搜索

x

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于金属光栅实现石墨烯三通道光吸收增强

江孝伟 武华 袁寿财

基于金属光栅实现石墨烯三通道光吸收增强

江孝伟, 武华, 袁寿财
PDF
HTML
导出引用
  • 为了增强单层石墨烯在可见光和近红外波段的吸收效率并实现多通道光吸收. 本文利用石墨烯-金属光栅-介质层-金属衬底混合结构在λ1 = 0.553 μm、λ2 = 0.769 μm、λ3 = 1.130 μm三通道上提高了石墨烯吸收效率, 石墨烯吸收效率最高可达41%. 对3个光吸收增强通道的磁场分布分析可得它们分别源于表面等离子体激元共振、法布里-帕罗干涉腔共振、磁激元共振. 经过模拟分析可知, 通过调节金属光栅宽度、介质层厚度可以调谐混合结构的共振峰波长和吸收效率, 而石墨烯化学势仅能对共振峰λ3的吸收效率有影响. 最后优化结构参数, 在最优结构参数下混合结构在3个光吸收增强通道的光吸收效率可达0.97以上, 这可以作为超材料吸收器.
      通信作者: 武华, wh1125@126.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61575008, 61650404)、浙江省教育厅一般科研项目(批准号: Y201738091, Y201839950)、江西省自然科学基金(批准号: 20171BAB202037)、江西省教育厅科技项目(批准号: GJJ170819)、衢州市科技计划项目(批准号: 2017G16)、智能制造工业与工业大数据技术应用创新团队(批准号: QZCX1801)和赣南师范大学招标课题(批准号: 16zb04)资助的课题.
    [1]

    Zhao B, Zhao J M, Zhang Z M 2014 Appl. Phys. Lett. 105 031905

    [2]

    Lee C, Wei X, Kysar J W, Hone J 2008 Science 321 385

    [3]

    Du X, Skachko I, Barker A, Andrei E Y 2008 Nature Nanotechnol. 3 491

    [4]

    梁振江, 刘海霞, 牛燕雄, 尹贻恒 2016 物理学报 65 138501

    Liang Z J, Liu H X, Niu Y X, Yin Y H 2016 Acta Phys. Sin. 65 138501

    [5]

    Sukosin T, Frank H L K, Javier G D A 2012 Phys. Rev. Lett. 108 47401

    [6]

    Zhao Z, Li G, Yu F, Yang H, Chen X, Lu W 2018 Plasmonics 13 2267

    [7]

    梁振江, 刘海霞, 牛燕雄, 刘凯铭, 尹贻恒 2016 物理学报 65 168101

    Liang Z J, Liu H X, Niu Y X, Liu K M,Yin Y H 2016 Acta Phys. Sin. 65 168101

    [8]

    Gao Y, Zhou G, Zhao N, Tsang H K, Shu C 2018 Opt. Lett. 43 1399

    [9]

    Ferrari A, Ferrante C, Virga A, Benfatto L, Martinati M, Fazio D D 2018 Nat. Commun. 9 308

    [10]

    Sun Z, Hasan T, Torrisi F, Popa D, Privitera G, Wang F 2010 Acs Nano 4 803

    [11]

    Qiu J, Shang Y, Chen X, Li S, Ma W, Wan X 2018 J. Mater. Sci. Technol. 34 2197

    [12]

    Zhang L, Ding Z C, Tong T, Liu J 2017 Nanoscale 9 3524

    [13]

    Hsiao T J, Eyassu T, Henderson K, Kim T, Lin C T 2013 Nanotechnology 24 395401

    [14]

    Lu H, Cumming B P, Gu M 2015 Opt. Lett. 40 3647

    [15]

    Fang Z Y, Wang Y M, Schlather A E, Liu Z, Ajayan P M 2014 Nano Lett. 14 299

    [16]

    张会云, 黄晓燕, 陈琦, 丁春峰, 李彤彤 吕欢欢 徐世林 张晓 张玉萍 姚建铨 2016 物理学报 65 018101

    Zhang H Y, Huang X Y, Chen Q, Ding C F, Li T T, Lü H H, Xu S L, Zhang X, Zhang Y P, Yao J 2016 Acta Phys. Sin. 65 018101

    [17]

    Sang T, Wang R, Li J L, Zhou J Y, Wang Y K 2018 Opt. Commun. 413 255

    [18]

    Wang B, Qin C, Huang H, Long H, Wang K, Lu P 2014 Opt. Express 22 25324

    [19]

    Nair R R, Blake P, Grigorenko A N, Novoselov K S, Booth T J 2008 Science 320 1308

    [20]

    Liu Y, Chadha A, Zhao D, Piper J R 2014 Appl. Phys. Lett. 105 181105

    [21]

    Furchi M, Urich A, Pospischil A, Lilley G, Unterrainer K 2012 Nano Lett. 12 2273

    [22]

    Liu J T, Liu N H, Li J, Li X J, Huang J H 2012 Appl. Phys. Lett. 101 052104

    [23]

    Zhang L, Tang L, Wei W, Cheng X, Wang W, Zhang H 2016 Opt. Express 24 20002

    [24]

    Fang Z, Wang Y, Zheng L, Schlather A, Ajayan P M 2012 Acs Nano 6 10222

    [25]

    Xia S X, Zhai X, Huang Y, Liu J Q, Wang L L, Wen S C 2017 Opt. Lett. 42 3052

    [26]

    Thareja V, Kang J H, Yuan H, Milaninia K M, Hwang H Y, Cui Y 2015 Nano Lett. 15 1570

    [27]

    高健, 桑田, 李俊浪, 王啦 2018 物理学报 67 184210

    Gao J, Sang T, Li J L, Wang L 2018 Acta Phys. Sin. 67 184210

    [28]

    Liu B, Tang C, Chen J Pei M, Wang Q 2017 Opt. Express 25 12061

    [29]

    陈浩, 张晓霞, 王鸿, 姬月华 2018 物理学报 67 118101

    Chen H, Zhang X X, Wang H, Ji Y H. 2018 Acta Phys. Sin. 67 118101

    [30]

    Bao Q, Zhang H, Wang B, Ni Z, Wang Y 2011 Nature Photo. 5 411

    [31]

    Zhao B, Zhao J M, Zhang Z M 2015 J. Opt. Soc. Am. B 32 1176

    [32]

    Wang L P, Zhang Z M 2009 Appl. Phys. Lett. 95 111904

    [33]

    Garciavidal F J, Sanchezdehesa J, Dechelette A 2002 J. Lightwave Technol. 11 2191

    [34]

    叶胜威 2018 博士学位论文(成都: 电子科技大学)

    Ye S W 2018 Ph. D. Dissertation (Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China)(in Chinese)

    [35]

    Su Z, Yin J, Zhao X 2015 Opt. Express 23 1679

    [36]

    Luo C, Ling F, Yao G 2016 Opt. Express 24 1518

  • 图 1  石墨烯-金属光栅-绝缘层-金属衬底混合结构

    Fig. 1.  Graphene-metal grating-insulating layer-metal substrate hybrid structure.

    图 2  有和没有石墨烯层混合结构的吸收率

    Fig. 2.  Absorption efficiency of hybrid structure with and without a graphene layer.

    图 3  混合结构在共振波长处的磁场分布

    Fig. 3.  Magnetic field distribution of hybrid structure at resonance wavelength.

    图 4  光栅宽度对混合结构吸特性的影响

    Fig. 4.  Influence of the width of the grating on the absorption characteristics of the hybrid structure.

    图 5  混合结构RLC等效电路

    Fig. 5.  RLC equivalent circuit of hybrid structure.

    图 6  SiO2层厚度d对混合结构吸特性的影响

    Fig. 6.  Influence of the thickness of the SiO2 layer on the absorption characteristics of the hybrid structure.

    图 7  化学势对混合结构吸收特性的影响

    Fig. 7.  Influence of the chemical potential on the absorption characteristics of the hybrid structure.

    图 8  不同共振波长下化学势对石墨烯介电常数虚部的影响

    Fig. 8.  Influence of the chemical potential on the imaginary part of dielectric constant of graphene at different Resonance wavelength.

    图 9  最优参数下混合结构的吸收效率

    Fig. 9.  Absorption efficiency of optimal mixed structures.

  • [1]

    Zhao B, Zhao J M, Zhang Z M 2014 Appl. Phys. Lett. 105 031905

    [2]

    Lee C, Wei X, Kysar J W, Hone J 2008 Science 321 385

    [3]

    Du X, Skachko I, Barker A, Andrei E Y 2008 Nature Nanotechnol. 3 491

    [4]

    梁振江, 刘海霞, 牛燕雄, 尹贻恒 2016 物理学报 65 138501

    Liang Z J, Liu H X, Niu Y X, Yin Y H 2016 Acta Phys. Sin. 65 138501

    [5]

    Sukosin T, Frank H L K, Javier G D A 2012 Phys. Rev. Lett. 108 47401

    [6]

    Zhao Z, Li G, Yu F, Yang H, Chen X, Lu W 2018 Plasmonics 13 2267

    [7]

    梁振江, 刘海霞, 牛燕雄, 刘凯铭, 尹贻恒 2016 物理学报 65 168101

    Liang Z J, Liu H X, Niu Y X, Liu K M,Yin Y H 2016 Acta Phys. Sin. 65 168101

    [8]

    Gao Y, Zhou G, Zhao N, Tsang H K, Shu C 2018 Opt. Lett. 43 1399

    [9]

    Ferrari A, Ferrante C, Virga A, Benfatto L, Martinati M, Fazio D D 2018 Nat. Commun. 9 308

    [10]

    Sun Z, Hasan T, Torrisi F, Popa D, Privitera G, Wang F 2010 Acs Nano 4 803

    [11]

    Qiu J, Shang Y, Chen X, Li S, Ma W, Wan X 2018 J. Mater. Sci. Technol. 34 2197

    [12]

    Zhang L, Ding Z C, Tong T, Liu J 2017 Nanoscale 9 3524

    [13]

    Hsiao T J, Eyassu T, Henderson K, Kim T, Lin C T 2013 Nanotechnology 24 395401

    [14]

    Lu H, Cumming B P, Gu M 2015 Opt. Lett. 40 3647

    [15]

    Fang Z Y, Wang Y M, Schlather A E, Liu Z, Ajayan P M 2014 Nano Lett. 14 299

    [16]

    张会云, 黄晓燕, 陈琦, 丁春峰, 李彤彤 吕欢欢 徐世林 张晓 张玉萍 姚建铨 2016 物理学报 65 018101

    Zhang H Y, Huang X Y, Chen Q, Ding C F, Li T T, Lü H H, Xu S L, Zhang X, Zhang Y P, Yao J 2016 Acta Phys. Sin. 65 018101

    [17]

    Sang T, Wang R, Li J L, Zhou J Y, Wang Y K 2018 Opt. Commun. 413 255

    [18]

    Wang B, Qin C, Huang H, Long H, Wang K, Lu P 2014 Opt. Express 22 25324

    [19]

    Nair R R, Blake P, Grigorenko A N, Novoselov K S, Booth T J 2008 Science 320 1308

    [20]

    Liu Y, Chadha A, Zhao D, Piper J R 2014 Appl. Phys. Lett. 105 181105

    [21]

    Furchi M, Urich A, Pospischil A, Lilley G, Unterrainer K 2012 Nano Lett. 12 2273

    [22]

    Liu J T, Liu N H, Li J, Li X J, Huang J H 2012 Appl. Phys. Lett. 101 052104

    [23]

    Zhang L, Tang L, Wei W, Cheng X, Wang W, Zhang H 2016 Opt. Express 24 20002

    [24]

    Fang Z, Wang Y, Zheng L, Schlather A, Ajayan P M 2012 Acs Nano 6 10222

    [25]

    Xia S X, Zhai X, Huang Y, Liu J Q, Wang L L, Wen S C 2017 Opt. Lett. 42 3052

    [26]

    Thareja V, Kang J H, Yuan H, Milaninia K M, Hwang H Y, Cui Y 2015 Nano Lett. 15 1570

    [27]

    高健, 桑田, 李俊浪, 王啦 2018 物理学报 67 184210

    Gao J, Sang T, Li J L, Wang L 2018 Acta Phys. Sin. 67 184210

    [28]

    Liu B, Tang C, Chen J Pei M, Wang Q 2017 Opt. Express 25 12061

    [29]

    陈浩, 张晓霞, 王鸿, 姬月华 2018 物理学报 67 118101

    Chen H, Zhang X X, Wang H, Ji Y H. 2018 Acta Phys. Sin. 67 118101

    [30]

    Bao Q, Zhang H, Wang B, Ni Z, Wang Y 2011 Nature Photo. 5 411

    [31]

    Zhao B, Zhao J M, Zhang Z M 2015 J. Opt. Soc. Am. B 32 1176

    [32]

    Wang L P, Zhang Z M 2009 Appl. Phys. Lett. 95 111904

    [33]

    Garciavidal F J, Sanchezdehesa J, Dechelette A 2002 J. Lightwave Technol. 11 2191

    [34]

    叶胜威 2018 博士学位论文(成都: 电子科技大学)

    Ye S W 2018 Ph. D. Dissertation (Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China)(in Chinese)

    [35]

    Su Z, Yin J, Zhao X 2015 Opt. Express 23 1679

    [36]

    Luo C, Ling F, Yao G 2016 Opt. Express 24 1518

  • [1] 高健, 桑田, 李俊浪, 王啦. 利用窄刻槽金属光栅实现石墨烯双通道吸收增强. 物理学报, 2018, 67(18): 184210. doi: 10.7498/aps.67.20180848
    [2] 陈浩, 张晓霞, 王鸿, 姬月华. 基于磁激元效应的石墨烯-金属纳米结构近红外吸收研究. 物理学报, 2018, 67(11): 118101. doi: 10.7498/aps.67.20180196
    [3] 赵承祥, 郄媛, 余耀, 马荣荣, 秦俊飞, 刘彦. 等离激元增强的石墨烯光吸收. 物理学报, 2020, 69(6): 067801. doi: 10.7498/aps.69.20191645
    [4] 谢凌云, 肖文波, 黄国庆, 胡爱荣, 刘江涛. 光子晶体增强石墨烯THz吸收. 物理学报, 2014, 63(5): 057803. doi: 10.7498/aps.63.057803
    [5] 延凤平, 刘鹏, 陶沛琳, 李琦, 彭万敬, 冯亭, 谭思宇. 双包层稀土掺杂光纤抽运吸收特性的分析. 物理学报, 2012, 61(16): 164203. doi: 10.7498/aps.61.164203
    [6] 保石, 罗春荣, 张燕萍, 赵晓鹏. 基于树枝结构单元的超材料宽带微波吸收器. 物理学报, 2010, 59(5): 3187-3191. doi: 10.7498/aps.59.3187
    [7] 张国平, 邹 明, 刘敏敏. 二元矩形金属光栅衍射增强电磁理论. 物理学报, 2006, 55(9): 4608-4612. doi: 10.7498/aps.55.4608
    [8] 王晓, 黄生祥, 罗衡, 邓联文, 吴昊, 徐运超, 贺君, 贺龙辉. 镍层间掺杂多层石墨烯的电子结构及光吸收特性研究. 物理学报, 2019, 68(18): 187301. doi: 10.7498/aps.68.20190523
    [9] 许杰, 周丽, 黄志祥, 吴先良. 含石墨烯临界耦合谐振器的吸收特性研究. 物理学报, 2015, 64(23): 238103. doi: 10.7498/aps.64.238103
    [10] 陈英良, 冯小波, 侯德东. 单层与双层石墨烯的光学吸收性质研究. 物理学报, 2013, 62(18): 187301. doi: 10.7498/aps.62.187301
    [11] 王小发, 张俊红, 高子叶, 夏光琼, 吴正茂. 基于石墨烯可饱和吸收体的纳秒锁模掺铥光纤激光器. 物理学报, 2017, 66(11): 114209. doi: 10.7498/aps.66.114209
    [12] 冯德军, 黄文育, 姜守振, 季伟, 贾东方. 基于少数层石墨烯可饱和吸收的锁模光纤激光器. 物理学报, 2013, 62(5): 054202. doi: 10.7498/aps.62.054202
    [13] 王红培, 王广龙, 倪海桥, 徐应强, 牛智川, 高凤岐. 新型量子点场效应增强型单光子探测器. 物理学报, 2013, 62(19): 194205. doi: 10.7498/aps.62.194205
    [14] 于海玲, 朱嘉琦, 曹文鑫, 韩杰才. 金属催化制备石墨烯的研究进展. 物理学报, 2013, 62(2): 028201. doi: 10.7498/aps.62.028201
    [15] 吴晨晨, 郭相东, 胡海, 杨晓霞, 戴庆. 石墨烯等离激元增强红外光谱. 物理学报, 2019, 68(14): 148103. doi: 10.7498/aps.68.20190903
    [16] 蒲晓庆, 吴静, 郭强, 蔡建臻. 石墨烯与金属的欧姆接触理论研究. 物理学报, 2018, 67(21): 217301. doi: 10.7498/aps.67.20181479
    [17] 李峰, 肖传云, 阚二军, 陆瑞锋, 邓开明. 钯和铂金属在石墨烯表面不同生长机理第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(17): 176802. doi: 10.7498/aps.63.176802
    [18] 郭辉, 路红亮, 黄立, 王雪艳, 林晓, 王业亮, 杜世萱, 高鸿钧. 金属衬底上高质量大面积石墨烯的插层及其机制. 物理学报, 2017, 66(21): 216803. doi: 10.7498/aps.66.216803
    [19] 陈彩云, 刘进行, 张小敏, 李金龙, 任玲玲, 董国材. 扫描电子显微镜法测定金属衬底上石墨烯薄膜的覆盖度. 物理学报, 2018, 67(7): 076802. doi: 10.7498/aps.67.20172654
    [20] 谈春雷, 易永祥, 汪国平. 一维金属光栅的透射光学特性. 物理学报, 2002, 51(5): 1063-1067. doi: 10.7498/aps.51.1063
  • 引用本文:
    Citation:
计量
  • 文章访问数:  874
  • PDF下载量:  22
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2018-12-11
  • 修回日期:  2019-04-03
  • 上网日期:  2019-07-01
  • 刊出日期:  2019-07-05

基于金属光栅实现石墨烯三通道光吸收增强

  • 1. 衢州职业技术学院信息工程学院, 衢州 3240000
  • 2. 赣南师范大学物理与电子信息学院, 赣州 341000
  • 3. 北京工业大学 光电子技术省部共建教育部重点实验室, 北京 100124
  • 通信作者: 武华, wh1125@126.com
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61575008, 61650404)、浙江省教育厅一般科研项目(批准号: Y201738091, Y201839950)、江西省自然科学基金(批准号: 20171BAB202037)、江西省教育厅科技项目(批准号: GJJ170819)、衢州市科技计划项目(批准号: 2017G16)、智能制造工业与工业大数据技术应用创新团队(批准号: QZCX1801)和赣南师范大学招标课题(批准号: 16zb04)资助的课题.

摘要: 为了增强单层石墨烯在可见光和近红外波段的吸收效率并实现多通道光吸收. 本文利用石墨烯-金属光栅-介质层-金属衬底混合结构在λ1 = 0.553 μm、λ2 = 0.769 μm、λ3 = 1.130 μm三通道上提高了石墨烯吸收效率, 石墨烯吸收效率最高可达41%. 对3个光吸收增强通道的磁场分布分析可得它们分别源于表面等离子体激元共振、法布里-帕罗干涉腔共振、磁激元共振. 经过模拟分析可知, 通过调节金属光栅宽度、介质层厚度可以调谐混合结构的共振峰波长和吸收效率, 而石墨烯化学势仅能对共振峰λ3的吸收效率有影响. 最后优化结构参数, 在最优结构参数下混合结构在3个光吸收增强通道的光吸收效率可达0.97以上, 这可以作为超材料吸收器.

English Abstract

    • 石墨烯是由单层碳原子组成类似蜂窝状晶格结构的二维材料, 由于其具有出众的电子、机械、光学特性[1,2], 吸引了许多科研工作者关注. 因为石墨烯具有高迁移率[3,4], 并且表面光电导率可以通过掺杂或者外加电压进行人为的控制[5,6], 因此被广泛地应用在光电子器件当中, 如高速光电探测器[7,8]、超快激光器[9,10]、太阳能电池[11,12]、发光二极管[13]、光学调制器[14]等.

      众所周知, 光电探测器、太阳能电池对材料的光吸收效率要求较高. 若在中远红外光学波段, 可以借助带状、盘状的石墨烯[15,16], 或者将无形状的石墨烯与金属、介质光栅进行耦合来激发石墨烯的表面等离子共振[17,18], 以此提高石墨烯的吸收效率. 但如果在可见光和近红外光学波段, 石墨烯就失去了等离激元响应, 再加上单层石墨烯非常薄, 导致其吸收效率非常低, 仅有2.3%[19], 这会限制其在太阳能电池和光电探测器中的应用.

      近些年来, 为了能够提高石墨烯在可见光和近红外波段的吸收效率, 有很多学者提出了不同的方法. 介质光栅的导模共振[20]、法布里-帕罗干涉(Fabry-Pérot, FP)腔共振[21]、光子晶体技术[22]、金属光栅激发的磁激元(magnetic polaritons, MPs)共振和表面等离子体激元(surface plasmon polariton, SPP)共振[23,24]等均被验证可有效提高单层石墨烯的吸收效率. 当前实现石墨烯双通道甚至多通道光吸收增强是一个研究热点, 不过目前实现石墨烯双通道或者多通道光吸收增强主要集中在太赫兹和中远红外波段[25,26], 而在可见光和近红外波段上的研究比较鲜有. 当前国内在可见光和近红外波段实现石墨烯双通道光吸收增强的有江南大学的桑田课题组利用窄刻槽金属光栅实现石墨烯双通道光吸收增强[27]、江苏理工学院的刘波利用二维银纳米阵列激发的MPs共振和SPP共振实现双通道光吸收[28], 迄今为止,国内外实现石墨烯三通道光吸收增强上的研究还很少.

      本文利用石墨烯-金属光栅-介质层-金属衬底混合结构实现石墨烯在可见光和近红外波段三通道光吸收增强, 在共振波长处单层石墨烯的吸收效率最大可以达到41%, 是石墨烯本征光吸收效率的17.82倍. 通过分析结构在共振波长的磁场分布可知, 石墨烯在可见光和近红外波段内三通道的光吸收增强分别源于金属光栅激发的SPP共振、结构所支持的FP腔共振和金属光栅激发的MPs共振. 此外还研究了结构参数和石墨烯化学势对混合结构共振波长和共振峰吸收效率的影响, 发现混合结构的共振波长可以通过改变结构参数进行调谐, 而且随着化学势的变化, 由MPs共振引起的共振吸收变化最为剧烈. 另外根据计算结果可知存在最优结构参数, 使混合结构在3个共振峰上吸收效率达到0.97以上.

    • 实现石墨烯三通道光吸收增强的混合结构示意图如图1所示, 该结构由上而下分别是石墨烯层、银(Ag)金属光栅、二氧化硅(SiO2)层、Ag衬底. 图1h, w, p分别表示金属光栅的刻蚀深度、宽度、周期, 而dt分别表示SiO2层的厚度和Ag衬底的厚度. 为了保证Ag光栅仅有零级衍射, 光栅周期需满足p < λ/(1 + sinѲ), λ为入射光波长, Ѳ为入射角. 另外Ag衬底厚度需大于可见光和近红外光的趋肤深度, 保证混合结构透射率为0, 以提高石墨烯吸收效率. 由此结构的整体吸收效率可以表述为A = 1 – R, 其中R为结构的反射率, A为结构的整体吸收效率.

      图  1  石墨烯-金属光栅-绝缘层-金属衬底混合结构

      Figure 1.  Graphene-metal grating-insulating layer-metal substrate hybrid structure.

      本文使用时域有限差分法(finite difference time domain method,FDTD)对实现石墨烯三通道光吸收增强混合结构进行模拟计算, 在模拟中SiO2的折射率为1.45, 金属Ag的相对介电常数用Drude模型表达[29], 如(1)式所示, 式中εAg为Ag的相对介电常数, ωp = 1.39 × 1016 rad/s为等离子体频率, γ = 2.7 × 1013 rad/s为衰减速率, ω为入射光角频率.

      ${\varepsilon _{{\rm{Ag}}}} ={ 3.4 - }\frac{{\omega _{\rm{p}}^{\rm{2}}}}{{{\omega ^{\rm{2}}}-{\rm{ i}}\omega \gamma }}.$

      单层石墨烯的光学特征可以用复值表面光电导率σg来表征, 它可以由Kubo公式来定量表示[30]. σg由带内跃迁光电导率σintra和带间跃迁光电导率σinter相构成, σintraσinter分别如(2)式和(3)式所示. 式中uc为石墨烯化学势, T为环境温度, kB为玻尔兹曼常数, ħ为约化普朗克常数, Γ为散射率. 这里取uc = 0.1 eV, T = 300 K, Γ = 0.0033 eV.

      ${\sigma _{{\rm{intra}}}} = \frac{{{\rm{i}}{{\rm{e}}^{\rm{2}}}{k_{\rm{B}}}T}}{{{\text{π}}{h^2}\left( {\omega + {\rm{i}}\Gamma } \right)}}\left[ {\frac{{{u_{\rm{c}}}}}{{{k_{\rm{B}}}T}} + 2\ln \left( {{{\rm{e}}^{ - \frac{{{u_{\rm{c}}}}}{{{k_{\rm{B}}}T}}}} + 1} \right)} \right],$

      ${\sigma _{{\rm{inter}}}} = \frac{{{\rm{i}}{{\rm{e}}^{\rm{2}}}}}{{4{\text{π}}\hbar }}\ln \left[ {\frac{{2{u_{\rm{c}}} - \left( {\omega + {\rm{i}}2\Gamma } \right)\hbar }}{{2{u_{\rm{c}}} + \left( {\omega + {\rm{i}}2\Gamma } \right)\hbar }}} \right].$

      通过(2)式和(3)式计算得出单层石墨烯光导率后, 由(4)式可以得出石墨烯的介电常数, 式中εg为石墨烯介电常数, ε0为真空介电常数, tg为石墨烯厚度, 在本文中tg = 0.7 nm.

      ${\varepsilon _{\rm{g}}} = 1 + {\rm{i}}\frac{{{\sigma _{\rm{g}}}}}{{\omega {\varepsilon _{\rm{0}}}{t_{\rm{g}}}}}.$

    • 首先分析了图1结构中有无石墨烯层时的吸收特性, 计算结果如图2所示. 图2的结果是在TM偏振光垂直入射, 结构参数为w = 0.42 μm、p = 0.5 μm、h = 0.32 μm、d = 0.1 μm、t = 0.3 μm时获得. 结果表明图1混合结构无论有无石墨烯均会在波长λ1 = 0.553 μm, λ2 = 0.769 μm, λ3 = 1.13 μm处有共振, 在没有石墨烯层的情况下, 3个共振峰的吸收率分别为81%, 34%, 14%, 但添加石墨烯层后3个共振峰的吸收率分别增加到97%, 70%, 55%. 通过对比可知石墨烯的吸收效率有了显著的提高, 在波长λ1, λ2, λ3处石墨烯吸收效率分别为16%, 36%, 41%. 由此证明在图1的混合结构中, 石墨烯实现了在可见光和近红外波段三通道光吸收增强.

      图3图1混合结构有石墨烯层时在共振波长处的磁场分布. 在图3(a)中, 共振波长为λ1, 光场能量主要分布在金属光栅表面, 这是SPP共振特征, 因此可以判断该通道的石墨烯光吸收增强是源于金属光栅激发的SPP共振[31]. 当共振波长在λ2时, 光场能量主要被限制在金属光栅槽当中, 这是显著的FP腔共振特征, 如图3(b)所示, 由此可以得出石墨烯在该光通道光吸收增强是源于FP腔共振[27]. 图3(c)是共振波长为λ3时的磁场分布, 可以看到光场能量主要集中在金属光栅上下边沿并且渗透进SiO2层, 而且可以观察到在金属光栅边沿的左右两端有能量集中点(泛红), 这是典型的MPs特征, 故石墨烯在波长λ3的光通道吸收增强是由金属光栅激起的MPs共振形成的[31].

      图  2  有和没有石墨烯层混合结构的吸收率

      Figure 2.  Absorption efficiency of hybrid structure with and without a graphene layer.

      图  3  混合结构在共振波长处的磁场分布

      Figure 3.  Magnetic field distribution of hybrid structure at resonance wavelength.

      接着分析了结构参数对混合结构吸收特性的影响. 首先分析了光栅宽度对混合结构吸收特性的影响, 模拟计算结果如图4所示. 从图4可知当光栅宽度w从0.38 μm增加到0.44 μm, 对于λ1相应的从0.539 μm红移到0.565 μm, 由SPP共振峰理论计算公式[27]λspp = p[εAg/(1 + εAg)]-1/2可知, w应对λ1无影响, 但是之所以λ1会随着w增加而红移, 是因为λ1处的共振并不是单纯的都是由SPP共振引起, 其实它还混合着MPs共振和FP腔共振(见图1(a)), 图1(a)中的磁场分布具有MPs共振的特征(在金属光栅边沿的左右两端有能量集中点)和FP腔共振的特征(有一小部分能量限制在光栅槽当中)[32, 33], 所以随着光栅宽度w的增加, 共振峰λ1会红移, 不过λ1共振主要是SPP共振引起, MPs共振和FP腔共振是其次, 所以λ1红移的幅度(26 nm)没有λ3(40 nm)和λ2(60 nm)的大.

      光栅宽度的增加对共振峰λ2波长有较大影响. 这是由于光栅宽度增加使光栅占空比f = w/p增加, 根据等效介质理论, 随着占空比的增加, 光栅的等效折射率会增加. 而依据FP腔共振理论, FP腔的共振波长由光栅折射率和光栅刻蚀深度决定, 其表达式近似为2nTMh + 1/2λ = , 式中nTM是光栅对于TM偏振光的等效折射率, N是正整数. 所以随着光栅宽度的增大, 混合结构在λ2的光吸收峰红移, 但是之所以λ2红移的幅度比λ3的大是因为在FP腔共振(主要共振)中混合着MPs共振(见图1(b)), 两种共振的作用导致波长λ2红移的幅度较大. 另外随着光栅宽度的增加, 混合机构在波长λ2的吸收效率也逐渐提高, 这是由混合在FP腔共振中的MPs共振引起的.

      图  4  光栅宽度对混合结构吸特性的影响

      Figure 4.  Influence of the width of the grating on the absorption characteristics of the hybrid structure.

      对于光栅宽度增加使混合结构在波长λ3的光吸收特性有显著变化, 可使用等效RLC电路模型进行分析. 图1混合结构的RLC等效电路如图5所示, 电路图中Lm1Lm2分别是Ag光栅和Ag衬底在TM偏振电磁波照射下产生的互感, Le1Le2分别是Ag光栅和Ag衬底在TM偏振电磁波照射下产生的自感, C是SiO2在Ag光栅和Ag衬底之间产生的电容, 该电容大小由SiO2厚度、SiO2介电常数、金属表面的电子分布情况决定, Rg是代表石墨烯产生的电阻. 在RLC电路中, MPs共振波长λ3正比于$2{\text{π}} {c_{\rm{g}}}[ C({L_{m1}} +$$ {L_{m2}} + {L_{el}} + {L_{e2}})]^{ - 1/2}$, 式中cg代表真空光速, 可以发现石墨烯并不影响MPs共振波长, 并且由此可知当光栅宽度增加, Ag光栅和Ag衬底之间产生电容的有效面积会增大, 使RLC电路中的C增大, 最终使混合结构的吸收峰λ3波长产生红移[29]. 另外随着光栅宽度增宽, 混合结构在波长λ3的吸收效率增加, 这是因为MPs共振光场能量主要集中在Ag光栅边沿的上角, 当占空比增大, 单位面积内Ag光栅阵列分布密度增大, 导致石墨烯对能量吸收能力变大, 整个混合结构的吸收效率就会增加.

      图  5  混合结构RLC等效电路

      Figure 5.  RLC equivalent circuit of hybrid structure.

      图6是介质层SiO2厚度d对混合结构吸收特性的模拟结果. 由图6可知混合结构共振峰λ1λ2d并不敏感, 当SiO2介质层厚度d从0.14 μm减少到0.1 μm过程中, 共振峰λ1相应的从0.566 μm蓝移到0.555 μm, 这是由混合在SPP共振中的FP腔共振引起. 而当d从0.1 μm减少到0.06 μm过程中, 共振峰λ1会从0.555 μm红移到0.573 μm, 这是由混合在SPP共振中的MPs共振引起[32, 33].

      图  6  SiO2层厚度d对混合结构吸特性的影响

      Figure 6.  Influence of the thickness of the SiO2 layer on the absorption characteristics of the hybrid structure.

      对于波长λ2共振峰, 它随着d的增加出现了红移现象. 这是由于混合结构FP腔共振的谐振腔长虽然主要是Ag光栅厚度h, 但是由于有一部分光会渗透进SiO2层(见图2(b)), 因此FP腔的谐振腔长会包括一部分介质层的厚度. 故此随着d的增加, FP腔谐振腔长增大, 根据FP腔共振理论可得波长λ2会红移. 但由于只有很小一部分的介质层厚度包含在谐振腔腔长内, 所以随着d的增加共振峰λ2红移幅度较小.

      但是对于石墨烯光吸收通道λ3对于d的变化非常敏感, 因为d的大小会直接影响Ag光栅和Ag衬底之间的电容C的大小, 从而影响共振波长λ3. 当d增大时, 电容C值在其他参数不变的情况下会减小, 则波长λ3蓝移. 另外随着d从0.06 μm增加到0.14 μm, 共振峰λ3对应的吸收效率从0.494下降到0.475, 这是因为d的增加会减弱Ag光栅与Ag衬底之间的耦合效果, 从而导致MPs共振对局部光场能量增强的作用减弱, 最终影响了石墨烯对光场能量的吸收.

      最后模拟计算了石墨烯化学势对混合结构吸收特性的影响. 当化学势μc从0.1 eV增加到0.65 eV的过程中, 混合结构在共振峰波长λ3吸收效率变化较大, 可在共振峰λ1, λ2上, 混合结构的光吸收效率却对μc的变化不敏感, 如图7所示. 要解释图7的现象, 可根据石墨烯的相对介电常数随μc变化的性质. 图8是在3个不同共振波长条件下石墨烯相对介电常数虚部εgimag随着μc变化图, 当波长是λ3时, εgimagμc < 0.5 eV时是在8.2左右, 此时石墨烯相当于一种普通的电介质, 但是当μc > 0.5 eV时, εgimag突变到0, 此时石墨烯相当于一种金属[34]; 当波长是λ2时, εgimagμc < 0.8 eV范围内石墨烯相当于一种普通的电介质, 当μc > 0.8 eV时, εgimag降为0, 此时石墨烯相当于一种金属; 当波长是λ1时, 0.1 eV < μc < 1 eV时, εgimag一直保持在4左右, 在这个范围内, 石墨烯一直保持电介质的性质.

      图  7  化学势对混合结构吸收特性的影响

      Figure 7.  Influence of the chemical potential on the absorption characteristics of the hybrid structure.

      根据(5)式和(6)式可知, 石墨烯的吸收效率和εgimag有关, 式中E(x,y,z)是材料覆盖区域某点的电场强度, Einc是入射光电场强度, S是入射截面积(TM偏振光垂直入射), w(x,y,z)是在某一位置的能量散射密度. 将(5)式和(6)式与图8结合分析, 可解释图7混合结构吸收效率随着μc的变化趋势. 在波长λ3μc < 0.5 eV时混合结构有高吸收效率, 是因为εgimagμc < 0.5 eV范围内在8.2左右, 所以混合结构吸收效率随着μc增加变化较小. 但是当μc > 0.5 eV时, εgimag就突然下降到0, 所以混合结构的吸收效率就大幅下降, 最终与无石墨烯层时的吸收效率相当.

      图  8  不同共振波长下化学势对石墨烯介电常数虚部的影响

      Figure 8.  Influence of the chemical potential on the imaginary part of dielectric constant of graphene at different Resonance wavelength.

      对于混合结构在波长λ1λ2的吸收效率随着μc增加几乎不变, 是因为μc在0.6 5 eV范围内, 它们的εgimag均几乎稳定在一个值上, 所以吸收效率随着μc(在0.65 eV范围内)的变化几乎无变化.

      $A\left( \lambda \right)=\frac{\displaystyle\iiint{w\left( x,y,z \right){\rm{d}}V}}{{0.5}{{c}_{g}}{{\varepsilon }_{0}}{{\left| {{E}_{\rm{inc}}} \right|}^{2}}S},$

      $w\left( {x,y,z} \right) = \frac{1}{2}{\varepsilon _0}\omega {\varepsilon _{{\rm{gimag}}}}{\left| {E\left( {x,y,z} \right)} \right|^2}.$

      根据图4和图 6可知介质层厚度d对混合结构的共振峰吸收效率影响没有光栅条宽w 的显著, 因此可以通过调节w实现混合结构吸收峰吸收效率最大化. 通过对结构优化后可知, 当w = 0.48 μm、p = 0.5 μm、h = 0.32 μm、d = 0.06 μm、t = 0.3 μm、μc = 0.1 eV时, 3个共振峰吸收效率都可以达到0.97以上, 模拟结果如图9所示. 在图9中可以发现3个共振峰分别红移到λ1 = 0.716 μm、λ2 = 0.956 μm、λ3 = 1.44 μm, 其中λ3吸收峰的吸收效率最高, 可以达到0.997. 根据文献[35]、[36]可知, 该最优混合结构可以作为超材料吸收器等应用.

      图  9  最优参数下混合结构的吸收效率

      Figure 9.  Absorption efficiency of optimal mixed structures.

    • 利用石墨烯-金属光栅-介质层-金属衬底混合结构实现单层石墨烯在λ1 = 0.553 μm、λ2 = 0.769 μm、λ3 = 1.130 μm三通道上光吸收增强. 在这3个光吸收增强通道上, 石墨烯的吸收效率分别是16%, 36%, 41%. 根据磁场分布可知λ1λ2λ3吸收增强通道分别是由金属光栅激发的SPP共振、FP腔共振和金属光栅激起的MPs共振. 通过模拟计算得出, 随着金属光栅宽度w的增加, 3个共振峰λ1λ2λ3均会发生红移, 而且混合结构在波长λ2λ3处吸收效率提高显著. 但是随着介质层厚度d的增加共振峰λ2会产生微弱的红移, 共振峰λ3会显著地红移, 而共振峰λ1则会先蓝移后红移. 石墨烯化学势μc从0.1 eV增加到0.65 eV过程中, 混合结构只有λ3共振峰的吸收效率有了显著变化, 而在另外两个光共振峰几乎无变化. 通过优化器件结构, 可以发现最优混合结构3个共振峰的吸收效率可达0.97以上. 基于石墨烯-金属光栅-介质层-金属衬底混合结构实现石墨烯三通道光吸收增强结构在光电子器件领域具有一定应用前景.

参考文献 (36)

目录

    /

    返回文章
    返回