基于微腔效應(yīng)增強(qiáng)單層二硫化鎢光吸收

羅國(guó)平，陳星源，胡素梅，朱偉玲

(廣東石油化工學(xué)院理學(xué)院，茂名 525000)

0 引 言

薄膜材料與薄膜技術(shù)的不斷發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算機(jī)、集成電路等領(lǐng)域?qū)Ω鞣N元器件微型化、集成化和低功耗的高要求。二維材料是一種厚度為納米尺度量級(jí)的薄膜材料，具有獨(dú)特的電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械和化學(xué)性能，在電子器件、光學(xué)器件、超級(jí)電容器、光催化和智能傳感等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用[1-3]。近年來(lái)，二維過(guò)渡金屬硫族化合物 (TMDCs) 材料因其具有可調(diào)節(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，極強(qiáng)的自旋軌道耦合，良好的光學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性能而受到廣泛關(guān)注[4-7]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了其在場(chǎng)效應(yīng)晶體管[8]、太陽(yáng)電池[9]、光探測(cè)器[10-11]、氣敏探測(cè)[12]、柔性器件[13]和能源存儲(chǔ)[14]等方面的應(yīng)用。WS2作為TMDCs的典型代表，呈現(xiàn)出半導(dǎo)體性能，單層WS2厚度僅為0.618 nm，是一種直接帶隙材料，其帶隙約為2.0 eV，在帶隙邊存在極強(qiáng)的吸收峰[15-17]。不同層數(shù)的WS2表現(xiàn)出不一樣的光電性質(zhì)[18]。

就光電探測(cè)器應(yīng)用而言，如何增強(qiáng)WS2的光吸收進(jìn)而提高器件的光響應(yīng)率是一大關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在增強(qiáng)單層WS2光吸收方面做了一些探索。Cao等[19]在Si襯底上采用Ag納米光柵和分布式布拉格反射器 (DBR) 增強(qiáng)單層WS2的光吸收。系統(tǒng)研究了DBR周期、Ag納米光柵高度和周期、入射光角度對(duì)單層WS2光吸收的影響。經(jīng)優(yōu)化后單層WS2在420～700 nm波段的平均光吸收率達(dá)到52.9%。Butun等[20]從理論和實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)研究了藍(lán)寶石襯底上Ag等離激元納米盤陣列對(duì)單層WS2光吸收的增強(qiáng)作用。WS2/Ag異質(zhì)結(jié)光吸收的增強(qiáng)源于Ag納米盤附近的電場(chǎng)局域效應(yīng)。Li等[17]設(shè)計(jì)了由單層TMDCs (MoS2、WS2、MoSe2、WSe2)，夾有圓形氣孔的光子晶體平板和超厚金屬背反射器組成的吸收增強(qiáng)系統(tǒng)。理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，臨界耦合能夠提高單層TMDCs的總吸收，引導(dǎo)共振的臨界耦合主要取決于孔半徑與平板周期的比率，一旦給出了特定比例，就可以通過(guò)光子晶體平板的周期和厚度的微小變化來(lái)有效地調(diào)整吸收峰的光譜位置，此系統(tǒng)的特點(diǎn)為偏振不敏感特性和傾斜入射下良好的吸收穩(wěn)定性。上述研究通過(guò)引入光柵結(jié)構(gòu)、光子晶體產(chǎn)生等離激元共振的方法實(shí)現(xiàn)了單層WS2光吸收的增強(qiáng)，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易制備，且存在一定的固有損耗。也有研究者提出采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)提高TMDCs光吸收[21]。Ansari等[22]研究發(fā)現(xiàn)在Si襯底上引入90 nm厚的SiO2層，WS2/MoSe2異質(zhì)結(jié)在寬光譜范圍內(nèi)的光吸收率能達(dá)到30%以上。Wang等[23]利用金納米顆粒的表面等離激元效應(yīng)將WS2/MoS2異質(zhì)結(jié)在1 030 nm處的光響應(yīng)提高了約25倍。異質(zhì)結(jié)對(duì)TDMSs光吸收增強(qiáng)的作用比較有限，需要耦合其他等離激元結(jié)構(gòu)。

本文提出基于金屬薄膜和DBR構(gòu)成光學(xué)微腔，通過(guò)引入間隔層和覆蓋層以調(diào)節(jié)相位匹配。系統(tǒng)優(yōu)化金屬層、間隔層和覆蓋層厚度，提高單層WS2的光吸收峰值。研究偏振光入射角、DBR周期和間隔層折射率對(duì)單層WS2光吸收的影響。理論計(jì)算結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)控上述結(jié)構(gòu)參數(shù)，可將單層WS2在612 nm處的光吸收提高至78.42%。

1 理論模型和計(jì)算方法

圖1為基于金屬薄膜-DBR微腔效應(yīng)增強(qiáng)單層WS2光吸收的多層薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)從左至右分別為襯底、金屬層、間隔層、單層WS2、覆蓋層和DBR。其中金屬層為銀薄膜，厚度為dm，間隔層和覆蓋層均為SiO2，厚度分別為ds和dc，單層WS2厚度為dw，DBR交替由厚度分別為da和db的SiO2和TiO2組成。SiO2和TiO2的折射率分別為1.45和2.36[24]，Ag的光學(xué)常數(shù)來(lái)源于文獻(xiàn)[25]，單層WS2的光學(xué)常數(shù)來(lái)源于文獻(xiàn)[18]。襯底的折射率為1.5，DBR中心波長(zhǎng)為610 nm。采用光學(xué)傳輸矩陣法[26]分析電場(chǎng)強(qiáng)度在多層薄膜結(jié)構(gòu)中的分布情況，并進(jìn)一步計(jì)算反射譜和吸收譜。

圖1 基于微腔效應(yīng)增強(qiáng)單層WS2光吸收的多層薄膜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-layer structure based on microcavity effect to enhance light absorption of monolayer WS2

(1)

(2)

式中，rk和tk分別是界面zk處的菲涅爾復(fù)反射系數(shù)和復(fù)透射系數(shù)。對(duì)于TE偏振

(3)

(4)

而對(duì)于TM偏振

(5)

(6)

相位矩陣描述通過(guò)界面zk和zk+1之間同一層薄膜時(shí)電磁波幅值的變化，公式如下：

(7)

(8)

由總的傳輸矩陣可得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)和透射系數(shù)，

(9)

(10)

垂直入射時(shí)，在任意位置單位時(shí)間內(nèi)平均能量耗散為

(11)

式中，c為真空中的光速，ε0為真空介電常數(shù)，αj=4πkj/λ為吸收系數(shù)。由單位時(shí)間內(nèi)平均能量耗散可進(jìn)一步得到每一層薄膜的光吸收率。

2 結(jié)果與討論

圖2(a)所示為歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度在多層薄膜結(jié)構(gòu)中的分布情況。其中，金屬層、間隔層和覆蓋層厚度分別為25 nm、75 nm和105 nm，DBR周期為8。由于金屬層和DBR之間的微腔效應(yīng)，電場(chǎng)強(qiáng)度在間隔層和覆蓋層之間形成了極大值。該極大值位于610 nm處附近，極大地增強(qiáng)了入射光與單層WS2的相互作用。而金屬層中的電場(chǎng)強(qiáng)度較小，減少了入射光損耗。圖2(b)所示為相應(yīng)單層WS2的吸收譜和整個(gè)多層薄膜結(jié)構(gòu)的反射譜。單層WS2在609 nm處存在吸收峰，峰值為74.75%。同一波長(zhǎng)處整個(gè)結(jié)構(gòu)的反射率為7.28%。

為了比較金屬薄膜-DBR微腔結(jié)構(gòu)對(duì)單層WS2光吸收的增強(qiáng)效應(yīng)，設(shè)計(jì)了四種對(duì)比結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，相應(yīng)的光吸收譜如圖3所示。其中，結(jié)構(gòu)A和C的吸收譜幾乎重疊，結(jié)構(gòu)B和D同樣如此。四種結(jié)構(gòu)中單層WS2在612 nm處的吸收峰值分別為2.01%、8.91%、1.94%和8.89%。而空氣中單層WS2在同一波長(zhǎng)處的吸收率為12.84%。由此可見(jiàn)，沒(méi)有使用金屬薄膜-DBR光耦合結(jié)構(gòu)時(shí)，各種對(duì)比結(jié)構(gòu)中單層WS2的吸收率都比較低，甚至低于空氣中單層WS2的光吸收。

圖2 (a)多層薄膜結(jié)構(gòu)中的歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度分布；(b)單層WS2的吸收和整個(gè)系統(tǒng)的反射譜Fig.2 (a)Normalized electric fields intensity distribution in the multi-layer system; (b)absorption spectra of monolayer WS2 and reflection spectra of the total system

表1 含有單層WS2的多層薄膜結(jié)構(gòu)Table 1 Multi-layer structures with monolayer WS2

圖3 不同多層薄膜結(jié)構(gòu)和空氣中單層WS2的吸收譜Fig.3 Absorption spectra of monolayer WS2 in various multi-layer structures and in air

為了探討金屬薄膜-DBR結(jié)構(gòu)對(duì)單層WS2吸收峰值的影響因素，本文首先系統(tǒng)分析了金屬層、間隔層和覆蓋層厚度與單層WS2光吸收之間的關(guān)聯(lián)。圖4(a)所示為不同間隔層厚度對(duì)應(yīng)的單層WS2吸收譜，其中金屬層和覆蓋層厚度分別為25 nm和105 nm。間隔層厚度為75 nm時(shí)，單層WS2在609 nm處吸收存在極大值，達(dá)到74.75%。減小間隔層厚度，吸收峰位置發(fā)生藍(lán)移。圖4(b)所示為不同金屬層厚度對(duì)應(yīng)的單層WS2吸收譜，其中間隔層和覆蓋層厚度分別為75 nm和105 nm。金屬層厚度為20 nm時(shí)，單層WS2在611 nm處存在極大吸收峰，峰值為76.98%。增大金屬層厚度會(huì)增加入射光損耗，因此吸收峰值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。如圖4(c)所示，綜合分析了金屬層厚度為20 nm時(shí)，間隔層和覆蓋層厚度對(duì)單層WS2吸收峰值的影響。間隔層和覆蓋層厚度對(duì)單層WS2的吸收峰值具有明顯影響作用，只有間隔層和覆蓋層厚度滿足相位匹配的條件，吸收峰值才較大。圖4(d)所示為優(yōu)化后單層WS2吸收譜和整個(gè)多層薄膜結(jié)構(gòu)的反射譜與透射譜。金屬層、間隔層和覆蓋層厚度分別為20 nm、75 nm和102 nm時(shí)，單層WS2在612 nm處的吸收峰值為78.42%，半高全寬(FWHM)為21 nm。整個(gè)多層薄膜結(jié)構(gòu)在同一波長(zhǎng)處的反射率和透射率分別為4.76%和2.67%。引入金屬薄膜-DBR光耦合結(jié)構(gòu)，與襯底上單層WS2相比，光吸收提高了38倍。

圖4 不同間隔層厚度(a)和不同金屬層厚度(b)對(duì)應(yīng)的單層WS2吸收譜；單層WS2吸收峰值與間隔層厚度和 覆蓋層厚度的關(guān)系圖(c)；優(yōu)化后單層WS2吸收譜和整個(gè)多層薄膜結(jié)構(gòu)反射譜與透射譜(d)Fig.4 Absorption spectra of monolayer WS2 with various cover layer thickness(a)and various metal layer thickness(b); absorption peaks of monolayer WS2 as a function of space layer thickness and cover layer thickness(c); absorption spectra of monolayer WS2 combined with reflection and transmission spectra of the multi-layer structure after optimization(d)

入射角和偏振態(tài)對(duì)多層薄膜結(jié)構(gòu)光吸收存在明顯關(guān)聯(lián)作用，進(jìn)一步分析了單層WS2光吸收與入射角和偏振態(tài)的關(guān)系。圖5(a)和圖5(b)所示分別為TE偏振和TM偏振在不同入射角單層WS2的吸收譜。隨著入射角的增大，TE偏振和TM偏振的吸收峰均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且吸收峰位置發(fā)生藍(lán)移。

圖5 TE偏振和TM偏振下單層WS2吸收譜隨光入射角的關(guān)系曲線Fig.5 Absorption spectra of monolayer WS2 with various light incident angles for TE polarization and TM polarization

圖6(a)所示為不同DBR周期與多層薄膜結(jié)構(gòu)在612 nm處光吸收的關(guān)系曲線。沒(méi)有使用DBR結(jié)構(gòu)，單層WS2和金屬層的光吸收都較低，金屬層的光吸收略高于單層WS2的光吸收。使用DBR結(jié)構(gòu)之后，單層WS2的光吸收急劇上升，而金屬層的光吸收增加并不顯著。DBR周期為8時(shí)，單層WS2和金屬層的光吸收基本達(dá)到飽和，分別達(dá)到78.42%和14.15%，總的光吸收高達(dá)92.57%。圖6(b)所示為DBR周期分別為2、4、6和8時(shí)歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度在多層薄膜結(jié)構(gòu)中的分布情況，由此可見(jiàn)，電場(chǎng)強(qiáng)度在單層WS2附近存在極大值，且極大值隨著周期數(shù)的增加而增大。

圖6 不同DBR周期與多層薄膜結(jié)構(gòu)光吸收和歸一化電場(chǎng)強(qiáng)度分布的關(guān)系曲線圖Fig.6 Light absorption and normalized electric field intensity distribution of the multi-layer structures as a function of DBR periods

進(jìn)一步探討了間隔層折射率 (覆蓋層與間隔層折射率相同) 對(duì)單層WS2光吸收的影響。改變間隔層折射率，并調(diào)整其厚度滿足相位匹配并不會(huì)改變吸收峰值位置。圖7(a)所示為單層WS2吸收峰值與間隔層折射率之間的關(guān)系曲線。隨著折射率從1.3增加至2.6 (這一范圍覆蓋了在可見(jiàn)光波段透明的常見(jiàn)金屬氧化物和氟化物，如MgF2、MgO、ZnO和TiO2等材料的折射率)，吸收峰值幾乎呈現(xiàn)出線性下降的趨勢(shì)，從79.38%下降至61.50%。間隔層折射率分別為1.5、2.0和2.5所對(duì)應(yīng)的單層WS2光吸收譜如圖7(b)所示，相應(yīng)的吸收峰值分別為77.84%、70.31%和62.79%，F(xiàn)WHM分別為19 nm、17 nm和13 nm。因此，采用折射率較低的透明薄膜作為間隔層和覆蓋層，有利于單層WS2獲得比較大的吸收峰值。

圖7 間隔層折射率對(duì)單層WS2吸收峰值和吸收譜的影響曲線圖Fig.7 Effect of refractive index of space layer on absorption peaks and absorption spectra of monolayer WS2

3 結(jié) 論

本文提出利用金屬薄膜-DBR結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微腔效應(yīng)，有效提高了單層WS2在612 nm附近的光吸收，吸收峰值可達(dá)78.42%。通過(guò)光學(xué)傳輸矩陣?yán)碚撚?jì)算發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度在覆蓋層和間隔層之間形成極大值，促進(jìn)了入射光和單層WS2的相互作用。討論了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單層WS2光吸收的調(diào)控作用。研究結(jié)果表明，單層WS2的吸收峰值與金屬層、間隔層和覆蓋層厚度存在關(guān)聯(lián)。單層WS2的吸收峰值隨入射角的增大而減小，隨DBR周期的增加而提高。采用折射率較低的透明材料作為間隔層和覆蓋層，有利于單層WS2獲得比較大的吸收峰值。研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)新型高性能單層WS2探測(cè)器提供了新思路。