張　雷,王　衛(wèi),張　紅

(四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610065)

基于金屬-介質(zhì)納米結(jié)構(gòu)磁激元效應(yīng)的石墨烯增強(qiáng)吸收研究

張雷,王衛(wèi)*,張紅*

(四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,成都 610065)

摘要:石墨烯作為一種單層碳原子厚度的二維材料,其在可見光和近紅外波段的吸收率只有2.3%。這大大限制了其在太陽能電池、光電探測等領(lǐng)域的應(yīng)用。本文提出一種金屬介質(zhì)組成的周期納米結(jié)構(gòu),利用納米結(jié)構(gòu)中激發(fā)的磁激元共振(Magentic Polaritons,“MP”)效應(yīng),實現(xiàn)了石墨烯在近紅外波段的吸收增強(qiáng)。利用有限元法的理論仿真,系統(tǒng)研究了納米結(jié)構(gòu)參數(shù)對石墨烯吸收特性的影響。結(jié)果表明,在特定結(jié)構(gòu)參數(shù)下,能使石墨烯的吸收率增大16倍左右。利用Inductor-Capacitor(LC)電路模型成功解釋了石墨烯的吸收增強(qiáng)的物理機(jī)制,預(yù)測了復(fù)合系統(tǒng)的磁激元共振峰波長,發(fā)現(xiàn)石墨烯的存在不影響磁激元共振峰的位置。文中提出的納米結(jié)構(gòu)在加工上易于實現(xiàn),研究結(jié)果將在基于石墨烯的新型光電子器件的設(shè)計和實現(xiàn)方面有潛在應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：石墨烯;金屬介質(zhì)納米結(jié)構(gòu);磁激元共振;吸收增強(qiáng)

1引言

石墨烯,作為厚度僅為0.34 nm左右單層碳原子組成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu),其獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)特性使其成為諸多領(lǐng)域研究的熱點[1-3]。石墨烯的其中一個突出特點是在光頻段和近紅外波段對電磁波的響應(yīng)比較弱,其吸收率只有大約2.3%左右,即石墨烯對于電磁波幾乎是透明的[4]。這對于石墨烯在液晶顯示和發(fā)光二極管的應(yīng)用方面具有很大的優(yōu)勢[5-6]。然而,在其它領(lǐng)域,比如光探測器、太陽能電池方面,石墨烯對電磁波的弱吸收則是阻礙其應(yīng)用的關(guān)鍵因素。因此如何提高石墨烯的吸收率已經(jīng)成為人們研究的重要課題。

目前,人們已經(jīng)提出各種不同的方法來提高石墨烯在不同波段的吸收率。在波長較長中紅外和遠(yuǎn)紅外波段(對應(yīng)自由空間波長約5～10μm),一種有效提高石墨烯的吸收率的方法是激發(fā)“石墨烯表面等離激元(Graphene surface plasmon polaritons,即GSPP)”。由于GSPP大部分的共振波長一般在中紅外和遠(yuǎn)紅外波段,可以通過介質(zhì)光柵結(jié)構(gòu)[7-9],或者將石墨烯加工成周期性的“石墨烯帶(Graphene ribbons)”[10]或“石墨烯盤(Graphene disks)”[11],將入射光子耦合成表面等離子體模式,從而大大增加石墨烯的吸收率[12]。然而,在可見光和近紅外波段,由于單層石墨烯不能在此波段激發(fā)GSPP,增強(qiáng)單層石墨烯的吸收不能通過激發(fā)GSPP來實現(xiàn)。為此,人們提出將石墨烯和微納結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方法來達(dá)到石墨烯的吸收增強(qiáng)。Fang等人將石墨烯和納米天線相結(jié)合,設(shè)計了基于石墨烯的光探測器,在可見光和近紅外波段將光電轉(zhuǎn)換量子效率提高了20%[13]和Ferreira[15]等人提出將石墨烯和光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)相結(jié)合,設(shè)計實現(xiàn)了基于石墨烯的光探測器件,使得石墨烯在近紅外波段的光吸收提高到了60%。

近年來,人們提出一種基于周期性金屬納米結(jié)構(gòu)激發(fā)磁激元共振(Magnetic Resonances,或Magnetic Polaritons,“MP”)的方法來提高石墨烯的吸收率。Zhao等人將石墨烯引入到周期性深槽銀納米光柵結(jié)構(gòu)中,利用高深寬比的銀光柵激發(fā)MP以及石墨烯的電阻效應(yīng)來提高石墨烯的吸收率[16-17]。然而,石墨烯不論是和光學(xué)微腔還是高深寬比的光柵結(jié)構(gòu)相結(jié)合組成復(fù)合納米結(jié)構(gòu),它們在實際加工制備方面和增強(qiáng)吸收光譜可調(diào)性方面都有一定的困難,不利于實際的應(yīng)用。

Fig.1Schematic of the metal-dielectric nanostructure combined with graphene layer (left) and the corresponding LC circuit (right) for the complex structure

σinter(ω)=

(1)

(2)

這里,?為約化普朗克常數(shù),e代表電子電荷量,μc是石墨烯的化學(xué)勢,T是開爾文溫度,kB玻爾茲曼常數(shù),τ為弛豫時間。仿真過程中,我們使用T=300K,τ=10-13s,μc=0.15eV,波長范圍為800～3000nm。注意我采用的入射波是TM(Transverse Magnetic)波,因為TE(Transverse Electric)波在一維光柵上不能激發(fā)MP。本文所涉及到的材料都是非磁性的(即相對磁導(dǎo)率μr=1)。我們計算了在光柵周期為p=200nm,b=60nm和t=20nm情況下納米結(jié)構(gòu)有石墨烯和無石墨烯情況的吸收率,如圖2所示。

Fig.2Absorption spectra of the metal-dielectric nanostructure with (top) and without (bottom) graphene layer

我們發(fā)現(xiàn),在無石墨烯的情況下,納米結(jié)構(gòu)在1060nm處出現(xiàn)一個吸收峰(共振),該吸收峰是MP模式下第一級次共振峰,且吸收峰的強(qiáng)度(約13%)相對較弱。在有石墨烯層的情況下,吸收峰的位置沒有發(fā)生變化,同時吸收峰的強(qiáng)度增加到了47.5%。相對無石墨烯的情況,吸收率增加了將近4倍。為了探明納米結(jié)構(gòu)對石墨烯吸收增強(qiáng)的物理機(jī)理,我們將入射光能量設(shè)定為1W,然后計算了有石墨烯和無石墨烯情況下體系的能量分布,如圖3所示。

圖3(a)給出無石墨烯情況下納米結(jié)構(gòu)的能量分布,相比于圖3(b)中有石墨烯的情況,我們發(fā)現(xiàn)如下幾點:(1)入射光能量通過光柵溝槽進(jìn)入基質(zhì)層內(nèi),且銀的吸收強(qiáng)度沒有升高,反而有點減弱;(2)能量變化在兩個結(jié)構(gòu)的中央位置,石墨烯吸收的能量占總能量吸收的主要部分。在銀帶的缺口上吸收非常大,耗散功率最高達(dá)1016W/m3,這是銀區(qū)域最高耗散功率的100倍;(3)當(dāng)入射光通過石墨烯時,能流的大小(圖中箭頭所示)急劇減小,此時石墨烯的吸收率為37%,是單層石墨烯吸收率(2.3%)的16倍左右。透過的小部分能量流向銀與銀之間的介質(zhì)層中。上述現(xiàn)象表明,圖1中所示的吸收峰強(qiáng)度的變化來自于石墨烯層的吸收。為了進(jìn)一步研究復(fù)合結(jié)構(gòu)中的吸收特性,我們給出復(fù)合結(jié)構(gòu)中磁場和電流密度的分布,如圖4所示。

Fig.3Geometric parameters:p=200 nm,b=60 nm,and t=20 nm.Power dissipation of the metal-dielectric nanostructure at incident wavelength of 1060 nm with and without graphene layer

Fig.4Magnetic field distribution and the current density (arrows) of the metal-dielectric nanostructure with graphene layer at incident wavelength of 1060 nm

我們發(fā)現(xiàn),電流密度主要分布在介質(zhì)層的兩側(cè)中,磁場主要集中在銀基底和銀光柵底部之間的區(qū)域,即是MP模式產(chǎn)生的。其激發(fā)原理如下:入射TM波在銀基底和銀光柵底部之間的區(qū)域的Z軸方向上出現(xiàn)了震蕩磁場,根據(jù)楞次定律(Lenz's law),相應(yīng)的也會感應(yīng)在X-Y平面上的電流。感應(yīng)電流的出現(xiàn),說明復(fù)合結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗磁性,結(jié)構(gòu)的抗磁效應(yīng)在波長為1060nm處表現(xiàn)尤為強(qiáng)烈。箭頭表示了電流密度在某一個時間上瞬態(tài)分布,電流密度是隨著時間震蕩,因此箭頭方向也是隨著時間來回交替。電流回路可分成兩部分,一部分是通過電介質(zhì)層的位移電流,一部分是通過銀表面的導(dǎo)通電流。圖4中,閉合電路的強(qiáng)磁場集中在銀帶底部的電介質(zhì)中央,電荷主要集中在銀帶底部的角上。

(3)

設(shè)Ztot=0,c是光速,MP的基態(tài)共振波長可以表示為:

(4)

根據(jù)上述公式,我們可以看出,MP的共振波長和電阻無關(guān),即石墨烯作為一個電阻,其作用是對入射波能量進(jìn)行吸收,而對MP的共振波長并沒有影響,這和模擬計算(圖1)是相吻合的。根據(jù)上述公式,LC電路模型可以預(yù)測MP的共振波長。利用圖3中計算所使用的參數(shù)并取c0=0.092,LC模型的理論結(jié)果是λ0=1044nm,這和仿真結(jié)果符合的非常好。同時,利用LC電路模型,我們能夠針對不同介質(zhì)層厚度情況下的石墨烯吸收增強(qiáng)特性給出定性解釋。

為此,我們把介質(zhì)層的厚度從5nm變化到20nm,其他參數(shù)和圖3所用的幾何參數(shù)相同,計算了相應(yīng)的MP的吸收率,如圖5所示。

Fig.5Absorption spectra of the metal-dielectric nanostructure with graphene layer with different thickness of the dielectric layer

從圖5可以看出,當(dāng)介質(zhì)厚度從5nm增加到20nm的時候,吸收率從0.72下降到0.47。MP吸收峰從1.54μm藍(lán)移到1.06μm。這是因為銀反射光的能力增強(qiáng)和光與銀的復(fù)合結(jié)構(gòu)的相互作用變?nèi)趿?。值得注意的?當(dāng)介質(zhì)層厚度從5nm增加到 10nm的時候,MP的共振峰變化較大,從1.54μm到1.22μm。這一現(xiàn)象可以通過公式(4)給出解釋:當(dāng)t非常小,Lm就遠(yuǎn)小于Le,Lm可以被忽略,公式(4)可近似為:

(5)

可以看出,MP共振波長是與t平方根成反比,當(dāng)t很小時,共振波長對t的變化尤為敏感,基于這一點,我們可以很方便地改變電介質(zhì)的厚度來調(diào)整銀復(fù)合結(jié)構(gòu)在較寬紅外區(qū)域中的光吸收位置。

可以定性的得到隨著t從5～20 nm增加,納米結(jié)構(gòu)的吸收率越來越低說明MP共振的強(qiáng)度在減弱,那么銀帶底部表面的電荷有向著均勻的分布趨勢發(fā)展,所以c0會越來越大,但c0增加不會超過0.092,當(dāng)頂部的銀帶遠(yuǎn)離銀基底時,Lm的值越來越大而不能忽略,當(dāng)Lm增大到一定程度時,Le時可以被忽略的,此后其共振波長將不再受介質(zhì)厚度的影響。

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Enhancement of Near-Infrared Graphene Absorption with Metal-Dielectric Nanostructure

ZHANG Lei,WANG Wei*,ZHANG Hong*

(CollegeofPhysicalScienceandTechnology,Chengdu,610065,China)

Abstract:Graphene,a two-dimensional monatomic layer of carbon material,shows its weak absorptance of only about 2.3% in the visible and near infrared region.This dramatically limits its application in graphene-based solar cells and photon detection.In this letter,we propose a metal-dielectric periodic nanostructure to enhance the absorptance of graphene based on the magnetic resonances.Using finite-element method,we numerically simulated the effect of the structural parameters of the nanostructure on the absorptance of graphene layer.Our calculations show that the absorptance of graphene can be enhanced by about 4 times with specific structural parameters.Inductor-capacitor (LC) circuit model is applied to reveal the mechanism behind the absorption enhancement of graphene.The LC model succeeds in predicting the magnetic resonances,which are independent of the presence of the graphene.Our proposed nanostructure,which is easy for practical fabrication,is expected to have potential applications in the design of novel graphene-based optical and optoelectronic devices.

Key words:graphene;metal-dielectric nanostructure;magnetic resonances;absorption enhancement

收稿日期：2016-03-31; 修改稿日期: 2016-04-06

基金項目：國家自然科學(xué)基金(11374217)

作者簡介：張雷(1989-)，男，碩士，主要從事納米結(jié)構(gòu)和石墨烯的光學(xué)性質(zhì)研究，E-mail：707623453@qq.com 通訊作者：張紅，女，教授，主要從事石墨烯性質(zhì)和含時密度泛函應(yīng)用研究，E-mail：hongzhang@scu.edu.cn;王衛(wèi)，男，副研究員，主要從事超快納米光學(xué)研究，E-mail: w.wang@scu.edu.cn

文章編號：1004-5929(2016)02-0097-05

中圖分類號：O436.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.13883/j.issn1004-5929.201602018