基于磁激元效應(yīng)的石墨烯-金屬納米結(jié)構(gòu)近紅外吸收研究?

陳浩 張曉霞 王鴻 姬月華

1 引 言

石墨烯作為一種蜂窩狀有序排列的單碳原子層結(jié)構(gòu)[1],具有獨特的零帶隙電子能帶結(jié)構(gòu),在狄拉克點附近具有線性能量散射的特性,與傳統(tǒng)半導體相比在力學、光學和電學特性方面具有不可比擬的優(yōu)勢[2,3].石墨烯具有很高的載流子遷移率[4],這使得石墨烯成為構(gòu)建超快光學器件的潛在材料[5,6].然而石墨烯作為單碳原子層結(jié)構(gòu),厚度僅為0.34 nm,這導致石墨烯在近紅外和可見光波段與電磁波的相互作用相對較弱,其吸收率只能達到2.3%[7].這一特性有利于石墨烯在顯示[8]、發(fā)光二極管[9]等領(lǐng)域的應(yīng)用,但是在諸如光電探測、光電調(diào)制、太陽能電池等對材料吸收率及吸收可調(diào)性有更高要求的領(lǐng)域,石墨烯對光吸收能力的不足限制了它的應(yīng)用.如何提高石墨烯在近紅外和可見光波段對光的吸收,并且實現(xiàn)吸收動態(tài)可調(diào)已經(jīng)吸引了諸多研究者的關(guān)注.

石墨烯在電磁波的不同波段顯示出了不同的吸收特性.在中紅外到太赫茲波段,石墨烯類似于Drude類型[10]材料展示出了較強的等離激元響應(yīng)[11],因此將石墨烯結(jié)構(gòu)化為帶狀[12?14]、盤狀[15]等可以激發(fā)石墨烯的表面等離激元(surface plasmon polaritons,SPPs)[16],進而獲得較好的吸收增強.然而在可見光和近紅外波段,石墨烯表面無法激發(fā)出SPPs響應(yīng).為了克服石墨烯在可見光和近紅外波段應(yīng)用的限制,Marco等[17]和Liang等[18]提出將石墨烯放置于微腔之中,利用微腔中入射光往復穿透石墨烯層,實現(xiàn)石墨烯在近紅外波段的吸收增強.不過,微腔結(jié)構(gòu)尺寸較大,不利于石墨烯在光電領(lǐng)域應(yīng)用的集成化.將石墨烯與能產(chǎn)生表面等離激元的微納結(jié)構(gòu)[19?21]相結(jié)合,利用微納結(jié)構(gòu)奇特的局部光場增強特性,可以實現(xiàn)亞微米尺寸下的石墨烯吸收增強.Fang等[22]提出將高分子聚合物的納米顆粒耦合到石墨烯的表面,在入射光下通過SPPs效應(yīng)增強局域光場.Cai等[23,24]利用超材料完美吸收體中的超薄夾縫波導模型,提出了一種基于周期性排列的金屬納米條帶增強石墨烯吸收的等離激元結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了石墨烯在近紅外波段的吸收增強.Zhao等[25?27]利用金屬深光柵結(jié)構(gòu)激發(fā)磁激元共振和表面等離激元共振,在可見光和近紅外波段實現(xiàn)了石墨烯對電磁波的吸收增強.微納結(jié)構(gòu)的引入促進了石墨烯增強吸收結(jié)構(gòu)的小型化,并且在吸收率和波長選擇性上都具有很好的效果,但是上述結(jié)構(gòu)也面臨著諸如入射電磁波極化方向敏感、深光柵加工難度大等問題.目前關(guān)于引入石墨烯磁激元(magnetic polaritons,MPs)共振吸收增強結(jié)構(gòu)后的調(diào)制效果鮮有研究.

本文設(shè)計了一種金屬-絕緣層-金屬-石墨烯排列的混合二維淺光柵結(jié)構(gòu),通過在周期性銀納米陣列結(jié)構(gòu)中激發(fā)MPs,達到對入射電磁波能量的局域性增強,通過調(diào)整絕緣層及銀納米陣列的幾何參數(shù)達到調(diào)節(jié)共振波長的目的.在結(jié)構(gòu)上方鋪設(shè)石墨烯層,利用下層結(jié)構(gòu)中激發(fā)MPs可以實現(xiàn)石墨烯對電磁波的吸收增強.由于石墨烯化學勢具有動態(tài)可調(diào)性,通過外加門控電壓改變石墨烯表面的電學特性,可以實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)對入射電磁波吸收的動態(tài)可調(diào).金屬淺光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計相對于深光柵結(jié)構(gòu)更加易于工藝的實現(xiàn),并且高度對稱性的結(jié)構(gòu)對入射電磁波的極化方向無限制.基于以上特性,該混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)在光電探測、高速光調(diào)制領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價值.

2 理論模型與計算方法

設(shè)計的石墨烯-金屬混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)如圖1(a)和圖1(b)所示,該復合結(jié)構(gòu)從下到上依次為銀基底、二氧化硅絕緣層、銀納米陣列、石墨烯層;其中銀基底足夠厚以達到阻隔光子透射;二氧化硅絕緣層厚度為d;銀納米陣列在x,y方向上排列周期,即光柵周期均為p;銀納米單元長度、寬度均為w,單元高度為h.使用多維物理場仿真軟件COMSOL對上述結(jié)構(gòu)在近紅外波段的吸收和調(diào)制特性進行了仿真計算.

在仿真中,二氧化硅絕緣層的折射率為1.45;銀的光學參數(shù)由德魯?shù)履Ｐ?Drude model)推導的復介電常數(shù)εAg表征:

其中,等離子頻率ωp=1.39×1016rad/s,衰減速率γ=2.7×1013s?1,ω表示入射光角頻率[27].

圖1 石墨烯-金屬二維混合淺光柵結(jié)構(gòu)示意圖 (a)結(jié)構(gòu)三維示意圖;(b)x方向上四個單元結(jié)構(gòu)的正視圖Fig.1.Schematic diagram of the hybrid twodimensional graphene-metal shallow grating structure:(a)Schematic of three-dimensional;(b)the front view of four units structure in x direction.

石墨烯的電導率可以通過隨機相位近似 (random-phase approximation,RPA)方法獲得[28,29],σg由帶間躍遷σinter和帶內(nèi)躍遷σintra組成[30]:

其中～ω表示光子能量,e表示電子電荷量,kB表示玻爾茲曼常數(shù),μc表示石墨烯化學勢,Γ表示帶電粒子散射率(Γ=1/τ,τ為載流子弛豫時間),T表示開爾文溫度.在本文的仿真中限定:T=300 K,τ=0.1 ps.進一步結(jié)合石墨烯電導率σg和石墨烯厚度?,可以得到石墨烯的介電常數(shù)[31]:

石墨烯的厚度?為0.34 nm,在仿真中可以將石墨烯作為表面電流層或薄層處理,兩種處理方式的結(jié)果完全一致,但考慮到前者可以避免亞納米級網(wǎng)格所導致的仿真計算量過大的問題,所以在仿真中將石墨烯設(shè)置為表面電流層.

通過有限元軟件COMSOL可以得出石墨烯-金屬混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的電磁響應(yīng),并且通過電磁波傳輸?shù)腟參數(shù)計算出結(jié)構(gòu)對入射電磁波的吸收率α(λ)=1 ?|S11(λ)|2,S11表示S參數(shù)中電磁波輸入端口的反射系數(shù).

為了說明石墨烯在混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)中對增強光吸收所起到的作用,可以計算特定材料對入射電磁波的吸收率.特定位置處的能量散射密度可表示為[25]

其 中 ε′′(x,y,z)表 示 材 料 介 電 常 數(shù) 的 虛 部,E(x,y,z)表示材料覆蓋區(qū)域某一點的電場強度.對材料覆蓋區(qū)域進行積分等運算,可以得到特定波長下的材料吸收率:

其中分母表示入射電磁波的總能量,c表示真空中的光速,Einc表示入射電磁波電場強度,S cosθ表示入射截面積.

3 計算結(jié)果與分析

首先研究了有石墨烯層和無石墨烯層情況下,混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)整體對入射電磁波的吸收情況.由于結(jié)構(gòu)在x,y方向上均具有周期性,所以選取一個周期性重復單元進行仿真計算.參照相關(guān)文獻[23—27]中近紅外波段吸收器的尺寸特點,選取結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:p=180 nm,h=30 nm,w=160 nm,d=10 nm,石墨烯化學勢設(shè)定為μc=0.3 eV,入射電磁波為TM波,即磁場分量平行于y軸且正入射,入射電磁波能量為1 W,吸收率曲線如圖2所示.值得注意的是,由于結(jié)構(gòu)在x,y方向上的對稱性,入射TE波也會得到完全相同的結(jié)果.

可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)在1480 nm波長處有一個吸收峰,這個吸收峰就是MPs所激發(fā)的第一級次共振峰[25],在沒有石墨烯層的情況下,吸收率僅為30%.增加石墨烯層后,共振峰位置沒有發(fā)生改變,同時混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的吸收率提高到了85%,說明石墨烯層具有明顯提高結(jié)構(gòu)電磁波吸收率的作用.

圖2 有石墨烯和無石墨烯情況下,混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的電磁波吸收率Fig.2.Absorption spectra of the hybrid twodimensional shallow grating structure with graphene and without graphene.

為了說明混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)中石墨烯對電磁波吸收率的影響,給出了與圖2對應(yīng)的相同結(jié)構(gòu)尺寸下,1480 nm波長TM波正入射時的磁場分布圖和能量損耗圖.圖3(a)和圖3(b)分別為無石墨烯和有石墨烯時結(jié)構(gòu)的磁場分布圖,圖中箭頭表示電場的方向.可以看到磁場主要分布在銀納米陣列單元正下方的二氧化硅絕緣層中,這是由MPs產(chǎn)生的,入射電磁波波長剛好滿足混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的共振吸收條件.圖中絕緣層兩邊電場方向相反,即周期性變化的磁場在周圍引起了感應(yīng)電流,說明結(jié)構(gòu)具有很強的抗磁性,這在共振中心波長1480 nm處表現(xiàn)的尤為強烈.值得說明的是,圖中箭頭方向表示某一瞬態(tài)時的電場方向,實際電場方向會隨著磁場方向的周期性變化而變化.圖3(c)和圖3(d)分別為無石墨烯和有石墨烯時結(jié)構(gòu)中能量的分布情況,能量從光柵溝槽進入結(jié)構(gòu)內(nèi),可以看到增加石墨烯后銀對于電磁波能量的吸收反而減少了,電磁波主要被石墨烯吸收(圖中顯示石墨烯層處為白色,表明已經(jīng)超出顏色圖例表征的上限),并且吸收位置主要集中在銀納米陣列單元的左右上角處.仿真計算結(jié)果顯示,在入射電磁波功率為1 W的情況下,入射電磁波在石墨烯處的功率損耗密度最高達到了2.96×1023W/m3,比銀覆蓋區(qū)域的功率損耗密度峰值高出了兩個數(shù)量級.結(jié)合圖2中的仿真結(jié)果,無石墨烯時整體結(jié)構(gòu)吸收率為30%,有石墨烯時結(jié)構(gòu)吸收率為85%,也就是說,在MPs激發(fā)的情況下,局部電磁波能量的聚集使得石墨烯至少吸收了入射電磁波能量的55%,這個吸收率是石墨烯懸空狀態(tài)下在近紅外波段吸收率的近24倍.

圖3 磁場分布與能量損耗分布 (a)無石墨烯時的磁場分布圖;(b)有石墨烯時的磁場分布圖;(c)無石墨烯時的能量損耗分布圖;(d)有石墨烯時的能量損耗分布圖Fig.3.Magnetic fi eld distribution and power dissipation profi les:(a)Magnetic fi eld of the structure without graphene;(b)magnetic fi eld of the structure with graphene;(c)power dissipation profi le of the structure without graphene;(d)power dissipation profi le of the structure with graphene.

圖4 TM波入射角度從0?變化到80?(a),極化角度從0?(TM波)變化到90?(TE波)的情況下(b),混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的電磁波吸收率與波長的關(guān)系Fig.4.Relationship between electromagnetic wave absorptivity and wavelength of the hybrid two-dimensional shallow grating structure:(a)For diff erent incidence angles of TM from 0? to 80?;(b)for diff erent polarization angles from 0?(TM)to 90?(TE).

為了說明混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)對非正入射電磁波的吸收效果,還計算了不同入射角和極化方向下結(jié)構(gòu)對電磁波的吸收率.結(jié)構(gòu)參數(shù)為p=180 nm,h=30 nm,w=160 nm,d=10 nm,石墨烯化學勢設(shè)定為μc=0.3 eV.圖4(a)為入射角度從0?增加到80?時結(jié)構(gòu)的吸收情況,可以發(fā)現(xiàn)小角度入射情況下,混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的電磁波吸收率對入射角度的依賴性不明顯,并且共振波長不會發(fā)生明顯的改變.如圖所示,正入射時在1480 nm處達到85%的吸收峰值;當入射角度為10?時,共振波長為1470 nm,對應(yīng)的吸收峰值為84%.進一步增加入射角度到60?,結(jié)構(gòu)吸收率峰值仍保持在60%以上.這與混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)激發(fā)MPs增強吸收的原理相符合,前述提到MPs的激發(fā)主要是由電磁波的磁場分量決定的,所以通過改變TM波的入射角度并不會改變其磁場分量的方向和大小,也就不會對結(jié)構(gòu)MPs的激發(fā)情況產(chǎn)生較大的影響.圖4(b)為不同極化角正入射下,混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的電磁波吸收率與波長的關(guān)系.由于結(jié)構(gòu)在x,y方向上具有高度對稱性,所以當極化角由0?(TM波)變化到90?(TE波)時,結(jié)構(gòu)的電磁波吸收特性并沒有發(fā)生明顯改變.

混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)對結(jié)構(gòu)的吸收效果會產(chǎn)生影響.圖5(a)顯示了在結(jié)構(gòu)參數(shù)為p=180 nm,h=30 nm,w=160 nm,石墨烯化學勢μc=0.3 eV的情況下,不同的絕緣層厚度d對應(yīng)的吸收率曲線.可以看到隨著絕緣層厚度的增加,結(jié)構(gòu)對電磁波的吸收率減小,吸收曲線半高全寬增加,當絕緣層厚度為5 nm時,吸收率為91%,半高全寬為230 nm,當絕緣層厚度增加到20 nm時,結(jié)構(gòu)的吸收率下降到了79%,半高全寬增加到360 nm.這是因為當絕緣層厚度增加時,混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)中銀納米陣列單元與銀基底之間對于入射電磁波能量的耦合作用減弱,導致結(jié)構(gòu)對于光的局部增強效果減弱,影響了石墨烯及銀對電磁波能量的吸收效果,也使結(jié)構(gòu)對共振波長的選擇性降低.同時,隨著絕緣層厚度由5 nm增加到20 nm,吸收峰對應(yīng)波長也由1760 nm移動到了1400 nm處,即吸收峰的位置發(fā)生了明顯的藍移,這個可以利用混合二維淺光柵的等效RLC電路模型中進行預測.

等效RLC電路模型是在預測分析超材料表面結(jié)構(gòu)對電磁波響應(yīng)特性中經(jīng)常用到的一種方法,尤其可以直觀地解釋結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)變化對于電磁吸收的影響,假定Z0=為真空中的本征阻抗,根據(jù)有效介質(zhì)近似理論[32],原則上當結(jié)構(gòu)等效電路的等效阻抗Z(ω)=Z0時,結(jié)構(gòu)達到共振條件,對入射波長的吸收率最大.圖5(b)為圖1中混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)單元的等效電路模型.當入射波(考慮TM波)照射到結(jié)構(gòu)的表面時,入射波的磁場分量與銀納米陣列單元在y方向平行,根據(jù)楞次定律,周期性變化的磁場分量將在光柵溝槽周圍產(chǎn)生感應(yīng)電流,繼而會激發(fā)感應(yīng)磁場.在這個過程中,絕緣層的存在使銀納米陣列單元和銀基底之間產(chǎn)生電容效應(yīng),等效電容為C,電容的大小由幾何參數(shù)、中間介質(zhì)的介電常數(shù)和金屬表面的電子分布情況決定.銀納米陣列及銀基底作為導體,本身及相互之間均具有電感效應(yīng),假設(shè)銀陣列單元的自感和互感分別為Lm1,Le1,銀基底的自感和互感分別為Lm2,Le2,石墨烯并不改變混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的共振波長,所以視作一個電阻Rg,這是一個典型的RLC回路模型.當入射波頻率與該結(jié)構(gòu)的電路模型的固有頻率相等時,能量的共振使整個結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)對入射波能量的強烈吸收.在RLC回路中,諧振波長λ ∝ 2πc且與電阻Rg無關(guān).考慮到C,Lm1,Le1,Lm2,Le2的大小與結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)密切相關(guān),可以通過設(shè)計結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)達到調(diào)整諧振波長的目的.圖1結(jié)構(gòu)中當絕緣層厚度增加而其他參數(shù)不變時C將減小,即吸收峰波長將發(fā)生藍移,并且變化趨勢會隨著絕緣層厚度增加而放緩.

圖5 不同絕緣層厚度下混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的吸收率圖(a)和混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)等效電路圖(b)Fig.5.Absorption spectra of the hybrid two-dimensional shallow grating structure with diff erent thicknesses of the dielectric layer(a)and equivalent circuit for the hybrid two-dimensional shallow grating structure(b).

圖6 混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)電磁波吸收率與光柵周期(a)及銀納米陣列單元寬度(b)的關(guān)系Fig.6.Absorption spectra of the hybrid two-dimensional shallow grating structure for(a)diff erent grating periods;(b)diff erent width of unit silver nanoparticles.

本文又分別研究了結(jié)構(gòu)中光柵周期和銀納米陣列單元寬度對電磁波吸收率的影響,圖6(a)為結(jié)構(gòu)參數(shù)p?w=20 nm,h=30 nm,d=10 nm情況下,混合二維淺光柵周期p由180 nm依次遞減到120 nm時分別對應(yīng)的吸收率;圖6(b)為結(jié)構(gòu)參數(shù)p=180 nm,h=30 nm,d=10 nm情況下銀納米陣列寬度w由160 nm依次遞減到100 nm時分別對應(yīng)的吸收率.研究表明,隨著光柵周期和銀納米陣列單元寬度的減小,混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的吸收峰中心波長均會出現(xiàn)明顯藍移,這也與上述等效電路模型的分析結(jié)果相一致.若以F=w/p表示銀納米陣列的空占比,當保持p-w值不變時,隨著光柵周期p和銀納米陣列單元寬度w的減小,F的值也將減小,這就導致了銀納米陣列與銀基底之間能產(chǎn)生電容效應(yīng)的有效面積減小,共振波長出現(xiàn)藍移.同時在結(jié)構(gòu)中,石墨烯對電磁波能量的吸收效果也與占空比有很大的關(guān)聯(lián),根據(jù)圖3(d)可以看出,石墨烯對能量的吸收主要集中在銀納米陣列單元的上角,隨著占空比的減小,單位面積內(nèi)銀納米陣列分布密度減小,所以石墨烯對能量的吸收能力減弱,結(jié)構(gòu)整體的吸收效果也會受到影響.

石墨烯的光學特性可以通過改變其化學勢實現(xiàn)動態(tài)可調(diào),通過外加門控電壓或者化學摻雜,石墨烯在光傳輸上可以實現(xiàn)介質(zhì)特性和金屬特性的轉(zhuǎn)換.基于石墨烯的這一特點,又進一步研究了改變石墨烯化學勢μc對混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)吸收特性的影響.圖7(a)為p=180 nm,w=120 nm,d=10 nm,h=30 nm時混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)在不同μc下的吸收曲線.可以發(fā)現(xiàn)μc對于結(jié)構(gòu)吸收率具有很好的調(diào)控作用,當石墨烯化學勢μc=0.1 eV時,結(jié)構(gòu)在中心波長1040 nm處達到吸收峰值62%,當0.1 eV<μc<0.5 eV時,結(jié)構(gòu)的吸收并沒有明顯變化,而當μc=0.6 eV時,結(jié)構(gòu)吸收率出現(xiàn)了明顯的變化,之后隨著μc的進一步增加吸收率繼續(xù)下降.值得注意的是,μc對混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)吸收特性的調(diào)制并不影響由MPs決定的共振吸收波長.根據(jù)(6),(7)式可知,石墨烯對入射電磁波的吸收調(diào)控作用與石墨烯表面介電常數(shù)的虛部ε′′有關(guān).圖7(b)給出了石墨烯介電常數(shù)虛部關(guān)于石墨烯化學勢及入射波長的變化關(guān)系.由圖7(b)可以看出,當入射波長一定時,隨著化學勢的增加,ε′′開始緩慢減小,直到μc≈～ω/2時變化趨勢出現(xiàn)了明顯的拐點,當μc>～ω/2時,ε′′的值急劇減小. 這是因為在近紅外波段,入射電磁波能量相對較大,因此石墨烯的帶內(nèi)躍遷和帶間躍遷都參與了石墨烯與電磁波相互作用.但是當μc>～ω/2時,石墨烯的帶內(nèi)躍遷在石墨烯與電磁波相互作用中占主導地位,帶間躍遷可以忽略不計.這也就導致了石墨烯介電常數(shù)虛部ε′′的急劇減小.可以很容易計算出λ=1040 nm時對應(yīng)的μc≈0.6 eV,這剛好與圖7(a)中的結(jié)果相一致.

圖7 不同石墨烯化學勢下,混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)電磁波吸收率(a)和以化學勢和入射波長為變量的石墨烯介電常數(shù)虛部ε′′(b)Fig.7.Absorption spectra of the hybrid two-dimensional shallow grating structure in diff erent chemical potentials of graphene(a)and imaginary parts of dielectric constant of graphene with variable chemical potential and incident wavelength(b).

由于研究的混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)具有零透射的特點,所以結(jié)構(gòu)對入射電磁波的反射率可以表示為R(λ)=1?α(λ),其中α(λ)為S參數(shù)計算的電磁波吸收率.利用1?R1/R2來計算特定波長下的調(diào)制深度,其中R1,R2分別表示μc=0.1 eV和μc=1 eV時的反射率. 基于此得到了當p=180 nm,h=30 nm,d=10 nm時,不同金屬納米顆粒寬度的情況下石墨烯化學勢μc對于混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)反射率的調(diào)制效果,如圖8所示.通過計算得出,在w為120,100,80 nm時,通過調(diào)控石墨烯化學勢μc由0.1 eV變化到1 eV,結(jié)構(gòu)對光的反射調(diào)制深度分別為54.8%,50.3%,46.8%.

圖8 不同銀納米單元寬度w的情況下,μc從0.1 eV變化到1 eV時對于混合二維淺光柵結(jié)構(gòu)的反射調(diào)制效果.Fig.8.Modulation of optical refl ectance in the hybrid two-dimensional shallow grating structure as a function of w,whereμc is changed from 0.1 eV to 1 eV.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種金屬-絕緣層-金屬-石墨烯的混合二維淺光柵結(jié)構(gòu),并通過有限元仿真計算和等效電路模型分析預測相結(jié)合的方式,研究了該結(jié)構(gòu)中石墨烯的吸收增強效應(yīng).在光柵周期p=180 nm,銀納米單元寬度w=160 nm,單元高度h=30 nm,絕緣層厚度d=10 nm的情況下,石墨烯層的增加使結(jié)構(gòu)的吸收峰值在1480 nm處由30%提高到了85%,實現(xiàn)了石墨烯在近紅外波段24倍左右的吸收增強;結(jié)構(gòu)的吸收特性對入射角度依賴性不強,并且由于具有二維方向上的對稱性,該結(jié)構(gòu)對入射電磁波的極化方向沒有特殊要求;分析了結(jié)構(gòu)尺寸與磁激元共振效應(yīng)的關(guān)系,當光柵周期p、銀納米單元寬度w、絕緣層厚度d減小時,均會導致共振波長的藍移;最后研究了石墨烯化學勢對于結(jié)構(gòu)吸收率的動態(tài)可調(diào)特性,通過調(diào)控石墨烯化學勢由0.1 eV變化到1 eV,可以實現(xiàn)54.8%的反射調(diào)制深度.基于石墨烯優(yōu)異的光電特性,該結(jié)構(gòu)的吸收增強和吸收率動態(tài)可調(diào)特性在光電探測、太陽能電池和光電調(diào)制領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價值,并且簡潔的淺光柵結(jié)構(gòu)和低成本的材料更加易于工藝實現(xiàn).

[1]Geim A K,Novoselov K S 2007 Nat.Mater.6 183

[2]Neto A H C,Guinea F,Peres N M R 2009 Rev.Mod.Phys.81 109

[3]Bonaccorso F,Sun Z,Hasan T,Ferrari A C 2010 Nat.Photon.4 611

[4]Bolotin K I,Sikes K J,Jiang Z,Klima M,Fudenberg G,Hone J 2008 Solid State Commun.146 351

[5]Xia F N,Mueller T,Lin Y M,Valdes-Garcia A,Avouris P 2009 Nature Nanotech.4 839

[6]Bao Q,Loh K P 2012 ACS Nano 6 3677

[7]Nair R R,Blake P,Grigorenko A N,Novoselov K S,Booth T J,Stauber T,Peres N M R 2008 Science 320 1308

[8]Hong B H 2009 Nature 457 706

[9]Liu W Z,Wang W,Xu H Y,Li X H,Yang L,Ma J G,Liu Y C 2015 Appl.Phys.Lett.8 095202

[10]Horng J,Chen C F,Geng B S,Girit C,et al.2012 Phys.Rev.B:Condens.Matter 83 165113

[11]Li E P,Chu H S,Wu L,Koh W S 2010 Opt.Express 18 14395

[12]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 Q 2016 Acta Phys.Sin.65 018101(in Chinese)[張會云,黃曉燕,陳琦,丁春峰,李彤彤,呂歡歡,徐世林,張曉,張玉萍,姚建銓2016物理學報65 018101]

[13]Alaee R,Farhat M,Rockstuhl C,Lederer F 2012 Opt.Express 20 28017

[14]Ju L,Geng B,Horng J,Girit,Martin M 2011 Nature Nanotech.6 630

[15]Thongrattanasiri S,Koppens F H,Garcia de Abajo F J 2012 Phys.Rev.Lett.108 047401

[16]Gao W,Shi G,Jin Z,Shu J,Zhang Q 2013 Nano Lett.13 3698

[17]Marco F,Alexander U,Andreas P,Govinda L,Karl U,Hermann D,Pavel K,Asron M A,Werner S,Gottfried S,Thomas M 2012 Nano Lett.12 2773

[18]Liang Z J,Liu H X,Niu Y X,Yin Y H 2016 Acta Phys.Sin.65 138501(in Chinese)[梁振江,劉海霞,牛燕雄,尹貽恒2016物理學報65 138501]

[19]Maillard M,Huang P,Brus L 2003 Nano Lett.3 1611

[20]Zhao B,Wang L,Shuai Y,Zhang Z M 2013 Int.J.Heat Mass Transfer 67 637

[21]Zhao J M,Zhang Z M 2015 J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer 151 49

[22]Fang Z,Wang Y,Liu Z,Schlather A,Ajayan P M,Koppens F H,Nordlander P,Halas N J 2012 ACS Nano 6 10222

[23]Cai Y J,Zhu J F,Liu Q H 2015 Appl.Phys.Lett.106 043105

[24]Cai Y J,Zhu J F,Liu Q H,Lin T,Zhou J Y,Ye L F,Cai Z P 2015 Opt.Express 23 32318

[25]Zhao B,Zhao J M,Zhang Z M 2015 J.Opt.Soc.Am.B:Opt.Phys.32 1176

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

[27]Zhao B,Zhang Z M 2014 J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer 135 81

[28]Wunsch B,Stauber T,Sols F,Guinea F 2006 New J.Phys.8 318

[29]Hwang E H,Sarma S D 2007 Phys.Rev.B 75 205418

[30]Falkovsky L A 2008 J.Phys.Conf.Ser.129 012004

[31]Vakil A,Engheta N 2011 Science 332 1291

[32]Landy N I,Bingham C M,Tyler T,Jokerst N,Smith D R,Padilla W J 2009 Phys.Rev.B:Condens.Matter 79 125104