J.-G., Qin M., Wang L.-L. Wavelength-Selective Wide-Angle Light Absorption Enhancement in Monolayers of Transition-Metal Dichalcogenides. J. Light. Technol. 2018;36(16):3236–3241. https://doi.org/10.1109/JLT.2018.2840847

17. Bahauddin S.M., Robatjazi H., Thomann I. Broadband Absorption Engineering to Enhance Light Absorption in Monolayer MoS2. ACS Photonics. 2016;3(5):853–862. http://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00081

18. Ouyang Q., Zeng S., Dinh X.-Q., Coquet P., Yong K.-T. Sensitivity Enhancement of MoS2 Nanosheet Based Surface Plasmon Resonance Biosensor. Procedia Eng. 2016;140:134–139. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2015.08.1114

19. Ouyang Q., Zeng S., Jiang L., et al. Sensitivity Enhancement of Transition Metal Dichalcogenides/Silicon Nanostructure-Based Surface Plasmon Resonance Biosensor. Sci. Rep. 2016;6(1):28190. https://doi.org/10.1038/srep28190

20. Oumekloul Z., Zeng S., Achaoui Y., Mir A., Akjouj A. Multi-Layer MoS2-Based Plasmonic Gold Nanowires at Near-Perfect Absorption for Energy Harvesting. Plasmonics. 2021;16(5):1613–1621. https://doi.org/10.1007/s11468-021-01405-w

21. Furchi M.M., Polyushkin D.K., Pospischil A., Mueller T. Mechanisms of Photoconductivity in Atomically Thin MoS2. Nano Lett. 2014;14(11):6165–6170. https://doi.org/10.1021/nl502339q

22. Di Bartolomeo A., Genovese L., Foller T., et al. Electrical Transport and Persistent Photoconductivity in Monolayer MoS2 Phototransistors. Nanotechnology. 2017;28(11):214002. https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa6d98

23. Huang Y., Zhuge F., Hou J., et al. Van Der Waals Coupled Organic Molecules with Monolayer MoS2 for Fast Response Photodetectors with Gate-Tunable Responsivity. ACS Nano. 2018;12(4):4062–4073. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b02380

24. Liu Y., Zhang H., Geng Y., et al. Long-Range Surface Plasmon Resonance Configuration for Enhancing SERS with an Adjustable Refractive Index Sample Buffer to Maintain the Symmetry Condition. ACS Omega. 2020;5(51):32951–32958. https://doi.org/10.1021/acsomega.0c03923

25. Borah R., Smets J., Ninakanti R., et al. Self-Assembled Ligand-Capped Plasmonic Au Nanoparticle Films in the Kretschmann Configuration for Sensing of Volatile Organic Compounds. ACS Appl. Nano Mater. 2022;5(8):11494–11505. http://doi.org/10.1021/acsanm.2c02524

26. Jamil N.A., Menon P.S., Said F.A., et al. Graphene-Based Surface Plasmon Resonance Urea Biosensor Using Kretschmann Configuration. In: 2017 IEEE Regional Symposium on Micro and Nanoelectronics (RSM). IEEE; 2017. P. 112–115. https://doi.org/10.1109/RSM.2017.8069122

27. Shukla N., Chetri P., Boruah R., Gogoi A., Ahmed G.A. Surface Plasmon Resonance Biosensors Based on Kretschmann Configuration: Basic Instrumentation and Applications. In: Biswas R., Mazumder N. (Eds.). Recent Advances in Plasmonic Probes. Lecture Notes in Nanoscale Science and Technology. 2022. V. 33. P. 191–222. https://doi.org/10.1007/978-3-03099491-4_6

28. Rodrigues E.P., Lima A.M.N., Oliveira L.C., et al. Surface Plasmon Resonance Features of Corrugatec Copper and Gold Films: Grating Mode Operation with Wavelength Interrogation. In: 2017 2nd International Symposium on Instrumentation Systems, Circuits and Transducers (INSCIT). IEEE; 2017. https://doi.org/10.1109/INSCIT.2017.8103505

29. Maheswari P., Ravi V., Rajesh K.B., Rajan Jha. High Performance Bimetallic(Cu-Co) Surface Plasmon Resonance Sensor Using Hybrid Configuration of 2D Materials. J. Environ. Nanotechnol. 2022;11(3):01–10. https://doi.org/10.13074/jent.2022.09.223455

30. West P.R., Ishii S., Naik G.V., Emani N.K., Shalaev V.M., Boltasseva A. Searching for Better Plasmonic Materials. Laser Photon. Rev. 2010;4(6):795–808. https://doi.org/10.1002/lpor.200900055

31. Rycenga M., Cobley C.M., Zeng J., et al. Controlling the Synthesis and Assembly of Silver Nanostructures for Plasmonic Applications. Chem. Rev. 2011;111(6):3669–3712. https://doi.org/10.1021/cr100275d

32. Amendola V., Bakr O.M., Stellacci F. A Study of the Surface Plasmon Resonance of Silver Nanoparticles by the Discrete Dipole Approximation Method: Effect of Shape, Size, Structure, and Assembly. Plasmonics. 2010;5(1):85–97. http://doi.org/10.1007/s11468-009-9120-4

33. Rakić A.D., Djurišić A.B., Elazar J.M., Majewski M.L. Optical Properties of Metallic Films for Vertical-Cavity Optoelectronic Devices. Appl. Opt. 1998;37(22):5271. https://doi.org/10.1364/ao.37.005271

34. Gu H., Song B., Fang M., et al. Layer-Dependent Dielectric and Optical Properties of Centimeter-Scale 2D WSe2: Evolution from a Single Layer to Few Layers. Nanoscale. 2019;11(47):22762–22771. http://doi.org/10.1039/C9NR04270A

35. Leong H.-S., Guo J., Lindquist R.G., Liu Q.H. Surface Plasmon Resonance in Nanostructured Metal Films under the Kretschmann Configuration. J. Appl. Phys. 2009;106(12):124314–124314-5. http://doi.org/10.1063/1.3273359