利用石墨烯和Tamm等离激元实现波长和角度选择性光电探测器

论文信息：

Cheng-Han Huang, Chia-Hung Wu, Rashid G. Bikbaev, Ming-Jyun Ye, Chi-Wen Chen, Tung-Jung Wang, Ivan V. Timofeev, Wei Lee and Kuo-Ping Chen, Wavelength-and Angle-Selective Photodetectors Enabled by Graphene Hot Electrons with Tamm Plasmon Polaritons,  Nanomaterials, 13, 693（2023）.

论文链接：https://doi.org/10.3390/nano13040693

研究背景

最近，纳米光子学的发展被认为可以取代传统的激光雷达系统，特别是在需要小型化的应用中，如芯片规模的光学阵列和基于超表面的等离子体光学器件。此外，基于纳米光子学平台的激光雷达结构可以根据结构中的强场限制和超表面的特性提供优化的探测器效率。其中石墨烯的光电探测器凭借其无带隙的能带结构、在300 – 2500 nm宽范围内的光吸收以及将光子转化为载流子等诸多优点，受到了相当大的关注。由于石墨烯的原子层厚度，等离激元纳米结构独特的机械和光学柔性，具有很强的局域场，使其适用于光电器件。

等离激元共振是一种著名的包含SPPs的等离激元态，它可以实现电场的强局域化，已被广泛研究用于各种应用。在2007年，Shelykh等人首次研究了Tamm等离激元( TP )结构，该结构由分布式布拉格反射镜( DBR )和金属膜构成。在TPPs中可以检测到特殊的光学特性，包括位于DBR -金属界面的尖锐共振(高Q值)和强场限制。与SPPs相比，TPPs可以直接激发，不需要任何耦合器或棱镜。此外，TPP共振可以通过改变DBR的介质层厚度或光源的入射角来调节，这对于窄带滤光片、热发射器和激光器是一种有前途的利用。

研究内容

本文设计了两个石墨烯- TPP光探测器件来证明该器件可以在近红外( NIR )和可见光区域工作。并且其工作在近红外区域的角度选择器件(器件A)以及，在工作在可见光区域的波长选择器件(器件B )。

图1 a展示了所提出的石墨烯- TPP光电探测器(器件A)的原理图。该器件通过堆叠玻璃衬底，交替DBR的介质层，转移石墨烯，并在彼此的顶部沉积TPP金属膜( 35 nm金)和金电极来构建。

图1. ( a )石墨烯Tamm等离激元光电探测器(设备A ,近红外区样品)的原理图;( b ) DBR (设备A ,近红外区样品)介质层的扫描电镜照片。

Tamm等离激元结构已经被广泛研究，其可以通过改变DBR的入射角度或顶部介质层的厚度来微调目标共振的波长，也可以通过改变不同的金属薄膜(如Au、Ag、Al等)来实现更高品质因子(品质因数)的TPP共振。在该模型中，一个700 – 1000 nm的平面波光源斜入射到所设计的TP结构上，且为横向磁( TM )偏振。不同的模拟TPP共振峰如图2 a所示。通过TM偏振入射50 °产生了波长为850 nm的TPP共振。模拟的电场分布如图 2b所示，其中固定波长为850 nm的TM偏振光斜入射到TP结构上。最强场位于石墨烯通道建立的金属- DBR界面处。

图2. 对于器件A，( a )模拟了入射角为40 °、50 °、60 °时TM偏振的TPP光谱;( b ) TM偏振850 nm光源入射角为50 °时石墨烯- TPP结构的电场分布模拟。

在图3 a中，器件A被TM偏振卤素光源斜入射( 50 ° )，并被光谱仪探测，测得的TPP共振(蓝色实线)的波长与模拟的TPP共振(虚线黑线)的波长可以拟合；但是可以观察到实验与仿真的反射率差异，这是由于制作过程中金属薄膜厚度的误差造成的。图3 b描述了器件A的不同光电流强度，当TM偏振，850 nm连续波( CW )激光以0 °和50 °入射到样品上。在入射角为50 °时，TP结构可以吸收该波长下的大部分光；这导致平均光电流约为80 nA，大于正常入射时的光电流( 0 ° )。图3 c中的绿色虚点曲线说明了TP结构在入射角从0 °到60 °范围内的模拟电能，图3 c中的红色实线光电流响应度具有与电能曲线相对应的特定峰值。当入射光功率为0.24 μm/W时，响应度的最大值约为330 μA/W。接下来去掉DBR层，创建一个对照组。结果如图3 d所示，可以看出，如果TP结构不存在，则没有特定的模拟电能峰影响光电流响应度。通过与实验组和对照组(图3 c、d)对比可以看出，光电流响应度受结构吸收的影响，这种石墨烯- TPP结构(器件A )可以引入到角度选择性器件中。

图3. ( a )在入射角为50 °，TM偏振下，器件A的实验和仿真的TPP光谱在DBR阻带区(灰色区域)；( b )器件A的TM偏振光电流测量；红色和黑色点划线实线分别表示50 °和0 °的850 nm连续激光光源的入射角；( c )光源入射角在0 ~ 60 °范围内不同的响应度和模拟电能值，记为实验组；( d )对照组结果( W /O型TPP样品)与( c )相比。

接下来介绍波长依赖的器件(器件B)，其制备方法同器件A，顶部的沉积层金属换成了50 nm的TPP银膜，其结构如图 4所示。

图4. ( a )和( b )分别为器件B的示意图和DBR的SEM断面。在DBR介质层中，SiO2 ( TiO2 )的设计厚度≈83.7 nm (≈49.3 nm)，因此DBR的中心波长λc = 500 nm。

器件B是一个可见光亮区样品，如图5 a所示，器件B通常由卤素光源通过显微镜的物镜照明，TPP共振(蓝色固体曲线)使用与器件A相同的光谱仪测量，在DBR阻带区域，实验的TPP数据与模拟数据拟合。图5 b为器件B作为光源从单色仪入射到样品上的氙灯在波长为517 nm和560 nm下的不同光电流强度。当吸收从65 % ( 517 nm )降低到15 % ( 560 nm )时，平均光电流为87 nA，约为560 nm时的4.3倍。在图5 c中，绿色虚点曲线显示了TP结构在光源波长从460到560 nm的吸收减弱，光电流响应度在吸收曲线中具有特定的峰值。当517 nm入射光的功率为0.32 mW时，响应度的最大值约为271 μA /W。作者还制备了对照组，在图5 d中，没有出现影响光电流响应度的特定吸收峰；因此，光谱是一条平滑的直线。对比实验组和对照组(图5 c、d)，可以得到结论器件B是波长选择性器件。

图5. ( a )正常入射时，实验和模拟的器件B的TPP谱在DBR阻带区(灰色区域);( b )器件B的光电流测量，红色和黑色实线分别表示光源波长为517nm和560nm，黄色和白色区域表示光源ON / OFF );( C )在光源波长460 – 560 nm范围内不同的响应度和降低的吸收百分比，记为实验组;( d )对照组结果( W / 0 TPP样品)与( c )相比。

结论与展望

本文研制了石墨烯 – TPP光电探测器件。通过照射TP结构，该结构产生强局域场并被石墨烯探测，转换为光电流响应。在不同的入射角度和光源波长下观察到不同的光电流响应度。光电探测器的响应度会受到结构吸收的影响。在器件A中，当入射角为50 °时，随着吸收率从0 %增加到60 %，响应度可从约0 μA / W提高到330 μA /W；因此，它可以被称为角度选择器件。另一方面，在517 nm光源波长下，器件B的响应度从60 μA /W提高到271 μA /W，吸收从15 %提高到65 %；因此，它可以被认为是一种波长选择器件。此外，为了增强响应度，所研制器件中的石墨烯层可以被WS2和MoS2等材料替代，其波长和角度选择性可以应用于下一代微型激光雷达探测、太阳敏感器和激光信标跟踪导航仪器。