具有单层二硫化钼和六方氮化钛纳米盘阵列的宽带完美吸收器

背景

超材料能够以前所未有的方式调整入射光的振幅、相位和偏振响应。特别是，超材料的吸收增强是与人工工程超材料相关的最有趣的主题之一 [1,2,3,4,5]。几种超材料结构被证明是高性能光吸收体，例如致密纳米棒和纳米管 [6, 7]、多层平面光子结构 [8,9,10] 和光子晶体 [11]。在过去的十年中，Au [12] 和 Ag 已被深入研究 [13,14,15,16] 用于设计吸收体。在早期阶段，大多数研究活动都集中在具有金属纳米颗粒、周期光栅和金属/电介质/金属薄层结构的窄波段内的电磁场吸收 [17,18,19,20]。然而，整个可见光区域的宽带吸收对于光伏和热光伏电池很重要。在现实应用中的实际需求驱动下，近年来报道了宽带吸收的研究工作。具有由交叉梯形阵列组成的纳米结构顶部银膜的吸收器提供宽带和偏振无关的共振光吸收，平均测量吸收为 0.71，而在整个可见光区域（400-700 nm）内模拟吸收为 0.85 [16]。使用基于多个金属/电介质/金属层的吸收剂进一步改善了宽带吸收，在整个可见光区域的平均模拟吸收率为 93% [14]。为了获得更好的宽带吸收，基于半导体的氧化物和过渡金属氮化物 [21, 22] 被提议作为替代等离子体材料。具体来说，过渡金属氮化物如 TiN 或 ZrN 可以作为可见波段中传统贵金属的替代品 [21]。基于 TiN 的宽带超材料吸收器具有方环阵列，在整个可见光区域 (400-800 nm) [23] 中的平均吸收率为 95%。在具有 TiN 和氧化铟锡透明导电膜的宽带超材料吸收器中，560 至 675 nm 的吸收率超过 98%，而 400 nm 至 500 nm 的短波平均吸收率低于 85% [24]。最近，单层 MoS2 在产生各种光电器件 [25,26,27,28,29,30,31,32,33,34] 和光催化应用方面显示出巨大的潜力，因为它在短波长侧具有高吸收 [35, 36 ]。研究了具有金属 Ag 超表面和单层 MoS2 的宽带吸收剂，平均吸收率低于 90% [37]。在这项工作中，提出了一种具有单层 MoS2 和六边形排列的 TiN 纳米盘阵列的更紧凑的吸收剂，在整个可见光区域延伸到近红外（从 400 到 850 nm）具有高达 98.1% 的平均吸收率。这种结构在光伏应用中很有前景。

方法

我们的吸收器的初始结构和单元的顶视图示意性地显示在图 1 中。一层介电 SiO2 夹在 TiN 纳米盘阵列和铝 (Al) 基板之间。单个尺寸的 TiN 纳米盘以相同的间距六边形排列在 SiO2 膜上。将厚度为 0.625 nm 的单层 MoS2 插入纳米盘阵列下方。结构参数表示如下：p x 和 p 是 =\( \sqrt{3}px \) 是矩形单位单元沿 x 的周期长度 - 和 y - 方向，分别; d 是 TiN 纳米盘的直径； t 1 和 t 图 2 分别为顶部 TiN 纳米盘和 SiO2 薄膜的厚度。选择铝膜作为基板，厚度为 500 nm，远比我们研究的光谱范围内的光穿透深度厚。

一 拟议的 TiN 纳米盘/单层 MoS2/SiO2/Al 结构的示意图。 b 矩形单元格的俯视图

使用 Lumerical FDTD Solutions 的软件包在模拟中采用了有限差分时域 (FDTD) 方法。假设光垂直入射在吸收体上，朝向 -z -方向。在这个模拟中，z -direction 有两个完全匹配的层，在 x 中设置周期性边界条件 - 和 y - 方向。吸光度可以由相应的透射率（R）和透射率（T）与A计算 =1−R -T .很容易看出，在我们的情况下，透射率始终为零，因为铝基板远比光谱范围内的光穿透深度厚，并且作为镜子与纳米盘阵列形成共振腔以增强吸收。在模拟中，针对不同层尺寸使用非均匀网格尺寸，具体设置如下：在单层MoS2中采用2.0nm×2.0nm×0.1nm的网格尺寸；其他模拟区域设置网格尺寸为 2.0 nm × 2.0 nm × 2.0 nm。

SiO2 间隔层的折射率曲线取自 Lumerical FDTD Solutions 软件的材料基础。 TiN 的相关材料参数是从参考文献中借用的。 [38]，单层二硫化钼的色散曲线来自参考文献。 [39]。 TiN 和单层 MoS2 的拟合色散曲线如图 2 所示。在可见光范围内，TiN 被提议替代 Au 或 Ag 等贵金属来实现 LSPR [21] 的激发，因为 TiN 表现出更高与贵金属相比的消光系数。然而，在短波边缘相对较低的消光系数表明吸收性能不令人满意。幸运的是，单层 MoS2 具有相当高的消光系数，尤其是在短波一侧；它可以被引入到 TiN 纳米盘/SiO2/Al 结构中，以改善整个可见光区域的宽带吸收。此外，单层二硫化钼是直接带隙半导体，容易激发电子。并且具有良好的热电性能[40]，可以很好地利用所提出的结构吸收的能量，有利于太阳能应用。

一 TiN层的分散度：n 是折射率和 k 消光系数。 b 单层MoS2的分散

结果与讨论

首先研究了TiN纳米盘/SiO2/Al结构的吸收性能。为了优化结构的性能，利用x分别研究了吸收光谱对TiN纳米盘直径和厚度以及SiO2间隔层厚度的依赖性。 -具有优化周期p的偏振入射光 x 在 200 纳米。

由于晶胞中的电场和磁场受吸收体尺寸的强烈影响 [28, 41]，研究了不同直径 TiN 纳米盘的吸收光谱。图 3a 显示了 p 顶部 TiN 纳米盘的吸收光谱与直径的关系 x =200 nm 和 t 1 =t 2 =50 纳米。当 TiN 纳米圆盘的直径从 40 nm 增加到 120 nm 时，共振吸收增加，然后随着直径逐渐接近 200 nm，吸收减少。当直径在 120 nm 左右时，所提出的结构在可见光范围内具有最佳的吸收性能。

一 吸收光谱与顶部 TiN 纳米盘直径的关系，参数固定在 p x =200 nm 和 t 1 =t 2 =50 纳米。 b 具有 p 的顶部 TiN 纳米盘的吸收光谱与厚度 x =200 nm，d =120 nm 和 t 2 =50 纳米。 c 吸收光谱与具有 p 的 SiO2 层的厚度 x =200 nm，d =120 nm 和 t 1 =50 纳米。 d 参数设置为 p 时入射光的光谱与偏振角 x =200 nm，d =120 nm 和 t 1 =t 2 =50 纳米。 颜色条 表示吸收值

出于同样的原因，还研究了对 TiN 纳米盘厚度的吸收依赖性。图 3b 显示了当其他参数固定在 p 时吸收光谱与顶部 TiN 纳米盘的厚度 x =200 nm，d =120 nm 和 t 2 =50 纳米。很明显，共振吸收峰波长有红移，而 t 1 增加，共振吸收带宽从 t 变宽 1 =30 到 50 纳米。结果，对于 t 1 =50 nm，在453~797 nm波长范围内吸收性能最佳，约350 nm宽，吸收率大于95%。

此外，SiO2 间隔层的厚度也是决定结构磁共振的关键参数。从图3c中SiO2间隔层的吸收光谱与厚度的关系可以看出，随着SiO2厚度的增加，共振吸收峰的中心波长发生红移，优化后的厚度为t 2 =50 nm 而其余参数设置为 p x =200 nm，d =120 nm，t 1 =50 纳米。可以看到，TiN 纳米盘/SiO2/Al 结构提供了非常令人满意的宽带吸收，在 400 到 850 nm 范围内的平均吸收率为 96.1%。

为了理解图 4a 中 680 nm 附近吸收峰背后的机制，通过将纳米盘视为可极化偶极子来采用耦合偶极子近似方法。由于 TiN 纳米盘的尺寸远小于可见光的波长，因此准静态近似适用于处理这种情况。在准静态近似中，每个被入射光照射的纳米圆盘都可以被视为具有极化率的偶极子[42]，

一 p 不含单层 MoS2 的吸收光谱 x =200 nm，d =120 nm 和 t 1 =t 2 =50 纳米。 b 平面波法向入射 TiN 纳米盘归一化消光截面

在这里，V 表示 TiN 盘的体积，ε 1 =ε 1r + ε 1i 是 TiN 纳米盘的频率相关介电常数，ε 2为嵌入介质SiO2的介电常数。当入射光的外加电场平行于圆盘偏振时（即 xy 平面），形状因子可以写成[42]

在这里，d 是 TiN 纳米盘的直径，t 图 1 为 TiN 纳米盘的厚度。因此，消光截面σ ext可以从极化率获得[12, 43]

如前所述，准静态近似适用于计算单个 TiN 纳米盘的消光截面。纳米盘的归一化消光截面如图 4b 所示，其趋势与图 4a 中的光谱相似，p x =200 nm，d =120 nm，t 1 =50 nm，和 t 2 =50 纳米。最大消光截面的对应波长约为 715 nm，接近模拟结果中吸收光谱 680 nm 附近的峰值波长。事实上，数值结果与吸收光谱并不完全一致，因为我们只考虑了 TiN 纳米盘的尺寸来模拟 LSPR 吸收峰，而忽略了纳米盘与间隙中的磁共振之间的串扰这应该对拓宽完美吸收带产生重大影响，并有助于提高我们结构中的吸收性能。这将在以下部分进行解释。

为了提高短波长边缘的吸收，将单层 MoS2 引入 TiN 纳米盘/SiO2/Al 结构中，如图 1a 所示，分别将其插入到纳米盘阵列之上和之下。参数设置为p x =200 nm，d =120 nm，t 1 =50 nm，和 t 2 =50 nm 基于之前获得的优化结果。由于 LSPR 的激发，纳米盘周围的电场增强，如图 6 所示。因此，增强的电场增强了超薄单层 MoS2 中的吸收，导致两种情况下的吸收性能更好，如图 6 所示. 5a, b.在 TiN 纳米盘/SiO2/Al 结构中没有 MoS2 时，获得最佳吸收性能，峰值吸收接近 100%，400 至 850 nm 的平均吸收为 96.1%。随着单层 MoS2 插入 TiN 纳米盘阵列下方，还观察到接近 100% 的峰值吸收。与没有单层 MoS2 的情况相比，超过 95% 的吸收带在 424 至 842 nm 范围内扩大了约 80 nm，并且在 400 nm 处的光波长吸收率从 81% 增加到 89%。结果，从 400 到 850 nm 的平均吸收率从 96.1% 提高到 98.1%，对于从 475 到 772 nm 的接近 100% 吸收率的约 300 nm 宽波长范围。通过在纳米盘阵列上添加 MoS2 层，总性能也得到了提高，从 400 到 850 nm 的平均吸收率为 96.8%。从上面的讨论可以看出，在纳米盘阵列下方插入单层 MoS2 在提高结构吸收性能方面表现更好。为了阐明单层 MoS2 对总结构的贡献，计算了单层 MoS2 和 TiN 纳米盘的吸收并显示在图 5c 中。引入单层 MoS2 后，纳米盘在短波长边缘的吸收略有下降。然而，由于单层二硫化钼的高吸收，在光谱的短波长边缘处总吸收仍然增加。在长波长边缘，纳米盘的吸收随着引入单层二硫化钼而变得更高。整体而言，TiN纳米盘下方的单层MoS2扩大了吸收带宽。

吸收光谱a 和放大的吸收光谱b 在 TiN 纳米盘阵列下方、在 TiN 纳米盘上和未引入单层 MoS2 的情况下。 c TiN纳米盘和单层MoS2的吸收

此外，还研究了入射光偏振角的影响。图 3d 显示吸收光谱几乎不受入射光偏振角的影响，正如其他一些超材料设计 [44,45,46] 中所报道的那样。圆形纳米圆盘的旋转对称性确保在垂直入射时不同偏振角没有差异。此外，六边形阵列具有三重旋转对称性，这使得吸收对法向入射时的偏振角不敏感 [44,45,46,47]。因此，结构中的总吸收对偏振不敏感。

为了了解光如何在 MA 结构中被吸收，研究了代表不同谐振波长的能量流的场分布和坡印廷矢量。在图 6a-c 中，电场分布绘制在通过 xz 的横截面上 y 处的平面 =0，这表明在分别对应于波长 402、502 和 680 nm 的所有三种情况下，LSPR 发生以增强纳米盘周围的电磁场并将电磁场限制在纳米盘之间。参数设置为p x =200 nm，d =120 nm，t 1 =50 nm，和 t 2 =50 纳米。比较这三种情况，402 nm 处的 LSPR 相对较弱，反射电场较强，表明吸收率为 82%。对于 502 和 680 nm 波长，LSPR 明显更强（如图 6b、c 所示），分别导致 99.4% 和 99.6% 的更好吸收。为了更好地理解，坡印廷矢量还绘制了电场分布。在纳米盘附近可以看到更大的坡印廷矢量，特别是对于波长为 502 和 680 nm 的情况。从坡印廷矢量的模式可以得出结论，纳米圆盘周围发生强共振，能量流入纳米圆盘，即入射光能主要被 TiN 纳米圆盘吸收。此外，由 LSPR 引起的 TiN 纳米盘周围的增强场改善了单层 MoS2 的吸收，这拓宽了 TiN 纳米盘/SiO2/Al 结构的吸收带，无论是在单层 MoS2 插入纳米盘之上和之下的情况下，磁盘阵列。

电场分布| E | 和 xz 中的坡印廷向量 y 处的平面 =0 的单位晶胞被波长 λ 的光照射 =402 nm (a ), 502 纳米 (b ) 和 680 纳米 (c )，以及磁场分布

为了深入研究，图 7a-c 显示了纳米盘顶面（界面 1）、TiN 纳米盘和 SiO2 层之间的界面（界面 2）以及 SiO2 层和底部之间的界面上的场强分布沿 xy 的晶胞的 Al 基板（界面 3） 分别位于共振波长 680 nm 的平面。所有强度分布都是对称的，最大共振强度位于 TiN 纳米盘的边缘，表明振荡电荷在那里积累（图 7a-c）。关于界面 3，由于纳米盘沿不同方向穿过 SiO2 间隔层产生的散射电磁场，共振强度与界面 2 相比有所衰减。如图 6d 所示，在间隙中激发了磁共振，这导致人工磁矩与入射光的磁场发生强烈相互作用 [48]。因此，可以增强间隙中的电磁场，并将能量有效地限制在TiN纳米盘和Al基板之间的间隙中。当 LSPR 和磁共振阻抗匹配时，总吸收达到统一 [19]。随着纳米盘直径的增加，串扰变得更强，导致阻抗匹配条件发生变化。结果，一个吸收峰在波长 502 nm 和 680 nm 处分裂为两个吸收峰，其中 LSPR 和磁共振阻抗匹配到单位吸收。此外，磁共振的存在使得插入纳米盘阵列下方的单层 MoS2 性能优于纳米盘阵列。最重要的是，由于纳米盘的强 LSPR 和间隙中的磁共振以及相邻纳米盘之间的串扰的激发，获得了宽带完美吸收。随着纳米加工技术的发展，我们的设计可以通过薄膜沉积和蚀刻工艺实现。

xy中的电场分布 a 上 668 nm 共振波长的平面 界面 1：顶部 TiN 磁盘表面，b 界面 2：TiN 盘和 SiO2 层之间的界面，以及 c 界面3：SiO2层与底部TiN层的界面

结论

在这项工作中，通过 FDTD 方法研究了 400 nm 至 850 nm 波段的超材料完美吸收体。我们最初提出的 TiN 纳米盘/单层 MoS2/SiO2/Al 结构在 400 nm 至 850 nm 范围内提供平均 98.1% 的宽带完美吸收，包括 300 nm 带宽，从 475 nm 吸收接近 100%（超过 99%）到 772 纳米。有趣的吸收的实现是由于强 LSPR、TiN 纳米盘的串扰和间隙中的磁共振。重要的是，引入单层 MoS2 显着提高了吸收性能。此外，完美的吸收体在垂直入射时表现出偏振不敏感性。在紧凑性方面，超材料吸收体的尺寸可以减少到 150 纳米厚。总之，这项工作中提出的具有六边形周期性圆形 TiN 纳米盘图案和单层 MoS2 的完美吸收体提供了宽带近统一吸收，并有望用于光伏器件和光捕获。

缩写

FDTD：

有限差分时域

LSPR：

局域表面等离子体共振

MA：

超材料吸收体