بخشی از مقاله
چکیده - فرامواد هایپربولیک یکی از پرکاربردترین شاخههای مواد مصنوع هستند که از ترکیب مواد دی الکتریک و فلز ساخته می شوند. این ساختارها به دلیل ویژگی های اپتیکی منحصر به فرد و همچنین فراهم آوردن قابلیت مهندسی پاسخ های اپتیکی، در حوزه های مختلف علوم بسیار مورد توجه قرار گرفتهاند. در این مقاله طراحی افزاره چندلایهای فراماده هایپربولیک و نتایج مشخصهیابی اپتیکی آن با استفاده از شبیه سازی FDTD ارائه شده است. نتایج بدست آمده ساختاری مهندسی شده با توان بازتاب بالای 80 درصد در پهن باند 800-485 نانومتر - ناحیه طول موجی مرئی - و توان عبور بالا در طول موج های کوتاهتر از 485 نانومتر را نشان میدهد.
-1 مقدمه
در دو دهه اخیر نیاز به موادی با خواص نوری جدید محققین و دانشمندان را به سمت مفهومی به نام فرامواد هدایت کرده است. پیشرفت همزمان روش های ساخت ادوات نانومتری نیز از انگیزههای اصلی برای تمرکز بیشتر در حوزه ساختارهای زیرطول موجی و پدیدههای منحصر به فرد آنها شده است. فرامواد، ساختارهایی در ابعاد زیرطول موج هستند که خواص نوری غیرمعمول از خود نشان میدهند که برای مهندسی کردن و کنترل انتشار امواج الکترومغناطیسی استفاده میشوند.
در این میان دستهای از مواد مصنوع که به عنوان یکی از مهمترین مواد در ناحیه طول موجهای مرئی شناخته شده اند، فرامواد هایپربولیک هستند . - HMM 1 - تحقیقات بر روی فرامواد هایپربولیک با تمرکز بر ویژگی ناهمسانگردی شدید در پاسخ اپتیکی آنها آغاز شد. پس از آن با گسترش یافتن کاربردهای این نوع از فرامواد در تصویرنگاری زیرطولموجی، موجبرهای نانومتری، محبوس-سازی نور، افزایش تابش خودبخودی تابشگرهای کوانتومی و حسگرهای زیستی1 ]و[2 ، زمینه تحقیقات بر روی این مواد گسترش یافت.
از دلایل عمده برای توجه دانشمندان به این مواد میتوان سادگی در ساخت، پاسخ غیرتشدیدی در حالت توده ای2، تنظیمپذیری در بازه بزرگ طولموجی را نام برد] 1و.[2 در این مقاله ابتدا به معرفی تئوری فرامواد هایپربولیک چندلایهای که خواص هایپربولیک در ناحیه مرئی از خود بروز میدهند، میپردازیم و در ادامه با استفاده از شبیهسازی بر مبنای روش FDTD3 افزاره هایپربولیک چندلایهای متشکل از 14 لایه متناوب از نقره و اکسیدآلومینیوم طراحی شده و ضرایب گذردهی الکتریکی و همچنین طیف بازتابی و عبوری آن در بازه طول موجی 800-300 نانومتر محاسبه و ارائه میشود.
-2 تئوری
فرامواد هایپربولیک چندلایهای، با قرار گرفتن متناوب لایه-های نازک - در ابعاد نانومتر - فلز و دیالکتریک بر روی یکدیگر طراحی میشوند. سلول واحد در این ساختارها دولایهایهای فلز و دی الکتریک است. با تکرار سلول واحد، جفتشدگی بین پلاسمون پولاریتونهای سطحی موجب تشکیل مدهای بلاخ حجمی میشود. چنین رفتاری باعث میشود که بر خلاف ساختارهای مبتنی بر تشدید پلاسمونی، ساختارهای فرامواد هایپربولیک پاسخهای اپتیکی غیرتشدیدی و پهنباند داشته باشند. ویژگی منحصر به فرد این ساختارهای غیرتشدیدی و غیرمغناطیسی، ناهمسانگردی شدید در پارامترهای اپتیکی آن است. توضیح دقیق این ویژگی منحصر به فرد با استفاده از مفهوم سطوح هم فرکانس امکان پذیر است.
-3 نتایج و بحث
در این مقاله با استفاده از شبیهسازی بر اساس روش FDTD، ساختار هایپربولیک چندلایهای متشکل از 14 لایه متناوب از اکسیدآلومینیوم11 و نقره 7 - سلول واحد - را طراحی کردهایم. ساختار طراحی شده با 10 نانومتر نقره و 25 نانومتر اکسید آلومینیوم و با ضریب پرشدگی %28 تئوری محیط موثر را برآورده میکند. در شکل2، بخش حقیقی - خط آبی - و بخش موهومی - خط قرمز - مقادیر گذردهی الکتریکی نقره و همچنین گذردهی الکتریکی اکسیدآلومینیوم - خط سبز - که از کتابخانه مواد پالیک12 استخراج شده اند، نشان داده شده است.
