[논문 리뷰] Genetic-algorithm-aided ultra-broadband perfect absorbers using plasmonic metamaterials

Mayer, Alexandre, Bi, Hai외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 20.

Metamaterials and Metasurfaces Applications인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 주기적인 잘린 피라미드 구조로 이루어진 금속/유전체 다층 구조를 갖는 초광대역 플라스모닉 메타물질 흡수체를 최적화하기 위해 유전 알고리즘을 활용한다. Ni, Ti, Cr, W와 PMMA 유전체를 사용하여 10^17개 이상의 구성 조합을 탐색함으로써, 420–1600 nm 범위에서 통합 흡수율이 99% 이상인 설계를 도출하였으며, 이는 높은 내구성과 낮은 각도 의존성을 보이며, 이와 같은 응용 분야에서 귀금속인 Au와 Ag가 최적 성능을 내지 못한다는 것을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 가시광선에서 가까운 적외선 영역까지 초광대역 완벽한 전자기 흡수체(PEA)를 개발하기 위해.
• 420–1600 nm 범위에서 근사 완벽한 흡수를 달성하는 최적의 금속/유전체 다층 구조 조합을 규명하기 위해.
• 기하학적 변수와 입사 각도 변화에 따른 이 흡수체의 성능과 내구성을 평가하기 위해.
• 귀금속(Au, Ag, Cu)이 이와 같은 응용 분야에서 광대역 흡수 성능에서 다른 금속보다 뛰어나지 않는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 기하학적 변수인 횡방향 치수(L1, L2, L3), 두께(t1, t2, t3), 그리고 반복 간격(P)의 13.9조 가지 조합을 최적화하기 위해 유전 알고리즘(GA)을 사용한다.
• GA는 변수를 그레이 코드로 인코딩하고, 순위 기반 선택, 이진 및 실수형 교배, 등방성 돌연변이 옵션을 갖춘 적응형 돌연변이를 적용한다.
• 적합도 평가 기준은 420–1600 nm 범위에서의 흡수율(A)이며, 최적 개체 근처에서 이차 근사법을 사용해 수렴 속도를 가속화한다.
• 흡수율은 유한요소 시뮬레이션과 엄밀한 커플드웨이브 분석(RCWA)을 사용해 계산하며, 수치적 안정성을 확보하기 위해 21×21 평면파 격자를 사용해 검증한다.
• 내구성 평가는 변수 변동에 대한 민감도 테스트와, 서로 다른 평면파 수(11×11 대비 21×21)의 결과 비교를 통해 평가한다.
• 최적 흡수체의 국소화 및 각도에 대한 민감도를 평가하기 위해 전자기장 맵과 각도 응답을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 420–1600 nm 범위에서 피라미드 메타물질 구조에서 어떤 금속/유전체 조합이 가장 높은 광대역 흡수율을 제공하는가?
• RQ2 귀금속(Au, Ag, Cu)이 기초 금속(Ni, Ti, Cr, W)에 비해 초광대역 흡수 성능에서 뛰어나게 되는가?
• RQ3 최적의 흡수체 설계가 기하학적 변수 변화에 대해 얼마나 내구성이 있는가?
• RQ4 흡수율은 입사 각도에 따라 어떻게 변화하며, 근사 완벽한 흡수의 각도 대역폭은 얼마인가?
• RQ5 평면파 수 민감도를 통해 수치적 수렴성과 해의 신뢰성을 평가할 수 있는가?

주요 결과

• Ni/PMMA, Ti/PMMA, Cr/PMMA, W/PMMA의 구조는 420–1600 nm 범위에서 통합 흡수율이 99%를 초과함.
• 최적의 해는 입사 각도가 60°까지도 흡수율이 99% 이상을 유지하여 강력한 각도 내구성을 보임.
• Au, Ag, Cu와 같은 귀금속은 최고 성능을 내지 못하며, 오히려 Ni, Ti, Cr, W가 더 뛰어난 광대역 흡수 성능을 제공함.
• GA로 도출된 해는 21×21 평면파를 사용한 수렴 테스트를 통해 수치적으로 안정함을 확인하였으며, 내구성 있는 설계의 경우 11×11 결과와의 편차가 미미함.
• 변수 변화에 민감한 해는 높은 평면파 수에서의 결과에서 현저한 편차를 보이며, 이는 불안정성을 확인하고 그들의 기각을 정당화함.
• 국소 흡수 맵은 금속/유전체 인터페이스에서 강한 전자기장 농축을 확인하였으며, 이는 局부 표면 플라스몬의 자극이 주요 흡수 메커니즘임을 시사함.