基于石墨烯/α-MoO3/SiC塔姆等离子体结构的高灵敏度完美吸收

论文信息：

Zhenxing Li, Huiling Li, Zheng-Da Hu, Jiacheng Zhou, Jicheng Wang, Sergei Khakhomov, Lithography-free high sensitivity perfect absorption based on Graphene/α-MoO₃/SiC and Tamm plasmonic structure, Optics and Laser Technology 169, 110125 (2024).

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2023.110125

研究背景

高效光吸收一直是微纳光电技术中的关键问题。如何加强和控制光吸收一直是光电子学和光学领域一个有意义的研究方向。近年来，研究人员通过模式耦合来增强和控制光吸收，并提出了一种基于表面声子极元（TPhP）和范德华层状材料（如α-相三氧化钼，α-MoO₃）耦合的新型传感器结构，可以实现窄峰、高灵敏度的完美吸收。α-MoO₃作为一种范德华材料，具有独特的面内各向异性和优异的光学性能，可以为控制光提供新的自由度。然而，关于α-MoO₃与TPhP耦合的研究还很有限。因此，本文旨在探索并解决这些问题，以进一步改进光吸收器的性能。

研究内容

图1 (a)展示了设计的结构示意图，该结构耦合了TPhP模式和石墨烯/α-MoO3/SiC (GMS)模式。它由分布式Bragg反射器(DBR, Ge/BaF2/Ge/BaF2)、空气层、石墨烯、α-MoO3和极性半导体SiC组成。图1 (b)为三维结构中α-MoO3沿三个晶体学方向的原子取向示意图。图1 (c) 给出了α-MoO3在不同方向(x、y、z)折射率的实部，在MIR波段各方向的虚部都接近于零，说明α-MoO3不会造成光损失，光学效果由折射率的实部决定。

图1. (a) 一种无需光刻的传感器结构示意图，TPhP模式和GMS模式耦合；(b) α-MoO3的原子取向示意图，沿三个晶体学方向呈现三维结构，其中O1、O2和O3分别代表氧原子的三个可能位置；(c) α-MoO3在中红外波段沿不同方向（x、y和z）的折射率。

GMS是一种典型的高-低-高折射率分布的结构。电场分布如图2 (a)右侧所示，其中能量主要集中在各向异性绝缘介质α-MoO3和石墨烯层。图2 (b)中，GMS结构在谐振波长12.68 μm处具有较宽的吸收带。由于α-MoO3的各向异性，光在GMS结构中沿α-MoO3不同轴向的传播是不同的，如图2(c)、2(d)和2(e)所示。光沿不同轴向传播对共振波长没有影响，但会影响结构的吸收效率。

图2. GMS模式的光学特性。(a) GMS模式结构示意图及其在共振波长12.68 μm处的电场强度分布。(b) α-MoO3厚度h = 4.75 μm时的宽带吸收光谱。在正入射下，(c) 吸收光谱随着α-MoO3厚度h沿α-MoO3 x晶轴的变化；(d) 吸收光谱随着α-MoO3厚度h沿α-MoO3 y晶轴的变化；(e) 吸收光谱随着α-MoO3厚度h沿α-MoO3 z轴的变化。黑色虚线表示x、y和z轴GMS的不同阶数。

图3 (a)中TPhP结构的电场能量集中在1DPC和SiC之间的空气层中。当空气层厚度调整为10.45 μm时，其共振吸收峰位于12.68 μm与GMS结构相同。此外，通过调整TPhP结构的参数，发现只有对吸收的共振波长有显著作用，如图3 (c)所示。

图3. TPhP模式的光学特性。(a) TPhP模式结构示意图，包括1DPC、空气层和SiC层，并在12.68 μm处的电场强度分布。(b) 空气层厚度d air = 10.45 μm的吸收光谱。(c) 在正入射光下，随着波长和d air变化的吸收光谱。两条红色虚线表示TPhP模式的阶数。

图4展示了用GMS结构去替代TPhP结构中的SiC层去组成新的耦合模式。

图4. 耦合模式的光学吸收特性。(a) 传感器结构耦合GMS和TPhP的示意图，并在谐振波长11.98 μm处的电场强度分布。(b) 对于空气层厚度d air = 10.45 μm的吸收光谱，以及由CMT计算得到的理论结果。(c) 在正入射光下，当h设置为4.75 μm时，共振波长随d air的红移。(d) 在正入射光下，当d air设置为10.45 μm时，吸收随波长和h的变化，且共振波长随h的红移。

图5 (a)显示耦合模式下传感器的工作原理，用于检测气体折射率。仿真结果表明，被测气体折射率微小变化时，传感器的峰值呈均匀明显的移动，见图5 (b)。通过计算不同条件下的灵敏度（S = Δλ/Δngas），可以发现传感器的最大灵敏度S = 6 μm/RIU，且相较于已发表传感器，具有更高的灵敏度。

图5. 传感器的性能。(a) 传感气体折射率的传感器示意图。(b) 在待检气体不同折射率下的吸收情况，谐振峰随气体折射率n的变化明显而均匀。(c) 在h = 4.75 μm时，传感器在不同d air下的灵敏度，拟合曲线表明灵敏度先增加后减小。(d) 在d air = 10.45 μm时，传感器在不同h下的灵敏度，S随h的增加而持续增加。

结论与展望

综上所述，本文提出了一种由TPhP和GMS耦合的可调谐无光刻完美吸收的传感器。通过调整传感器的几何参数，其最大灵敏度可达6 μm/RIU。该工作拓展了Tamm声子极化子完全吸收的研究，开启了TPhP与α-MoO3的耦合，在折射率传感、光电探测器、吸收器和能量收集装置等多个领域做出了重大贡献。