光子表面波輔助促進增強石墨烯光的吸收

日前，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層介質薄膜及耦合棱鏡激發(fā)布洛赫表面波（BSW）并產生電場增強，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，工作波長可通過結構參數(shù)調節(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）。灰色（白色）區(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

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換器件和超靈敏傳感器中。