基于單層二硫化鉬和金納米柱的可見光波段寬帶吸收器

中圖分類號(hào)：O436.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Visible-light broadband absorber based on monolayer molybdenum disulfide and gold nanopillars

FAN Peng，TANG Zhihang，WANG Qi （School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Scienceand Technology，Shanghai 20oo93，China）

Abstract：The study proposes a broadband absorber for visible band that is designed based on local surface plasmon resonance and incorporating monolayer molybdenum disulfide， gold nanopillars， and Bragg mirrors. Theoretical simulations using the finite-difference time-domain （FDTD） method demonstrated that the MoS₂ -based absorber achieved absorptivities exceeding 96.0% and 99.8% at resonance wavelengths of 422nm and 571nm ， respectively. The spectral characteristics remained stable within an incidence angle range from 0^° to 45^° and exhibited polarization-independent behavior. Additionally， performance of the absorber could be tuned by modifying the geometric parameters of the periodic gold nanopillar array. This design strategy is applicable to other transition metal dichalcogenides （TMDCs），and its application effectively enhanceslight-matter interactionsin such materials.

Keywords： broadband absorber; monolayer molybdenum disulfide; gold nanopillars array; local surface plasmon resonance; transition metal dichalcogenides

引言

二維材料，如石墨烯和過渡金屬二硫化物（transitionmetal dichalcogenides，TMDCs），因其卓越的電學(xué)、力學(xué)和光學(xué)特性，已被視為未來光電器件的關(guān)鍵材料[1]。近年來，基于二維材料的光吸收器也成為了研究熱點(diǎn)。

盡管石墨烯通過帶間和帶內(nèi)躍遷表現(xiàn)出從紫外到可見光區(qū)域的寬帶光學(xué)吸收，但其吸收率僅為 2.3% ，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言，該吸收率明顯偏低[2]。與零帶隙的石墨烯不同，二硫化鉬（ MoS₂ ）作為二維半導(dǎo)體材料，當(dāng)為單層結(jié)構(gòu)時(shí)，其帶隙會(huì)由間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋丁＝Y(jié)合獨(dú)特的電學(xué)與光學(xué)性質(zhì)，這一特性使 MoS₂ 在光伏器件、光電探測器及場效應(yīng)晶體管等光電器件中得以廣泛應(yīng)用3。單層 MoS₂ 具有 1.8eV 的直接帶隙，這種特殊的能帶結(jié)構(gòu)使其在紫外和可見光波段具有理想的吸收特性。獨(dú)立式單層MoS₂ 的厚度僅為 0.65nm ，在可見光波段的平均吸收率低于 8% ，這嚴(yán)重制約了其在太陽能電池、高能效光電器件及光催化領(lǐng)域的應(yīng)用4。因此，需通過增強(qiáng)光與 MoS₂ 相互作用來獲得高效的 MoS₂ 基光吸收器。Li等5利用光子晶體板的臨界耦合，實(shí)現(xiàn)了單層 MoS₂ 在共振波長處的完美吸收。Luo等提出了一種由圓槽和條形槽組成的超表面，用它來誘導(dǎo)等離子體共振，且在594～809nm 波段實(shí)現(xiàn)了 94% 的高吸收率，但其所覆蓋的波段區(qū)域較小。Song等用一維金（Au）光柵結(jié)構(gòu)來增強(qiáng) MoS₂ 在可見光波段的吸收，但該結(jié)構(gòu)只能支持單一的極化模式。Long等設(shè)計(jì)了磁耦合銀（Ag）光柵來實(shí)現(xiàn)寬帶吸收，但這種超表面只適用于橫磁（transversemagnetic，TM）波。2020年，Li等在納米結(jié)構(gòu)中引入鎢橢圓陣列來增強(qiáng)吸收，使其在280～2030nm 波段實(shí)現(xiàn)了帶寬為 1750nm 的吸收。Hashemi等[10]提出在單層 MoS₂ 上使用傾斜金光柵，使該結(jié)構(gòu)在可見光波段的最大吸收率達(dá)到 88% ，明顯高于使用零傾斜金光柵結(jié)構(gòu)的吸收率 42%～73% ）。Pei等[1]利用四聚體納米棒超表面實(shí)現(xiàn)了單層 MoS₂ 的高效寬帶吸收，其在 400～750nm 的平均吸收率為 64.5% 。本文提出了一種利用分布式布拉格反射器（distributedBraggreflector，DBR）作為襯底的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)合Au納米柱陣列實(shí)現(xiàn)可見光波段的寬帶吸收。其中，DBR可以有效減少光的透射并提高吸收率，而Au納米柱有利于調(diào)控結(jié)構(gòu)的光學(xué)性能。該結(jié)構(gòu)在 400～600nm 波段的平均吸收率超過90% 。此外，理論計(jì)算結(jié)果表明，除 MoS₂ 外，其他TMDCs材料（如二硫化鎢 WS₂ 、二硒化鉬MoSe₂ 和二硒化鎢 WSe₂ ）均可應(yīng)用于該納米結(jié)構(gòu)。因此，本文設(shè)計(jì)的表面等離子體納米結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)二維材料的可見光波段吸收性能方面具有廣泛適用性。

1 結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)原理

1.1 吸收器的結(jié)構(gòu)

所提出的納米結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)從上到下依次為：周期性Au納米柱陣列，單層 MoS₂ 由 SiO₂ 和Si層組成的DBR。其中 MoS₂ 的介電函數(shù)基于Zhang等[12報(bào)道的測量數(shù)據(jù)。Au納米

R.Au納米柱半徑； H. 納米柱高度； d₁ .Si層厚度； d₂ SiO₂ 層厚度；P.相鄰Au納米柱的中心間距。

柱陣列在 x 和 y 軸方向上的周期分別為 P_x 和 P_y 在本文中 P_x=P_y=P 。 SiO₂ 、Si和Au的介電函數(shù)由 Palik[13]導(dǎo)出。 SiO₂ 層的厚度 d₂ 為 90nm ，Si層的厚度 d_l 為 38nm 。人射光從空氣傳播至周期性Au納米柱陣列，且設(shè)置為平面波。單層MoS₂ 的厚度設(shè)置為 0.65nm 。

1.2 方法與原理

采用有限差分時(shí)域（finitedifferencetimedomain，F(xiàn)DTD）法來模擬基于 MoS₂ 的納米結(jié)構(gòu)的光吸收。所用仿真軟件為FDTDSolutions（LumericalSolutions，Canada）。單元胞周圍設(shè)置周期性邊界條件，相鄰兩個(gè)Au納米柱的中心間距精確控制為1個(gè)周期 P 。為了避免散射至計(jì)算區(qū)域邊界的電磁波反射，胞體上下邊界采用完全匹配層作為吸收邊界條件。入射光為TM偏振（電場沿 x 軸方向），斜入射時(shí)采用寬帶定角光源技術(shù)（broadband fixed angle source technique，BFAST）生成平面波。針對(duì)厚度僅 0.65nm 的單層 MoS₂ ，在 x ！ y 軸方向設(shè)置 10nm 網(wǎng)格， z 軸方向設(shè)置 0.1nm 網(wǎng)格以提高計(jì)算精度。由于吸收器結(jié)構(gòu)參數(shù)小于工作波長，其與入射光的相互作用可采用等效介質(zhì)理論[4]來分析。在該理論中，超材料吸收器被視為一種均勻材料。吸收率的計(jì)算式為 A=1-T-r^[15] ，其中 T 為透射率， r 為反射率。

2 結(jié)果與分析

在本研究中，結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)設(shè)置為：納米柱半徑 R=40nm ，DBR反射鏡的層數(shù) N=5 ，d_l=38nm ， d₂=90nm ， P=100nm ，納米柱高度 H=70nm 。在TM偏振光下，4種結(jié)構(gòu)，即單層 MoS₂ 、周期性Au納米柱陣列、單層MoS₂ 和周期性Au納米柱陣列結(jié)合結(jié)構(gòu)，以及基于 MoS₂ 的DBR納米結(jié)構(gòu)的模擬吸收光譜如圖2（a）所示。結(jié)果顯示，在 400～700nm 波段，單層 MoS₂ 的平均吸收率小于0.1。單層MoS₂ 的厚度極薄，在可見光區(qū)域，可被認(rèn)為是透明介質(zhì)。由于局域表面等離子體共振（localsurfaceplasmonresonance，LSPR）模式被激活，

Au納米柱陣列在 400nm 處的最大吸收率約為65% 。單層 MoS₂ 與周期性Au納米柱陣列結(jié)合結(jié)構(gòu)的吸收率較單層 MoS₂ 明顯增強(qiáng)，其吸收峰在 413nm 附近，最大吸收率約為 66% 。整體來看，該結(jié)構(gòu)的吸收性能明顯提高，但仍不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

為滿足實(shí)際應(yīng)用需求，本研究設(shè)計(jì)了一種DBR納米結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)通過調(diào)控反射光的光場分布，可有效增強(qiáng)光吸收率。DBR與Au納米柱陣列的復(fù)合結(jié)構(gòu)可通過雙重機(jī)制（局域表面等離子體共振效應(yīng)和抑制透射）協(xié)同作用，在可見光波段實(shí)現(xiàn)寬帶高效吸收。如圖2（a）所示：在加入DBR和Au納米柱陣列后，納米結(jié)構(gòu)的吸收率明顯提高， 400～600nm 波段的平均吸收率高于 90% ， 400～700nm 波段的平均吸收率高于80% 。該結(jié)構(gòu)在422和 571nm 處各有1個(gè)吸收峰，吸收率分別高于 96.0% 和 99.8% 。

進(jìn)一步討論了DBR的層數(shù) N 對(duì)結(jié)構(gòu)吸收效率的影響，結(jié)果如圖2（b）所示：當(dāng) N=1 時(shí)，總吸收率相對(duì)較低；隨著 N 的增加，光的透射明顯減弱，吸收得以提高；當(dāng) N?5 時(shí)，光的吸收達(dá)到飽和，不再隨 N 的增大而明顯提高。因此，將 N 設(shè)置為5，這樣既可以實(shí)現(xiàn)吸收的最大化，又可以降低結(jié)構(gòu)制備的難度。

隨后，研究了兩個(gè)共振波長（422和 571nm ）處的電磁場分布，以闡明相關(guān)物理機(jī)制，結(jié)果如圖 3（a）～（d） 所示。在Au納米柱的外圍，存在明顯的電場和磁場局域化與增強(qiáng)效應(yīng)。由于LSPR模式被激活，電磁場在 422nm 的短波長處呈現(xiàn)局域表面等離激元（surfaceplasmonpolar-tion，SPP）與傳播SPP的雜化模式，在 571nm 的長波長處則主要呈現(xiàn)局域SPP模式。因此，單層 MoS₂ 與金納米柱陣列的結(jié)合可實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)的高吸收率。綜上所述，LSPR會(huì)導(dǎo)致光能的局域化，并在單層 MoS₂ 表面附近產(chǎn)生高度局域化的電磁場增強(qiáng)。

改變納米柱陣列的幾何參數(shù)或材料，能調(diào)節(jié)該陣列的LSPR頻率。圖4（a）所示為周期 P 對(duì)Au納米柱陣列吸收光譜的影響。當(dāng) P 從 90nm 增大至 130nm 時(shí)，譜線右側(cè)的吸收峰會(huì)在 525～ 610nm 波段發(fā)生一定幅度的藍(lán)移。這是因?yàn)殡S著 P 的增大，Au納米柱之間的空間變大，輻射出去的能量增多，Au納米柱之間的LSPR相應(yīng)減弱，從而導(dǎo)致吸收峰發(fā)生藍(lán)移，但總體峰值無明顯變化。

圖4（b）所示為納米柱半徑 R 對(duì)Au納米柱陣列吸收光譜的影響（ H 設(shè)置為 70nm 。當(dāng)

R 從 30nm 增大至 50nm 時(shí)，LSPR模式的有效共振波長會(huì)增加，譜線右側(cè)的吸收峰從 453nm 明顯紅移至 626nm 。當(dāng) R=40nm 時(shí)，納米結(jié)構(gòu)總吸收率最大。調(diào)整 P 和 R ，能使納米結(jié)構(gòu)的共振波長發(fā)生改變，這為其在不同波長下工作提供了可能。

進(jìn)一步分析了 H 對(duì)Au納米柱陣列吸收光譜的影響（ R 設(shè)置為 40nm ），結(jié)果如圖4（c）所示。當(dāng) H 從 40nm 增加到 80nm 時(shí)，譜線左側(cè)吸收峰的位置會(huì)發(fā)生小幅度紅移（從 420nm 紅移至427nm ），而右側(cè)吸收峰的位置會(huì)從 454nm 紅移至 592nm 。這是因?yàn)?，隨著柱高增加，Au納米柱所占空間比例逐漸變大，輻射出去的能量減少，Au納米柱之間的LSPR相應(yīng)增強(qiáng)，從而導(dǎo)致吸收峰發(fā)生紅移。當(dāng) H=70nm 時(shí)，位于 571nm 處的右側(cè)吸收峰峰值會(huì)達(dá)到最大值。因此，在本研究中將 H 設(shè)置為 70nm 。

接著討論了不同金屬材料對(duì)納米結(jié)構(gòu)吸收光譜的影響，結(jié)果如圖4（d）所示。雖然使用金屬銀（Ag）、鋁（Al）和銅（Cu）的納米結(jié)構(gòu)在400～700nm 波段會(huì)產(chǎn)生多個(gè)吸收峰，但其峰值大都低于 Au 納米柱對(duì)應(yīng)的吸收峰峰值。

進(jìn)一步研究了橫電（transverseelectric，TE）（電場沿 y 軸方向）和TM偏振下納米結(jié)構(gòu)在不同入射角度時(shí)的吸收光譜特性。在實(shí)際應(yīng)用中，理想的光吸收器應(yīng)具有高吸收率，且能適應(yīng)較大的入射角范圍。如圖5所示，當(dāng)入射角從 0^° 增大至45時(shí)，無論是在TM偏振還是TE偏振下，Au納米柱陣列的吸收光譜都保持相對(duì)穩(wěn)定，在 400～700nm 波段的整體吸收率較高，且保持LSPR耦合。因此，本文提出的納米結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出偏振不敏感性，且當(dāng)入射角在一定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，其吸收性能保持穩(wěn)定。該吸收器與其他已報(bào)道吸收器的性能對(duì)比結(jié)果，詳見表1。

接著，分析了將 MoS₂ 替換為其他TMDCs時(shí)，納米結(jié)構(gòu)的光吸收響應(yīng)特性。 MoS₂ 、 WS₂ MoSe₂ 和 WSe₂ 的介電常數(shù)的比較如圖6所示，其中 WS₂ 、 MoSe₂ 和 WSe₂ 的相關(guān)數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[19]。可以看到， WS₂ 、 MoSe₂ 、 WSe₂ 與MoS₂ 的折射率和消光系數(shù)曲線大致趨勢都相似。單層 WS₂ 、 MoSe₂ 和 WSe₂ 納米結(jié)構(gòu)的光吸收譜如圖 7（a）～（c） 所示，所選擇的納米結(jié)構(gòu)與 MoS₂ 基的納米結(jié)構(gòu)完全相同?？梢钥吹剑{米結(jié)構(gòu)同樣能增強(qiáng)這些材料的吸收率。這意味著通過調(diào)整納米結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)也能改變這些材料結(jié)構(gòu)的工作波長。需要指出的是， WS₂ 、 MoSe₂ 和 WSe₂ 這3種材料在共振波長處的介電常數(shù)虛部存在差異，這會(huì)導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)吸收損耗程度不同，進(jìn)而引起吸收率改變。

3結(jié)論

基于LSPR提出了一種由周期性金納米柱陣列、單層 MoS₂ 和DBR組成的可見光波段寬帶吸收器。結(jié)果顯示，單層 MoS₂ 、Au納米陣列和DBR的結(jié)合為開發(fā)具有大范圍入射角、高吸收率、易于實(shí)現(xiàn)的可見光波段寬帶吸收器提供了理論基礎(chǔ)。在共振波長為 422nm 和571nm時(shí)，MoS₂ 基納米結(jié)構(gòu)材料的光吸收率分別超過了96.0% 和 99.8% 。進(jìn)一步研究表明，改變Au納米柱的半徑 R 和周期 P 可以調(diào)節(jié)吸收器的光譜特性，從而可以靈活地調(diào)節(jié) MoS₂ 基納米結(jié)構(gòu)的吸收率。該方法對(duì)實(shí)現(xiàn)光學(xué)吸收器的選擇性具有重要的實(shí)際意義。所提出的基于 MoS₂ 的納米結(jié)構(gòu)也可以用于TM和TE極化。采用其他TMDCs，如 WS₂ ！ MoSe₂ 和 WSe₂ ，也可以得到類似的結(jié)果。這將為其他基于TMDCs的光學(xué)吸收器和光電子器件的設(shè)計(jì)提供參考。在未來，一旦 MoS₂ 的大規(guī)模制造技術(shù)變得更加成熟，本文所提出的結(jié)構(gòu)能提高太陽能吸收效率，可在需運(yùn)用可調(diào)性和偏振無關(guān)性技術(shù)的相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

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（編輯：李曉莉）