引言

近年來(lái)，石墨烯由于其獨(dú)特的物理、光電和機(jī)械優(yōu)勢(shì)，在光子，光電子及相關(guān)領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，例如：光電轉(zhuǎn)換/探測(cè)領(lǐng)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(guān)鍵因素之一。單層石墨烯的吸收率僅為2.3％；對(duì)于強(qiáng)光照射，由于導(dǎo)帶被填滿(mǎn)（價(jià)帶被抽空），帶間躍遷被阻斷，石墨烯光吸收達(dá)到飽和。因此，提高石墨烯吸收率是其廣泛應(yīng)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(chǎng)局域，更長(zhǎng)的極化激元壽命以及可調(diào)諧的等離子體色散關(guān)系。基于石墨烯本征SPPs的光電探測(cè)器可以使光電流增強(qiáng)一個(gè)數(shù)量級(jí)。值得注意的是，針對(duì)石墨烯材料的陷光結(jié)構(gòu)大部分基于復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)，包括超材料、由幾十對(duì)介質(zhì)膜層組成的微腔結(jié)構(gòu)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(dǎo)致較高的寄生吸收，進(jìn)一步限制了石墨烯的吸收。因此，石墨烯光電應(yīng)用迫切需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易制作的吸收增強(qiáng)方案，以促進(jìn)其發(fā)展。

成果簡(jiǎn)介

近日，蘇州大學(xué)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(tuán)隊(duì)提出了基于純介質(zhì)平面系統(tǒng)的光子表面波輔助增強(qiáng)石墨烯光吸收，通過(guò)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(chǎng)增強(qiáng)，實(shí)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(zhǎng)可通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)節(jié)）。在詳細(xì)研究BSW激發(fā)條件的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)基于非周期結(jié)構(gòu)的廣義表面波也可以實(shí)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(yīng)用提供了有價(jià)值的方案。

圖文導(dǎo)讀

圖1布洛赫面波的色散曲線和電場(chǎng)、磁場(chǎng)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(zhǎng)、45°入射角下，BSW器件的電場(chǎng)和磁場(chǎng)切向分量分布，即|Ey|（紅線）和|Hx|（藍(lán)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(chǎng)和磁場(chǎng)切向分量的分布；

（d）器件吸收隨入射角和波長(zhǎng)的變化。

圖3 B-SGPA導(dǎo)納軌跡

向前（a）和向后（c）光學(xué)傳輸矩陣法計(jì)算得到的導(dǎo)納軌跡。

其中插圖是放大視圖，相應(yīng)的圖層編號(hào)見(jiàn)圖2a；其中，紅色實(shí)線、黑色實(shí)線和灰色虛線分別對(duì)應(yīng)缺陷層、光子晶體MgF2層和光子晶體TiO2層內(nèi)的導(dǎo)納變化。

從導(dǎo)納軌跡提取的層與層之間界面處的導(dǎo)納實(shí)部（b）和虛部（d）。

圖4結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)對(duì)石墨烯吸收的影響

（a）光子晶體對(duì)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(fèi)米能級(jí)EF對(duì)吸收率的影響；（f）勢(shì)壘模型示意圖。

圖5 通過(guò)控制缺陷層和PC層的厚度，實(shí)現(xiàn)B-SGPA導(dǎo)納匹配

圖6 表面波輔助石墨烯完美吸收器（SGPA）

（a） SGPA的導(dǎo)納圖；

（b）電場(chǎng)和磁場(chǎng)切向分量的分布；

（c）入射角為45°時(shí)SGPA的吸收光譜；

圖7 B-SGPA的制造程序

小結(jié)

該設(shè)計(jì)從表面波的光學(xué)基礎(chǔ)、傳輸矩陣計(jì)算、導(dǎo)納軌跡控制、器件吸收性能到擴(kuò)展器件設(shè)計(jì)逐漸深入。使用導(dǎo)納圖/匹配以及虛擬腔和勢(shì)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(zhǎng)。此外，通過(guò)改變導(dǎo)納軌跡并調(diào)整器件參數(shù)，該研究提出B-SGPA的導(dǎo)納設(shè)計(jì)方案，能夠更加靈活地實(shí)現(xiàn)導(dǎo)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(shí)現(xiàn)石墨烯完美吸收。這項(xiàng)研究提供了一個(gè)全新的石墨烯吸收增強(qiáng)方案，通過(guò)使用簡(jiǎn)單的薄膜系統(tǒng)，而不是金屬或復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)極高的光學(xué)性能?；诒砻骐姶挪ǖ氖┩昝牢掌鞑粌H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(yīng)也可應(yīng)用于高效的光電轉(zhuǎn)換器件和超靈敏傳感器中。