光子表面波促进单层石墨烯的红外完美吸收

引言

近年来，石墨烯由于其独特的物理、光电和机械优势，在光子，光电子及相关领域受到广泛关注，例如：光电转换/探测领域。然而，石墨烯的低吸收，特别是单层或少数层石墨烯，仍然是限制石墨烯基光电子系统性能的关键因素之一。单层石墨烯的吸收率仅为2.3％；对于强光照射，由于导带被填满（价带被抽空），带间跃迁被阻断，石墨烯光吸收达到饱和。因此，提高石墨烯吸收率是其广泛应用的先决条件。另外，石墨烯可激发本征表面等离子体激元（SPPs），相比于金属SPPs，其拥有更高的电磁场局域，更长的极化激元寿命以及可调谐的等离子体色散关系。基于石墨烯本征SPPs的光电探测器可以使光电流增强一个数量级。值得注意的是，针对石墨烯材料的陷光结构大部分基于复杂的纳米结构，包括超材料、由几十对介质膜层组成的微腔结构或利用纳米图案化金属体系激发SPPs。此外，金属的存在常常导致较高的寄生吸收，进一步限制了石墨烯的吸收。因此，石墨烯光电应用迫切需要结构简单且易制作的吸收增强方案，以促进其发展。

成果简介

近日，苏州大学李孝峰（通讯作者）课题组在Nano Energy上发表了题为“Photonic surface waves enabled perfect infrared absorption by monolayer graphene”的文章。研究团队提出了基于纯介质平面系统的光子表面波辅助增强石墨烯光吸收，通过7层介质薄膜及耦合棱镜激发布洛赫表面波（BSW）并产生电场增强，实现了厚度约为0.34 nm的单层石墨烯在红外波段的完全光吸收（1310nm，工作波长可通过结构参数调节）。在详细研究BSW激发条件的基础上，发现基于非周期结构的广义表面波也可以实现石墨烯完美吸收。平面纯介质表面波系统为低成本和高性能的二维器件应用提供了有价值的方案。

图文导读

图1布洛赫面波的色散曲线和电场、磁场切向分量的分布

（a）布洛赫面波的色散曲线（红线）。灰色（白色）区域表示理想光子晶体的允带（禁带）；

（b）1.31 μm入射波长、45°入射角下，BSW器件的电场和磁场切向分量分布，即|Ey|（红线）和|Hx|（蓝线）。

图2 BSW辅助的石墨烯完美吸收器

（a） BSW辅助的石墨烯完美吸收体（B-SGPA）示意图；

（b）45°入射角下B-SGPA的反射，透射和吸收光谱；

（c）电场和磁场切向分量的分布；

（d）器件吸收随入射角和波长的变化。

图3 B-SGPA导纳轨迹

向前（a）和向后（c）光学传输矩阵法计算得到的导纳轨迹。

其中插图是放大视图，相应的图层编号见图2a；其中，红色实线、黑色实线和灰色虚线分别对应缺陷层、光子晶体MgF2层和光子晶体TiO2层内的导纳变化。

从导纳轨迹提取的层与层之间界面处的导纳实部（b）和虚部（d）。

图4结构及材料参数对石墨烯吸收的影响

（a）光子晶体对数Npair、（b）缺陷层厚度ddefect、（c）TiO2层厚度dTiO2、（d）MgF2层厚度dMgF2和（e）石墨烯费米能级EF对吸收率的影响；（f）势垒模型示意图。

图5 通过控制缺陷层和PC层的厚度，实现B-SGPA导纳匹配

图6 表面波辅助石墨烯完美吸收器（SGPA）

（a） SGPA的导纳图；

（b）电场和磁场切向分量的分布；

（c）入射角为45°时SGPA的吸收光谱；

图7 B-SGPA的制造程序

小结

该设计从表面波的光学基础、传输矩阵计算、导纳轨迹控制、器件吸收性能到扩展器件设计逐渐深入。使用导纳图/匹配以及虚拟腔和势垒模型揭示BSW的物理和激发。BSW系统具有高度可调性，可轻易控制石墨烯吸收率及B-SGPA工作波长。此外，通过改变导纳轨迹并调整器件参数，该研究提出B-SGPA的导纳设计方案，能够更加灵活地实现导纳匹配，从而可以采用非周期系统激发一般的表面电磁波，并实现石墨烯完美吸收。这项研究提供了一个全新的石墨烯吸收增强方案，通过使用简单的薄膜系统，而不是金属或复杂的纳米结构系统，实现极高的光学性能。基于表面电磁波的石墨烯完美吸收器不仅有助于降低制造成本，且拥有与现有光电系统更好的兼容性；B-SGPA的窄带和高吸收响应也可应用于高效的光电转换器件和超灵敏传感器中。