超宽带TiN/MoS₂超材料吸收器实现400-850 nm 98%吸收效率

摘要

本文设计并利用有限差分时域（FDTD）仿真优化了一种紧凑超材料吸收器（MA），基于六方阵列钛氮化物（TiN）纳米圆盘和单层二硫化钼（MoS₂）。TiN/SiO₂/Al堆叠结构中，0.625 nm MoS₂层置于TiN圆盘下方，在可见光谱（400-850 nm）实现平均吸收率98.1%。峰值吸收接近100%，正常入射下偏振不敏感，使其成为光伏和集光应用的有力候选。

研究背景

超材料实现对光振幅、相位、偏振的前所未有控制。其最引人注目的能力是创造近完美吸收器，将入射光子转化为有用能量。传统设计依赖Au、Ag等贵金属，但短波长性能下降且损耗大。过渡金属氮化物，特别是TiN，提供可比拟等离子体性能，兼具优越热稳定性和可见光带更高消光系数。近年研究显示TiN基阵列在400-800 nm实现>90%吸收，但短波长性能仍受限。单层MoS₂为直接带隙半导体，在蓝光-UV区强吸收、载流子迁移率优异，是宽带增强的理想添加剂。结合TiN纳米圆盘与MoS₂单层，旨在填补短波长吸收空白同时保持长波长高性能。

方法

吸收器结构：0.625 nm MoS₂单层、六方阵列TiN纳米圆盘（直径d、厚度t₁）、SiO₂间隔层（厚度t₂）、500 nm Al衬底。横向周期性边界条件，光轴向完美匹配层。入射场垂直表面，电场在xy平面偏振。TiN色散数据引用文献[38]，MoS₂引用[39]。xy平面网格2 nm，z向0.1-2 nm分辨亚纳米MoS₂层。吸收率A=1-R-T；Al层完全阻挡透射故T=0。

优化参数：圆盘直径d（40-200 nm）、厚度t₁（30-50 nm）、间隔层厚度t₂（20-70 nm）、晶格周期pₓ（固定200 nm）。最优配置产生目标波段最高平均吸收率。

图1a展示TiN纳米圆盘/单层MoS₂/SiO₂/Al堆叠示意图，1b为单元格俯视图。

结果与讨论

结构优化
圆盘直径从40 nm增至120 nm增强局域表面等离子体共振（LSPR），提高吸收峰值。超过120 nm共振红移且吸收下降，最优直径120 nm（图3a）。调节圆盘厚度t₁红移共振并拓宽带宽；t₁=50 nm提供最宽高吸收窗口（图3b）。SiO₂间隔层控制间隙磁共振；50 nm厚度最大化阻抗匹配，TiN/SiO₂/Al结构平均吸收达96.1%（图3c）。

单层MoS₂的作用
在TiN阵列下方插入MoS₂层通过将LSPR增强场耦合入MoS₂，增强短波长吸收，MoS₂在400-500 nm有高消光系数。平均吸收从96.1%提升至98.1%（400-850 nm），近单位吸收带（>99%）跨度475-772 nm达300 nm。MoS₂置于圆盘上方时改善较小，凸显间隙场限域的重要性（图5）。

场分析
402、502、680 nm电场快照显示圆盘周围强LSPR限域和间隔层间隙磁共振。坡印廷矢量图确认能量汇聚至TiN圆盘和MoS₂层，解释近完美吸收（图6）。对称场分布证实吸收器对入射偏振不敏感，得益于圆盘圆形和六方晶格（图3d）。

表面电荷分布
共振波长680 nm处电荷密度峰值在圆盘边缘，间隔层间隙磁场最强，指示稳健磁共振。LSPR与磁共振的阻抗匹配支撑观测到的完美吸收（图7）。

结论

TiN纳米圆盘/单层MoS₂/SiO₂/Al超材料吸收器在400-850 nm实现宽带平均吸收98.1%，475-772 nm子带（300 nm宽）吸收>99%。设计依赖强LSPR、间隔层磁共振、圆盘间耦合。偏振不敏感、总厚度<150 nm、可放大制造步骤（薄膜沉积和刻蚀）使其成为下一代光伏和集光器件的可行组件。

缩略语

FDTD

有限差分时域

LSPR

局域表面等离子体共振

MA

超材料吸收器