前沿进展 | 石墨烯高鲁棒性完美吸收器

导读

近日，中国科学院上海技术物理研究所李冠海、陈效双、陆卫研究员团队和华东师范大学黄陆军研究员提出并实现了一种基于环形偶极子(TD)连续域束缚态(BIC)的石墨烯高鲁棒性完美吸收器，相关工作以“Toroidal Dipole BIC-Driven Highly Robust Perfect Absorption with a Graphene-Loaded Metasurface”为题发表在Nano Letters上。

研究背景

二维材料具有特殊的半导体性质和显著的激子特性，引发了科技界的广泛兴趣。然而其原子层厚度的相互作用长度限制了光-物质相互作用，制约了其在各个领域的潜在应用。为了克服这一问题，以往的研究者们提出了基于表面等离子体共振、法布里-珀罗腔、对称保护的连续域束缚态等机制的方案来提高二维材料的吸收，但这些方案可能会带来欧姆损耗或者结构鲁棒性的破坏。如何在任意选择的单一波长实现完美吸收并且消除结构扰动的影响，仍是一个亟待克服的关键问题。

研究创新点

研究团队设计了一种硅基双联复合光栅结构，利用复合光栅结构支撑的环形偶极子连续域束缚态，在不破坏结构对称性的情况下通过调节双联光栅之间的间隙，实现了单层石墨烯的完美吸收。与传统的单个单元光栅或圆孔/圆柱阵列设计不同，该设计中结构随着光栅间隙距离的变化，始终表现出非常稳定的波长峰位。

根据时域耦合模理论，结构的吸收将在辐射品质因子与本征吸收品质因子相等，即临界耦合条件达成时达到最大值。研究团队设计了包含连续域束缚态（BIC）模式的双联光栅结构，并通过调节光栅之间的间隙对其辐射品质因子进行调节，达成了临界耦合条件，并通过引入背向反射器提升吸收效率到100%。能带结构分析表明，引入的BIC是由能带边缘折叠到第一布里渊区Γ点所产生的。对该BIC进行多极分解发现这种BIC的性质由环形偶极子所主导。结构设计原理图如图1所示。由于结构的高折射介质材料总体积保持不变，吸收峰值波长在结构参数的变化下保持了相当的稳定性。同时，通过选择不同的光栅宽度，可以在不同的峰值波长处实现相应的全吸收。

图1 石墨烯完美吸收结构设计。（a）石墨烯双联复合光栅结构示意图。（b）完美吸收的流程图。（c）在不同波长下的石墨烯完美吸收光谱。（d）不同光栅间隔下峰值波长的变化。展示峰值波长对参数变化的稳定性。（e）不同光栅间隔下品质因子的变化

研究团队给出了单层石墨烯完美吸收的实验证明，如图2所示最大光吸收效率达到了95.5%；同时实验验证了结构在结构参数变化下的峰值波长稳定性。与传统文献的对比进一步展示了该设计在实现高鲁棒完美吸收方面的优势，其波长稳定比>15。该研究结果适用于多种二维材料，可以根据选择的二维材料将吸收峰值波长从可见光到中红外区域进行调谐。该研究结果有望在基于二维材料的光电器件中找到潜在应用，例如光电探测器、传感器和滤波器等。

图2 石墨烯复合光栅结构的测试与表征。（a）结构的SEM俯视图。插图展示了样品的横截面。（b）测试光路图。（c-d）不同光栅间隔样品的实验测试图及RCWA理论仿真结果。（e）不同光栅间隔下结构的峰值波长柱状图。（f）结构的半高全宽与峰值吸收数据

总结与展望

这项工作中研究团队提出了一种利用环形偶极子连续域束缚态实现任意波长完美吸收的方案，通过实验展示一种单层石墨烯加载复合光栅的典型结构，基于TE31模式的环形偶极子连续域束缚态在保持结构对称性的同时调节品质因子，从而实现稳定的峰值波长下的完美吸收。与传统方法相比，本文的方案在实现高鲁棒性的完美吸收方面具有明显的优势，其波长稳定比超过15。这种稳定且通用的设计能够在恒定波长下实现多种吸收效果，并且可以直接适用于不同二维材料用于特征光谱检测等。

博士研究生金融为本文的第一作者，李冠海研究员，黄陆军研究员为本文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、中国科学院、上海市科委、上海浦江人才计划、浙江省自然科学基金、贵州省高校科技创新团队等项目支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c02958