[論文レビュー] Genetic-algorithm-aided ultra-broadband perfect absorbers using plasmonic metamaterials

Mayer, Alexandre, Bi, Hai+6 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2021

Metamaterials and Metasurfaces Applications被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、交互に金属/誘電体層を有する切断錐構造の周期的アレイを用いて、遺伝的アルゴリズム（GA）を用いて超広帯域プラズモニックメタマテリアル吸収体を最適化する。Ni、Ti、Cr、WとPMMA誘電体を用いて10^17を超える構成を探索した結果、420–1600 nmの範囲で統合吸収率が99%を超える設計が特定され、高い耐障害性と低い入射角依存性を示した。一方、Au や Ag などの貴金属は、この用途では最適な性能を発揮しないことが明らかになった。

ABSTRACT

Complete absorption of electromagnetic waves is paramount in today's applications, ranging from photovoltaics to cross-talk prevention into sensitive devices. In this context, we use a genetic algorithm (GA) strategy to optimize absorption properties of periodic arrays of truncated square-based pyramids made of alternating stacks of metal/dielectric layers. We target ultra-broadband quasi-perfect absorption of normally incident electromagnetic radiations in the visible and near-infrared ranges (wavelength comprised between 420 and 1600 nm). We compare the results one can obtain by considering one, two or three stacks of either Ni, Ti, Al, Cr, Ag, Cu, Au or W for the metal, and poly(methyl methacrylate) (PMMA) for the dielectric. More than 10^17 configurations of geometrical parameters are explored and reduced to a few optimal ones. This extensive study shows that Ni/PMMA, Ti/PMMA, Cr/PMMA and W/PMMA provide high-quality solutions with an integrated absorptance higher than 99% over the considered wavelength range, when considering realistic implementation of these ultra-broadband perfect electromagnetic absorbers. Robustness of optimal solutions with respect to geometrical parameters is investigated and local absorption maps are provided. Moreover, we confirm that these optimal solutions maintain quasi-perfect broadband absorption properties over a broad angular range when changing the inclination of the incident radiation. The study also reveals that noble metals (Au, Ag, Cu) do not provide the highest performance for the present application.

研究の動機と目的

• 可視光から近赤外帯域の超広帯域完全電磁波吸収体（PEA）の開発を目的とする。
• 420–1600 nmの範囲で準完全吸収を達成する金属/誘電体積層構造の最適な組み合わせを同定すること。
• 幾何的パラメータおよび入射角の変化に対するこれらの吸収体の性能と耐障害性を評価すること。
• 貴金属（Au、Ag、Cu）が広帯域吸収性能において他の金属を上回るかどうかを特定すること。

提案手法

• 幾何的変数（金属/誘電体層の水平寸法 L1, L2, L3、厚さ t1, t2, t3、周期 P）の13.9兆通りのパラメータコンビネーションを最適化するために遺伝的アルゴリズム（GA）を用いる。
• GAは変数をグレイコードで符号化し、ランクベース選択、バイナリおよび実数値クロスオーバー、および等方的ミューテーションを有効とした適応的ミューテーションを採用する。
• 適合度評価は、420–1600 nm範囲における吸収率（A）に基づき、最良個体の周辺で二次近似を用いて収束を加速する。
• 有限要素シミュレーションと厳密なカップルドウェーブ解析（RCWA）を用いて吸収率を計算し、数値的安定性を確保するため21×21の平面波グリッドを用いて検証を行う。
• 耐障害性は、パラメータ変動に対する感度テストおよび異なる平面波数（11×11 対 21×21）の結果比較により評価する。
• 最適吸収体の局所化および入射角不感性を評価するために、場の分布図および角度応答を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 420–1600 nmの範囲で、切断錐メタマテリアル構造においてどの金属/誘電体の組み合わせが最高の広帯域吸収率を達成するか？
• RQ2 貴金属（Au、Ag、Cu）は、ベース金属（Ni、Ti、Cr、W）と比較して、超広帯域吸収性能で優れているか？
• RQ3 最適な吸収体設計は、幾何的パラメータの変動に対してどの程度耐障害性を示すか？
• RQ4 入射角の変化に伴い吸収率はどのように変化するか？また、準完全吸収の角度帯域幅はどの程度か？
• RQ5 平面波数の感度を用いることで、数値的収束性および解の信頼性を評価できるか？

主な発見

• Ni/PMMA、Ti/PMMA、Cr/PMMA、W/PMMAの構造は、420–1600 nmの範囲で統合吸収率が99%を超える。
• 最適な解は、入射角が60°まででも99%以上の吸収率を維持し、強い角度耐障害性を示した。
• Au、Ag、Cu などの貴金属は最高の性能を発揮せず、代わりにNi、Ti、Cr、W が優れた広帯域吸収性能を示した。
• GAによって同定された解は、21×21平面波を用いた収束テストにより数値的に安定であることが確認され、11×11の結果と最小限の差異を示した。
• パラメータ変動に対して感受性が高い解は、高密度平面波グリッドで顕著なずれを示し、不安定であることが確認され、その除外が正当化された。
• 局所吸収マップは、金属/誘電体界面での強い電場閉じ込めを確認し、局所表面プラズモンの励起が主な吸収メカニズムであることを示した。