基于纳米金属阵列天线的石墨烯/硅近红外探测器

金属纳米颗粒低聚体不仅具有等离激元共振效应实现光场亚波长范围内的局域化和增强，还可以通过泄漏光场（leaky field）相互干涉实现法诺共振和连续态中的束缚态（BIC）从而使得电磁场更强的局域和增强。

据麦姆斯咨询报道，近期，南京大学电子科学与工程学院的科研团队在《物理学报》期刊上发表了以“基于纳米金属阵列天线的石墨烯/硅近红外探测器”为主题的文章。该文章第一作者为张逸飞，通讯作者为王军转。

本工作采用金纳米金属低聚体超构表面作为石墨烯/硅（SOI）近红外探测器的天线，实现了光响应度2倍的增强。通过时域有限差分法（FDTD）仿真和实验相结合研究了低聚体超构表面光电耦合效率的动态过程，为提高光电探测效率提供了一种重要的途径。

器件和纳米结构制备

器件制备流程如图1所示，选用厚度为1 μm的n型轻掺杂（掺杂浓度约3×10¹⁶ at./cm³）SOI作为衬底，通过光刻图形化和反应耦合等离子体（ICP）刻蚀技术制备出200 μm x 200 μm的硅岛如图1（a）所示，再通过光刻图形化和电子束蒸发技术（EBE）在硅岛上实现做好一对电极（5 nm Ti/45 nm Au），如图1（b），其中一个电极和硅岛接触，另一个电极在绝缘层衬底上与后续转移的石墨烯相接触；接下来通过电子束曝光的方式（EBL）图形天线纳米颗粒并采用EBE蒸金属5 nm Ti/45 nm Au并剥离，如图1（c），最后将化学气相沉淀方法生长的（CVD）石墨烯通过湿法转移的方法转移到硅岛上面，并采用刻蚀方法将石墨烯和与硅接触的电极断开，这样整个石墨烯/硅肖特基器件制备完成如图1（d）所示，器件显微镜照片如图1（e）所示，石墨烯形状完好，没有破裂。

图1 纳米天线器件制备流程示意图

图2（a）为制备的纳米天线阵列示意图，夹角为θ，每个阵列大小约10 μm，天线正方形边长为250 nm，周期为1750 nm，图2（c）和（d）为θ等于0°和40°的纳米天线的扫描电镜图片。

图2 纳米天线阵列SEM表征图

纳米阵列等离激元对光电探测增强效果

首先，对器件进行了微区光电流测试，测试的光路图如图3（a）所示，850 nm激光通过20倍物镜聚焦照射在器件上，光斑直径大小约1 μm，通过偏振片调节激光的线偏振方向和纳米结构x轴方向一致，如图2（a）所示x方向（与纳米结构中心轴y水平垂直）。研究人员测试了器件的暗电流，有纳米天线和没有纳米天线的暗电流基本一致（如图3（a）），可见曲线是典型的背靠背肖特基的电流电压特性曲线，金和硅以及硅和石墨烯都形成了肖特基接触。随后，挑选了纳米天线夹角为0°的纳米颗粒阵列研究光电流增强情况，图3（d）给出了有无纳米天线的器件，在改变激光功率时光电流变化趋势，随着功率从0.03 mW增加到1.86 mW，光电流逐渐增加并趋向饱和达到1.05 x 10⁻⁴ A，而没有天线的石墨烯/硅探测区域光电流为5.45 x 10⁻⁵ A，天线对光电流增强约2倍，有天线时光电流响应度为56 mA/W，相比商用的PIN结构硅探测器响应度低近一个数量级。在这里主要关注天线对探测性能提高的影响，没有在器件结构上做进一步的优化。

图3 具有纳米天线结构的器件光电流表征

图4（a）给出了制备出的器件暗场的照片，为了研究颗粒间距以及周期和夹角对探测效果的影响，设计了三个区域的天线，分别为周期为1.2 μm纳米颗粒间距为40 nm和100 nm的Ⅰ和Ⅱ区，周期为1.75 μm纳米颗粒间距为40 nm的Ⅲ区，每一个区域从右到左，由上到下，夹角θ如图中所标注从0°到40°。图4（b）给出了1 mW 850 nm激光辐照下的光电流扫描图，从图中可见有纳米天线的探测区域光电流明显高于无纳米线天线的区域，周期为1.2 μm间距为100 nm的纳米颗粒阵列区域整体上光电流更大一些。当研究纳米结构天线随着角度的变化对光电流强度影响规律时，发现角度增大过程中，整体上光电流不断增大，直到θ为40°达到最大，随后减小，最大增幅约为14%。然而，三种结构中一致地出现在θ为20°时，光电流随夹角变化存在一个谷，而此时光电流大小与夹角为0°时相当，如图4（c）所示。

图4 不同夹角纳米天线阵列的光电流表征

夹角对天线效果影响以及仿真结果

为了进一步理解光电流随夹角变化这一现象背后的物理过程，采用Lumerical中时域有限差分法（FDTD）进行仿真工作。图5（a）分别为该结构夹角θ从0°到40°的透射和吸收谱图，透射谱可以看到明显的法诺共振。当两个纳米颗粒靠近时，在光场激励下形成两个极化子（dipole），类似当氢原子靠近时轨道杂化一样，两个dipole进行杂化形成了成键和反成键态，而多个颗粒就形成了多体耦合结构（多聚体）。这样强耦合体系向平面泄露或者辐射光将会产生干涉形成新的分立的泄露模式，该模式和纳米颗粒等离激元模式相耦合产生法诺共振。从仿真结果看，随着角度增加，共振峰位以及强度没有明显变化；如图5（b）所示，夹角为16°和20°共振谱形，该谱形具有非对称的结构，类似法诺共振耦合谱，主峰附近低能量的振荡峰与多体耦合相关。

图5 纳米天线透射光谱和和夹角关系

结论和讨论

基于石墨烯/硅肖特基探测器研究了金属纳米结构等离激元天线的夹角对光场增强的影响，整体上天线对光响应度实现了两倍的增强。当夹角从0°到90°变化时，光电流先增大，后来趋向饱和，当该夹角为40°时，光电流达到最大值，对应法诺共振最大的透射率，此时天线不仅汇聚光场能量还定向发射给探测器；当该夹角为20°时，光电流出现一个低谷，此时能量局域于低聚体内，金属损耗减弱了等离激元增强效果。可以进一步推测，泄漏场的干涉有望实现BIC，从而辐射能量得以消除，将能量集中于结构内，然而由于金属材料损耗比较大，又由于衬底介电常数以及吸收特性，无法进一步得到BIC现象。该工作通过时域有限差分法仿真和实验相结合研究了多个纳米颗粒组成的多聚体超构表面光电耦合效率的动态过程，为提高光电探测效率提供了一种重要的途径。

论文链接：DOI: 10.7498/aps.73.20231657