苏州大学李孝峰Nano Energy：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|E_y|（红线）和|H_x|（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N_pair、（b）缺陷层厚度d_defect、（c）TiO₂层厚度d_TiO2、（d）MgF₂层厚度d_MgF2和（e）石墨烯费米能级E_F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。

文献链接：Photonic surface waves enabled perfect infrared absorption by monolayer graphene (Nano Energy, 2018, DOI:  10.1016/j.nanoen.2018.03.048)

感谢李孝峰教授和第一作者杨倩茹对本文的指导！

苏州大学微纳光电转换技术研究团队

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

一：团队介绍

苏州大学微纳光电转换技术研究团队成立于2012年1月，隶属于苏州大学光电信息科学与工程学院、教育部现代光学技术重点实验室和首批2011计划“国家纳米科技协同创新中心”，现有成员20余名。团队致力于微纳光学与太阳能光电转换的基础科学和应用技术研究，研究方向：1）微纳光伏光电热仿真技术，2）微纳光学与热电子光电转换技术，3）微纳制备与新能源器件。近5年，团队在微纳光学与光电转换方面发表SCI期刊论文近70篇，申请/授权发明专利10余项，做国际会议特邀报告30余次，获江苏省光学学会首届江苏青年光学科技奖、江苏省教育厅自然科学奖、中国光学工程学会科技创新奖、中国光学工程学会优秀博士论文提名奖、江苏省优秀硕士学位论文等科技奖项。相关成果被《科技日报》、《科技文摘报》、Materials Views中国等报道，被《国家千人计划网》、《中国网》、《人民网》、《和讯网》、《每日科技网》、《今日头条》、《SolarZoom》等网站/媒体广泛转载。

二：团队负责人介绍

李孝峰博士毕业于西南交通大学信息科学与技术学院，在光学工程、光电子信息和光伏能源领域从事科学研究超过16年，其中在伦敦帝国理工学院（Stefan Maier组）和新加坡南洋理工大学（Yu Siu Fung组）工作近5年。博士论文获“四川省优秀博士论文奖”和“全国百篇优秀博士论文提名奖”，承担过美国、欧盟和新加坡科技局多个课题核心科研任务。2012年1月加入苏州大学，先后入选“中组部第三批青年千人”、“江苏省创新创业高层次人才”和“江苏省333高层次人才”等国家/地方人才计划，获批国家自然科学基金重大培育、面上项目和青年基金、科技部青年973（排名第2）和教育部博士点博导基金等课题。累计在光电子信息领域主流SCI期刊上发表论文100余篇。担任美国光学学会Applied Optics和IEEE Photonics J期刊副主编、Scientific Reports编委，是IEEE Senior Member、中国光学学会和中国密码学会高级会员、美国光学学会（OSA）和国际光学工程学会（SPIE）会员。担任苏州大学光电信息科学与工程学院副院长、教育部现代光学技术重点实验室/江苏省先进光学制造技术重点实验室常务副主任。

三：团队5篇代表论文

[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.

本文由材料人编辑部纳米材料学术组汪李超供稿，材料牛编辑整理。欢迎加入材料人编辑部纳米材料学术交流群（228686798）！材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入材料人编辑部。
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