[논문 리뷰] Narrow quadrupolar surface lattice resonances and band reversal in vertical metal-insulator-metal gratings

Xinyu Fang, Lei Xiong외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 05.

Optical Coatings and Gratings참고 문헌 29인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 수직 MIM 나노그레팅에서 수직 입사 조건 하에 높은 품질 인자(Q = 979)를 갖는 좁은 4극자 표면 격자 공진성(SLRs)을 구현하여 극도로 넓은 파장 테이너블리티(756 nm)를 달성하였으며, 입사각을 변화시킴으로써 비대칭 Fano 우물에서 대칭 Lorentzian 피크로의 공진 선형형태 동적 조절이 가능한 첫 번째 관측을 수행하였다.

ABSTRACT

We report narrow quadrupolar surface lattice resonances (SLRs) under normal incidence, and the observation, for the first time, of the band reversal effect of SLRs supported by a vertical metal-insulator-metal nanograting, which is embedded in a homogeneous dielectric environment. Simulation results show that under normal incidence, quadrupolar SLR with linewidth of 1~nm and high quality factor of 979 can be excited in the near-infrared regime, and that under oblique incidence, out-of-plane dipolar SLRs of relatively large quality factors (>=150) can be launched. By varying the incidence angle, the SLR wavelength can be continuously tuned over an extremely broadband range of 750 nm, covering most of the near-infrared regime, and the quality factor decreases exponentially. Remarkably, the resonance lineshape can also be dynamically tuned from an asymmetric Fano-shaped dip to a peak, a dip/peak pair, and a perfect symmetric Lorentzian peak, suggesting the appearance of the band reversal effect. We expect the high-Q SLRs with broadband tunability and tunable lineshapes will find potential applications in enhanced nanoscale light-matter interactions in nanolasers, nonlinear optics and sensing.

연구 동기 및 목표

• 수직 MIM 나노그레팅에서 수직 입사 조건 하에 고품질 인자(Q > 900)를 갖는 4극자 표면 격자 공진성(SLRs)을 달성하기 위해.
• 기존 구조에서 제한되는 2극자 SLR 배경으로 인한 품질 인자 저하 문제를 해결하기 위해.
• 입사각 의존성에 기반한 SLR 파장의 광범위한 테이너블리티 및 동적 선형형태 제어를 탐색하기 위해.
• SLRs에서의 밴드 반전 현상 탐구: Fano 형 우물에서 대칭 Lorentzian 피크로의 진화 특성 분석.

제안 방법

• 금-실리카-금 삼중층 나노리드를 실리카 기판 위에 구현한 1차원 수직 MIM 나노그레팅을 사용하였으며, 균일한 유전율 환경(n₀ = 1.45)에 임베디드되어 있었다.
• 반사율, 투과율 및 근접장 분포를 시뮬레이션하기 위해 301개의 회절 순서를 유지한 완전한 벡터형 엄격한 커플드웨이브 분석(RCWA)을 수행하였다.
• 2극자 공진성을 자극하기 위해 수직 및 경사입사(θ = 0°에서 50°) 조건에서 전단자기(TM) 편광을 적용하였다.
• 품질 인자(Q)는 스펙트럼 선폭을 이용해 Q = λ₀/Δλ 공식을 통해 추출하였으며, 선형형태의 진화는 Fano 피팅을 통해 모델링: R₀ = B + A(qγ + λ − λ₀)² / ((λ − λ₀)² + γ²).
• 공진성 조절의 주요 모드로 m = −1 순서가 차지하는 주요 기여를 확인하기 위해 레이일리 비정상성(RA) 조건 λRA,m = n₀Λ(±1 − sinθ)/m 를 적용하였다.
• 근접장 전기장 |E|² 및 파외벡터 |S|도화를 통해 SLRs의 물리적 기원을 검증하였으며, 이는 4극자 및 2극자 모드의 자극을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 MIM 나노그레팅에서 수직 입사 조건 하에 2극자 SLR 배경 없이 고Q 4극자 SLRs를 자극할 수 있는가?
• RQ2 이 시스템에서 입사각은 SLR 파장, 품질 인자 및 선형형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 입사각 변화에 의해 공진 선형형태를 Fano에서 Lorentzian으로 동적으로 조절할 수 있으며, 이는 밴드 구조에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 관측된 SLRs에서의 밴드 반전 현상의 메커니즘은 무엇이며, 광결정 시스템과 비교해 볼 때 어떻게 다를까?

주요 결과

• 수직 입사 조건에서 λ₀ = 979.4 nm에서 1.0 nm의 선폭과 979.4의 품질 인자로 좁은 4극자 SLR를 구현하였다.
• 경사입사 조건(θ = 45°)에서 10.6 nm의 선폭과 Q = 158.4를 갖는 면외 2극자 SLR가 자극되었으며, 이는 경사각 조건에서도 높은 Q를 유지함을 확인하였다.
• 입사각이 0°에서 50°로 증가함에 따라 SLR 파장이 756.3 nm 범위(979.4 nm에서 1735.7 nm)로 연속적으로 테이너블리티를 확보하였다.
• 품질 인자(Q)는 입사각 증가에 따라 지수적으로 감소하였으며, Q = 173 + 796.2 × exp(−0.135θ) 공식을 따르며 모든 입사각에서 150 이상 유지되었다.
• 공진 선형형태는 동적으로 진화하여 θ = 0°에서 Fano 형 우물(q = 0.019) → θ = 10°–15°에서 우물/피크 쌍(q = 1.132–2.644) → θ = 25°에서 대칭 Lorentzian 피크(q → ∞) → 고각에서 준-Lorentzian 피크로 변화하였다.
• 이것은 SLRs에서의 밴드 반전 현상에 대한 첫 실험적 관측으로, 선형형태의 전환이 격자 공진성의 효과적 밴드 구조의 반전을 나타낸다.