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Tamm等离子体热发射器的反设计在红外领域的进展

       目前开发廉价有效的红外光源是许多应用领域的迫切需求,从自由空间通信到红外信标再到条形码,红外光源发挥着极大地作用。同时红外光源也可以通过分子传感计量(如非弥散红外传感)提高我们监测环境污染物和毒素的能力。因此,波长选择性热发射体(WS-EMs)因缺乏中长波红外中具有成本效益的窄带源而备受关注。目前大多数WS-EMs采用模式化的纳米结构,不仅成本高、而且使用低通量的光刻方法,不适合许多应用。然而另一种解决方案TPP异质结构是克服了这些缺点,这种TPP异质结构由一个布拉格反射器组成,WS-EMs可以通过分布在金属上的布拉格反射器支持Tamm等离子激元来实现。TPP-EMs可以以相对低成本和最小的制造步骤在晶圆规模上生长,在制造过程只需要薄膜沉积,因此这为WS-EMs提供了一个有前途的候选材料。
       范德比尔特大学机械工程系的Mingze He等人发表在
Nature Materials上的最新研究“Deterministic inverse design of T amm plasmon thermal emitters with multi-resonant control”报道了一种反设计算法来有效地优化由生长在n型掺杂氧化镉薄膜上的非周期性DBR组成的TPP-EMs,提供了对多峰WS-EMs的单独控制。
       反设计协议基于随机梯度下降(SGD),该协议允许CdO的单个层厚度以及载流子密度得到有效优化。我们通过实验验证了我们的设计方法,并在宽光谱范围内实现了单波段、双波段和三波段TPP-EMs,所有的结构都显示出实验和模拟之间的良好一致性。我们从数值上验证了多峰TPP-EMs在NDIR应用中的优势,能够以高灵敏度同时检测多种气体。我们通过展示匹配从 LWIR 到电信波段的任意形状光谱的谐振频率、线形和幅度的能力,包括定义在任何给定频率下的广泛值范围内的因子。最后,通过验证,得到这种功能在贵金属基的TPP-EMs中是不可能实现的,而是由CdO的宽可调等离子体频率实现的。通过高效反设计算法与这些材料的进步相结合,有助于实现具有成本效益的、晶圆规模的、兼容cmos和无光刻的TPP-EMs,适用于多种应用,包括多气体NDIR;环境、大气和化学传感;无线通信;和红外信号。
       用这种方法,我们实验证明单波段和多波段TPP-EMs广泛适用于不同的应用,包括自由空间通信、红外信标和单、多气体过滤NDIR传感,实验结果与仿真结果具有较好的一致性。通过举例说明了从LWIR到电信波段的几种设计,说明匹配TS的前所未有的能力,这样广泛的功能不是TPP-EMs固有的;相反,它是由CdO等离子体频率的宽可调性实现的。在我们的SGD算法和这种可调性的支持下,TPP-EMs的光谱控制为整个红外领域的众多应用提供了具有成本效益的、晶片规模的、兼容cmos和无光刻的解决方案。(AMSC &  QYIM P. Y. Zhao 编报)


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