光子表面波促進單層石墨烯的紅外完美吸收

引言

近年來，石墨烯由于其獨特的物理、光電和機械優(yōu)勢，在光子，光電子及相關領域受到廣泛關注，例如：光電轉(zhuǎn)換/探測領域。然而，石墨烯的低吸收，特別是單層或少數(shù)層石墨烯，仍然是限制石墨烯基光電子系統(tǒng)性能的關鍵因素之一。單層石墨烯的吸收率僅為2.3％；對于強光照射，由于導帶被填滿（價帶被抽空），帶間躍遷被阻斷，石墨烯光吸收達到飽和。因此，提高石墨烯吸收率是其廣泛應用的先決條件。另外，石墨烯可激發(fā)本征表面等離子體激元（SPPs），相比于金屬SPPs，其擁有更高的電磁場局域，更長的極化激元壽命以及可調(diào)諧的等離子體色散關系?；谑┍菊鱏PPs的光電探測器可以使光電流增強一個數(shù)量級。值得注意的是，針對石墨烯材料的陷光結(jié)構大部分基于復雜的納米結(jié)構，包括超材料、由幾十對介質(zhì)膜層組成的微腔結(jié)構或利用納米圖案化金屬體系激發(fā)SPPs。此外，金屬的存在常常導致較高的寄生吸收，進一步限制了石墨烯的吸收。因此，石墨烯光電應用迫切需要結(jié)構簡單且易制作的吸收增強方案，以促進其發(fā)展。

成果簡介

近日，蘇州大學李孝峰（通訊作者）課題組在Nano Energy上發(fā)表了題為“Photonic surface waves enabled perfect infrared absorption by monolayer graphene”的文章。研究團隊提出了基于純介質(zhì)平面系統(tǒng)的光子表面波輔助增強石墨烯光吸收，通過7層介質(zhì)薄膜及耦合棱鏡激發(fā)布洛赫表面波（BSW）并產(chǎn)生電場增強，實現(xiàn)了厚度約為0.34 nm的單層石墨烯在紅外波段的完全光吸收（1310nm，工作波長可通過結(jié)構參數(shù)調(diào)節(jié)）。在詳細研究BSW激發(fā)條件的基礎上，發(fā)現(xiàn)基于非周期結(jié)構的廣義表面波也可以實現(xiàn)石墨烯完美吸收。平面純介質(zhì)表面波系統(tǒng)為低成本和高性能的二維器件應用提供了有價值的方案。

圖文導讀

圖1布洛赫面波的色散曲線和電場、磁場切向分量的分布

（a）布洛赫面波的色散曲線（紅線）?；疑ò咨﹨^(qū)域表示理想光子晶體的允帶（禁帶）；

（b）1.31 μm入射波長、45°入射角下，BSW器件的電場和磁場切向分量分布，即|Ey|（紅線）和|Hx|（藍線）。

圖2 BSW輔助的石墨烯完美吸收器

（a） BSW輔助的石墨烯完美吸收體（B-SGPA）示意圖；

（b）45°入射角下B-SGPA的反射，透射和吸收光譜；

（c）電場和磁場切向分量的分布；

（d）器件吸收隨入射角和波長的變化。

圖3 B-SGPA導納軌跡

向前（a）和向后（c）光學傳輸矩陣法計算得到的導納軌跡。

其中插圖是放大視圖，相應的圖層編號見圖2a；其中，紅色實線、黑色實線和灰色虛線分別對應缺陷層、光子晶體MgF2層和光子晶體TiO2層內(nèi)的導納變化。

從導納軌跡提取的層與層之間界面處的導納實部（b）和虛部（d）。

圖4結(jié)構及材料參數(shù)對石墨烯吸收的影響

（a）光子晶體對數(shù)Npair、（b）缺陷層厚度ddefect、（c）TiO2層厚度dTiO2、（d）MgF2層厚度dMgF2和（e）石墨烯費米能級EF對吸收率的影響；（f）勢壘模型示意圖。

圖5 通過控制缺陷層和PC層的厚度，實現(xiàn)B-SGPA導納匹配

圖6 表面波輔助石墨烯完美吸收器（SGPA）

（a） SGPA的導納圖；

（b）電場和磁場切向分量的分布；

（c）入射角為45°時SGPA的吸收光譜；

圖7 B-SGPA的制造程序

小結(jié)

該設計從表面波的光學基礎、傳輸矩陣計算、導納軌跡控制、器件吸收性能到擴展器件設計逐漸深入。使用導納圖/匹配以及虛擬腔和勢壘模型揭示BSW的物理和激發(fā)。BSW系統(tǒng)具有高度可調(diào)性，可輕易控制石墨烯吸收率及B-SGPA工作波長。此外，通過改變導納軌跡并調(diào)整器件參數(shù)，該研究提出B-SGPA的導納設計方案，能夠更加靈活地實現(xiàn)導納匹配，從而可以采用非周期系統(tǒng)激發(fā)一般的表面電磁波，并實現(xiàn)石墨烯完美吸收。這項研究提供了一個全新的石墨烯吸收增強方案，通過使用簡單的薄膜系統(tǒng)，而不是金屬或復雜的納米結(jié)構系統(tǒng)，實現(xiàn)極高的光學性能。基于表面電磁波的石墨烯完美吸收器不僅有助于降低制造成本，且擁有與現(xiàn)有光電系統(tǒng)更好的兼容性；B-SGPA的窄帶和高吸收響應也可應用于高效的光電轉(zhuǎn)換器件和超靈敏傳感器中。