中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
低維薄層材料具有特殊的半導體性質(zhì)和顯著(zhù)的激子性質(zhì)，在能源存儲、傳感成像、生物醫學(xué)等方面具有巨大的應用潛力。相比傳統體材料，低維材料具有新穎的光學(xué)與電學(xué)性質(zhì)，如易于與波導或腔體結構進(jìn)行集成、具有高機械強度與柔韌性等，被視為“后摩爾定律”時(shí)代半導體工業(yè)新的突破口。然而，極薄的厚度導致的弱光-物質(zhì)相互作用成為研發(fā)高性能紅外探測器件的重要挑戰。目前已經(jīng)報道的研究工作并沒(méi)有提供令人滿(mǎn)意的吸收增強效果與低損耗率，且不具有波長(cháng)穩定性。
近日，以中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所為依托單位的紅外科學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室（紅外物理國家重點(diǎn)實(shí)驗室）在基于連續域束縛態(tài)的高魯棒性薄層低維探測材料增強吸收和調控方面取得重要進(jìn)展。研究人員通過(guò)對環(huán)形偶極子連續域束縛態(tài)的研究，圍繞基于薄層低維材料的紅外器件在增強吸收的物理層面突破結構損耗、提升波長(cháng)穩定性、調控諧振位置與吸收效率等方面開(kāi)展探索，解決了相關(guān)基礎物理問(wèn)題，實(shí)現了單原子層探測材料高達95%以上的吸收效率，為滿(mǎn)足高量子效率紅外探測、極窄帶光譜識別等迫切需求提供支撐。
相關(guān)工作以“Toroidal Dipole BIC-Driven Highly Robust Perfect Absorption with a Graphene-Loaded Metasurface”為題，發(fā)表在Nano Letters期刊。該文章第一作者為金融博士，通訊作者為李冠海研究員和黃陸軍研究員。
針對前述瓶頸問(wèn)題，研究人員通過(guò)引入環(huán)形偶極子連續域束縛態(tài)（TD-BIC）實(shí)現品質(zhì)因子匹配，在多個(gè)離散波長(cháng)達成波長(cháng)穩定的臨界耦合，研制了一種近紅外低維探測材料吸收增強器件（如圖1），同時(shí)實(shí)現了低損耗與高吸收的性能指標，基于單原子層，獲得了高達95%以上的吸收效率，具備了傳統設計所不具有的單一波長(cháng)高魯棒性，為基于薄層低維材料的紅外探測提供了有益的參考。
圖1 (a)低維探測材料的完美吸收；(b)吸收增強流程示意圖；(c)單一波長(cháng)高魯棒性的完美吸收圖
該研究中BIC由一對相同納米線(xiàn)制成的特殊復合光柵支撐。研究人員研究了復合光柵結構的泄漏模式（leaky modes），其晶胞由兩個(gè)相同的硅納米線(xiàn)組成，如圖2a所示。復合光柵結構的具體設計流程如圖3所示。
圖2 不同間隙距離下復合光柵的反射光譜、 Q因子隨其變化情況、 單光柵和雙光柵的波段結構、 復合光柵結構的多極分解等
圖3 復合光柵結構的具體設計流程及測試結果
隨后，研究人員將單層石墨烯集成到支持TD BIC的光子晶體板頂部，實(shí)現了偏振無(wú)關(guān)吸收體，相關(guān)測試結果如圖4所示。
圖4 硅光柵結構的SEM俯視圖以及集成石墨烯的硅光柵的測試結果
這項研究的設計方案也適用于其他類(lèi)型二維（2D） 材料，通過(guò)選擇合適的二維材料，吸收體中心波長(cháng)可以從可見(jiàn)光波段調諧到近紅外波段至中紅外波段。該研究成果有望在基于二維材料的光電探測器、傳感器以及濾波器等光電器件中尋求更廣闊的應用前景。
這項研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院、上海市科委基金的資助和支持。
