蘇州大學李孝峰Nano Energy：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、光電和機械優勢，在光子，光電子及相關領域受到廣泛關注，例如：光電轉換/探測領域。然而，石墨烯的低吸收，特別是單層或少數層石墨烯，仍然是限制石墨烯基光電子系統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諧的等離子體色散關系。基于石墨烯本征SPPs的光電探測器可以使光電流增強一個數量級。值得注意的是，針對石墨烯材料的陷光結構大部分基于復雜的納米結構，包括超材料、由幾十對介質膜層組成的微腔結構或利用納米圖案化金屬體系激發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構簡單且易制作的吸收增強方案，以促進其發展。

【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布洛赫表面波（BSW）并產生電場增強，實現了厚度約為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調節）。在詳細研究BSW激發條件的基礎上，發現基于非周期結構的廣義表面波也可以實現石墨烯完美吸收。平面純介質表面波系統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）。灰色（白色）區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|E_y|（紅線）和|H_x|（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 結構及材料參數對石墨烯吸收的影響

?

（a）光子晶體對數N_pair、（b）缺陷層厚度d_defect、（c）TiO₂層厚度d_TiO2、（d）MgF₂層厚度d_MgF2和（e）石墨烯費米能級E_F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B-SGPA導納匹配

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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。BSW系統具有高度可調性，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，該研究提出B-SGPA的導納設計方案，能夠更加靈活地實現導納匹配，從而可以采用非周期系統激發一般的表面電磁波，并實現石墨烯完美吸收。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，而不是金屬或復雜的納米結構系統，實現極高的光學性能。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，且擁有與現有光電系統更好的兼容性；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。

文獻鏈接：Photonic surface waves enabled perfect infrared absorption by monolayer graphene?(Nano Energy, 2018, DOI: ?10.1016/j.nanoen.2018.03.048)

感謝李孝峰教授和第一作者楊倩茹對本文的指導！

蘇州大學微納光電轉換技術研究團隊

http://web.suda.edu.cn/xfli

一：團隊介紹

蘇州大學微納光電轉換技術研究團隊成立于2012年1月，隸屬于蘇州大學光電信息科學與工程學院、教育部現代光學技術重點實驗室和首批2011計劃“國家納米科技協同創新中心”，現有成員20余名。團隊致力于微納光學與太陽能光電轉換的基礎科學和應用技術研究，研究方向：1）微納光伏光電熱仿真技術，2）微納光學與熱電子光電轉換技術，3）微納制備與新能源器件。近5年，團隊在微納光學與光電轉換方面發表SCI期刊論文近70篇，申請/授權發明專利10余項，做國際會議特邀報告30余次，獲江蘇省光學學會首屆江蘇青年光學科技獎、江蘇省教育廳自然科學獎、中國光學工程學會科技創新獎、中國光學工程學會優秀博士論文提名獎、江蘇省優秀碩士學位論文等科技獎項。相關成果被《科技日報》、《科技文摘報》、Materials Views中國等報道，被《國家千人計劃網》、《中國網》、《人民網》、《和訊網》、《每日科技網》、《今日頭條》、《SolarZoom》等網站/媒體廣泛轉載。

二：團隊負責人介紹

李孝峰博士畢業于西南交通大學信息科學與技術學院，在光學工程、光電子信息和光伏能源領域從事科學研究超過16年，其中在倫敦帝國理工學院（Stefan Maier組）和新加坡南洋理工大學（Yu Siu Fung組）工作近5年。博士論文獲“四川省優秀博士論文獎”和“全國百篇優秀博士論文提名獎”，承擔過美國、歐盟和新加坡科技局多個課題核心科研任務。2012年1月加入蘇州大學，先后入選“中組部第三批青年千人”、“江蘇省創新創業高層次人才”和“江蘇省333高層次人才”等國家/地方人才計劃，獲批國家自然科學基金重大培育、面上項目和青年基金、科技部青年973（排名第2）和教育部博士點博導基金等課題。累計在光電子信息領域主流SCI期刊上發表論文100余篇。擔任美國光學學會Applied Optics和IEEE Photonics J期刊副主編、Scientific Reports編委，是IEEE Senior Member、中國光學學會和中國密碼學會高級會員、美國光學學會（OSA）和國際光學工程學會（SPIE）會員。擔任蘇州大學光電信息科學與工程學院副院長、教育部現代光學技術重點實驗室/江蘇省先進光學制造技術重點實驗室常務副主任。

三：團隊5篇代表論文

[1]??? Li Chen, Shaolong Wu*, Dong Ma, Aixue Shang, and Xiaofeng Li*. Optoelectronic modeling of the Si/α-Fe2O3 heterojunction photoanode. Nano Energy 2018, 43:177-183.

[2]??? Aixue Shang and Xiaofeng Li*. Photovoltaic devices: opto-electro-thermal physics and modeling. Advanced Materials 2017, 29:1603492.

[3]??? Cheng Zhang, Kai Wu, Vincenzo Giannini, Xiaofeng Li*. Planar hot-electron photodetection with Tamm plasmon. ACS Nano 2017, 11:1919?1727.

[4]??? Xiaofeng Li*, Nicholas P. Hylton, Vincenzo Giannini, Kan-Hua Lee, Ned J. Ekins-Daukes, and Stefan A. Maier. Multi-dimensional modelling of solar cells with electromagnetic and carrier transport calculations. Progress in Photovoltaics: Research and Applications 2013, 21(1):109–120.

[5]??? Xiaofeng Li*, Nicholas P. Hylton, Vincenzo Giannini, Kan-Hua Lee, Ned J. Ekins-Daukes, and Stefan A. Maier. Bridging electromagnetic and carrier transport calculations for three-dimensional modelling of plasmonic solar cells. Optics Express 2011, 19(S4):A888–A896.

本文由材料人編輯部納米材料學術組汪李超供稿，材料牛編輯整理。歡迎加入材料人編輯部納米材料學術交流群（228686798）！材料牛網專注于跟蹤材料領域科技及行業進展，這里匯集了各大高校碩博生、一線科研人員以及行業從業者，如果您對于跟蹤材料領域科技進展，解讀高水平文章或是評述行業有興趣，點我加入材料人編輯部。
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