نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• زهرا صادق تبریزی
• مهدی خزاعی نژاد قره تکان

گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد

چکیده

در طول دهۀ گذشته مواد دو بعدی مانند گرافن و دی­کالکوژن­های فلزات واسطه، به دلیل خواص الکتریکی و نوری قابل ملاحظه‌ای که دارند، توجه گسترده­ای را در نانو فوتونیک و اپتو‌الکترونیک به خود جذب کرده‌اند. برخلاف گرافن با گاف انرژی صفر، دی­کالکوژن­های فلزات واسطه، مانند دی‌سلناید تنگستن که در حالت حجیم گاف انرژی خیلی بزرگ و غیرمستقیم دارند، با کاهش ضخامت آنها به تک لایه، گاف­های نواری مستقیم در ناحیۀ مرئی و فروقرمز نزدیک دارند. با این‌حال به دلیل ضخامت اتمی ذاتی، این مواد با چالش شدیدی برای بر هم‌کنش بین نور و ماده مواجه می­شوند که منجر به جذب و گسیل نور ضعیف می­شود. برای مثال تک لایه­های دی‌سلناید تنگستن با ضخامت 649/0 نانومتر که گاف انرژی 64/1 الکترون ولت دارد، کمتر از 10% نور فرودی را جذب می­کنند. بنابراین افزایش میزان جذب نور در تک لایه­های دی‌سلناید تنگستن و سایر دی­کالکوژن­های فلزات واسطه به مسئلۀ مهمی برای کاربردهای عملی در دستگاه­های الکترونیکی و فوتونیکی تبدیل می‌شود. یک ‌راه­حل برای رفع این مشکل می­تواند ترکیب این تک لایه­ها با ساختارهای پلاسمون سطحی باشد. در این مقاله به دنبال این هستیم که با طراحی یک سلول واحد نسبتاً ساده، میزان جذب نور در ناحیۀ مرئی و فروقرمز نزدیک را به حالت پهن‌باند ارتقا دهیم. میانگین جذب جاذب پیشنهادی در بازۀ طول موجی 600 تا 850 نانومتر تقریباً برابر 93 درصد به دست می­آید. لازم به ذکر است که شبیه‌سازی‌های موجود در این مقاله، به‌وسیلۀ نرم‌افزار لومریکال  انجام‌شده است.این نرم‌افزار مبتنی بر گسسته­سازی معادلات ماکسول در حوزۀ زمان و مکان به کمک روش تفاضل محدود در حوزۀ زمان است.

کلیدواژه‌ها

• دی‌کالکوژن‌های فلزات واسطه
• تک لایه‌های دی‌سلناید تنگستن
• پلاسمون سطحی
• جذب پهن‌باند
• نرم افزار لومریکال

موضوعات

• اپتیک و فوتونیک

عنوان مقاله [English]

Enhanced broadband light absorption by WSe2 mono layers via surface plasmon structures

نویسندگان [English]

• Zahra Sadegh Tabrizi
• Mehdi khazaei nezhad

Department of Physics, Faculty of Science, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran

چکیده [English]

During the last decade, electronic and photonic properties of two-dimensional materials like graphene and transition metal dicalcogenides, have attracted the attention of research in nanophotonics and optoelectronics. Unlike graphene with zero energy gap, transition metal dicalcogenides like WSe2, in their bulk state, have extreme and indirect energy gaps. Moreover, direct bandgaps have approached in visible and infrared regime by reducing the thickness of them to one layer. However, because of their inherent small atomic thickness, these materials face a severe challenge in interaction of light and matter that leads to weak absorption and emission of light. For instance, monolayers of WSe₂ with a thickness of 0.649 nm and an energy gap of 1.64 eV, absorb less than 10 % of incoming light. Therefore, increasing the amount of light absorption in monolayers of WSe₂ and other transition metal dicalcogenides has become an important issue for practical applications in electronic and photonic devices. One solution is the integration of these monolayers and surface plasmon structures. In this paper, we upgrade light absorption in visible and near infrared area to broad band mode by designing a simple unit cell. It is found that the mean absorption of the proposed absorber in the wavelength range of 600 – 850 nm is about 93 %. We have to mention that these simulations have been done by Lumrical software that is based on discretization of Maxwell equations in time and space domains based on the finite difference time domain method.

کلیدواژه‌ها [English]

• transition metal Dichalcogenides
• WSe₂ mono layers
• surface plasmon
• broadband light absorption
• Lumerical package