引言

近年來，石墨烯由于其獨特的物理、光電和機械優勢，在光子，光電子及相關領域受到廣泛關注，例如：光電轉換/探測領域。然而，石墨烯的低吸收，特別是單層或少數層石墨烯，仍然是限制石墨烯基光電子系統性能的關鍵因素之一。單層石墨烯的吸收率僅為2.3％；對于強光照射，由于導帶被填滿（價帶被抽空），帶間躍遷被阻斷，石墨烯光吸收達到飽和。因此，提高石墨烯吸收率是其廣泛應用的先決條件。另外，石墨烯可激發本征表面等離子體激元（SPPs），相比于金屬SPPs，其擁有更高的電磁場局域，更長的極化激元壽命以及可調諧的等離子體色散關系。基于石墨烯本征SPPs的光電探測器可以使光電流增強一個數量級。值得注意的是，針對石墨烯材料的陷光結構大部分基于復雜的納米結構，包括超材料、由幾十對介質膜層組成的微腔結構或利用納米圖案化金屬體系激發SPPs。此外，金屬的存在常常導致較高的寄生吸收，進一步限制了石墨烯的吸收。因此，石墨烯光電應用迫切需要結構簡單且易制作的吸收增強方案，以促進其發展。

成果簡介

近日，蘇州大學李孝峰（通訊作者）課題組在Nano Energy上發表了題為“Photonic surface waves enabled perfect infrared absorption by monolayer graphene”的文章。研究團隊提出了基于純介質平面系統的光子表面波輔助增強石墨烯光吸收，通過7層介質薄膜及耦合棱鏡激發布洛赫表面波（BSW）并產生電場增強，實現了厚度約為0.34 nm的單層石墨烯在紅外波段的完全光吸收（1310nm，工作波長可通過結構參數調節）。在詳細研究BSW激發條件的基礎上，發現基于非周期結構的廣義表面波也可以實現石墨烯完美吸收。平面純介質表面波系統為低成本和高性能的二維器件應用提供了有價值的方案。

圖文導讀

圖1布洛赫面波的色散曲線和電場、磁場切向分量的分布

（a）布洛赫面波的色散曲線（紅線）。灰色（白色）區域表示理想光子晶體的允帶（禁帶）；

（b）1.31 μm入射波長、45°入射角下，BSW器件的電場和磁場切向分量分布，即|Ey|（紅線）和|Hx|（藍線）。

圖2 BSW輔助的石墨烯完美吸收器

（a） BSW輔助的石墨烯完美吸收體（B-SGPA）示意圖；

（b）45°入射角下B-SGPA的反射，透射和吸收光譜；

（c）電場和磁場切向分量的分布；

（d）器件吸收隨入射角和波長的變化。

圖3 B-SGPA導納軌跡

向前（a）和向后（c）光學傳輸矩陣法計算得到的導納軌跡。

其中插圖是放大視圖，相應的圖層編號見圖2a；其中，紅色實線、黑色實線和灰色虛線分別對應缺陷層、光子晶體MgF2層和光子晶體TiO2層內的導納變化。

從導納軌跡提取的層與層之間界面處的導納實部（b）和虛部（d）。

圖4結構及材料參數對石墨烯吸收的影響

（a）光子晶體對數Npair、（b）缺陷層厚度ddefect、（c）TiO2層厚度dTiO2、（d）MgF2層厚度dMgF2和（e）石墨烯費米能級EF對吸收率的影響；（f）勢壘模型示意圖。

圖5 通過控制缺陷層和PC層的厚度，實現B-SGPA導納匹配

圖6 表面波輔助石墨烯完美吸收器（SGPA）

（a） SGPA的導納圖；

（b）電場和磁場切向分量的分布；

（c）入射角為45°時SGPA的吸收光譜；

圖7 B-SGPA的制造程序

小結

該設計從表面波的光學基礎、傳輸矩陣計算、導納軌跡控制、器件吸收性能到擴展器件設計逐漸深入。使用導納圖/匹配以及虛擬腔和勢壘模型揭示BSW的物理和激發。BSW系統具有高度可調性，可輕易控制石墨烯吸收率及B-SGPA工作波長。此外，通過改變導納軌跡并調整器件參數，該研究提出B-SGPA的導納設計方案，能夠更加靈活地實現導納匹配，從而可以采用非周期系統激發一般的表面電磁波，并實現石墨烯完美吸收。這項研究提供了一個全新的石墨烯吸收增強方案，通過使用簡單的薄膜系統，而不是金屬或復雜的納米結構系統，實現極高的光學性能。基于表面電磁波的石墨烯完美吸收器不僅有助于降低制造成本，且擁有與現有光電系統更好的兼容性；B-SGPA的窄帶和高吸收響應也可應用于高效的光電轉換器件和超靈敏傳感器中。