多槽超表面实现角度不敏感的宽带石墨烯吸收器

摘要

本文提出一种经数值优化的角度不敏感吸收器，显著提升了单层石墨烯在整个可见光谱（450–800 nm）范围内的宽带光吸收。通过将单层石墨烯与多槽银超表面结合，中间夹一层5 nm厚的PMMA间隔层，该器件实现了71.1%的平均吸收率。通过调节槽深可调谐峰值波长，而槽的数量和深度控制整体带宽。重要的是，该结构在结构参数变化时仍能保持高吸收（60°入射时约61%）。

背景

石墨烯卓越的电子、力学和可调谐光学性能使其成为光电探测器和太阳能电池等光电器件的有力候选材料[1-3]。然而，在可见光和近红外区域，石墨烯在垂直入射下的本征吸收仅为2.3%[9]，限制了电子-空穴对和光电流的产生。为增强吸收，已探索了许多策略：近零介电常数效应[10]、腔共振[11-13]、全反射衰减[14]、导模共振[15-18]、临界耦合[19-21]、法诺共振[22-23]、等离子体共振[24-26]和磁共振[27-29]，但大多数因共振本质导致带宽较窄。近期研究通过引入额外的光耦合通道（如贴片谐振器[30]和多重Ag纳米盘阵列[33]）扩展了吸收带宽。尽管如此，覆盖全可见光谱的宽带、角度不敏感吸收器仍然稀缺。

方法

所提结构如图1所示。它由平面石墨烯片、具有五个平行槽的图案化银膜和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）间隔层组成，间隔层调节电磁耦合。单元周期为Λ，间隔层厚度t，底部银厚度D，槽几何由宽度w和深度d1-d5定义。PMMA折射率为1.49[36]，银光学常数取自Palik[37]。石墨烯层建模为无限薄片，面电导率σg源自Kubo公式：σg(ω)=σintra(ω)+σinter(ω)，其中σintra和σinter由公式(2)和(3)给出。仿真参数包括μc=0.15 eV，T=300 K，τ=0.5 ps。采用有限差分时域法（FDTD；Lumerical FDTD）进行计算，x方向周期性边界条件，z方向完美匹配层，得到反射率R和透射率T。总吸收A计算为1-R，石墨烯吸收Ag通过石墨烯片的功率通量获得：Ag=[Pup(λ)-Pdown(λ)]/Pin(λ)。

a 多槽超表面实现角度不敏感宽带吸收的示意图。b 单元截面图。

结果与讨论

图2a显示了无石墨烯时超表面的吸收光谱；该结构表现为等离子体吸收器，在可见光范围内吸收增强。加入石墨烯后（图2b），在整个400-800 nm窗口内吸收显著增加，平均总吸收率达92.7%。重要的是，大部分吸收能量集中在石墨烯中，在450-800 nm之间实现了71.1%的平均石墨烯吸收率。该增强依赖于TM偏振；TE照射下未观察到显著增加（见补充图S1）。

a 无石墨烯超表面的吸收。b 含石墨烯结构的总吸收、石墨烯吸收和银吸收光谱。参数：Λ=300 nm, t=5 nm, w=30 nm, D=100 nm, d1=20 nm, d2=35 nm, d3=50 nm, d4=80 nm, d5=90 nm, N=10, θc=0°。

场分布（图3）揭示电场沿槽角落（x方向）集中，指示电偶极子共振；磁场在槽腔内峰值（垂直于xoz平面），对应磁偶极子共振。不同深度的多个槽中这些模式的同时激发产生了跨越可见光谱的宽吸收带。

λ=450 nm（a,b）、600 nm（c,d）和750 nm（e,f）时的归一化电场（a,c,e）和磁场（b,d,f）。红箭头指示电场方向。参数同图2。

为确定共振机制，分析了单槽结构。TM0模式的腔共振条件为2neffdg+½λ=Mλ (M=1)。有效指数neff从金属-绝缘体-金属波导的偶模色散关系获得（公式6）。仿真证实增加槽深将石墨烯吸收峰红移（图4）。峰值位置与理论预测高度吻合（斜率8.48对10.46），表明槽深直接调谐可见光范围内的吸收峰。这验证了源自多重偶极子耦合的宽带机制。

单槽吸收随槽深变化。（a）石墨烯吸收峰随深度变化。（b）FDTD峰值位置（蓝）与理论共振（红）。参数：Λ=300 nm, t=5 nm, w=30 nm, N=10。

图5展示了吸收器对间隔层厚度的鲁棒性。将PMMA层从5 nm增加到20 nm保持了宽带吸收，尽管带轻微红移，平均吸收因耦合减弱而下降。

石墨烯吸收随间隔层厚度变化（其他参数同图2）。

图6探讨了石墨烯厚度（单层数N）和槽宽w的影响。将N增加到10显著提升吸收，但进一步增加收益递减，在N≈30时饱和。槽宽主要影响共振波长；最佳宽度为30 nm，偏离±10 nm会降低性能。

a 石墨烯吸收随N变化。b 不同槽宽下的吸收光谱（N=10）。其他参数同图2。

角度性能是关键优势：图7显示即使在60°入射下，石墨烯吸收在450-800 nm范围内仍保持61%以上。槽内的偶极子耦合机制基本不随入射角变化，提供了角度不敏感的宽带吸收——这在石墨烯基吸收器中罕见。

石墨烯吸收随入射角变化（其他参数同图2）。

结论

我们演示了一种多槽超表面，赋予石墨烯角度不敏感、覆盖整个可见光谱的宽带吸收。该设计利用槽腔内的多重电、磁偶极子共振，在450-800 nm实现71.1%的平均吸收。吸收峰可通过槽深调谐，带宽可通过槽的数量和深度调节。性能对间隔层厚度、石墨烯层数、槽宽和入射角变化均表现出鲁棒性——使该架构极具吸引力，适用于全向光电探测器、光伏和其他石墨烯基光电器件。

缩略语

FDTD

有限差分时域法

MIM

金属-绝缘体-金属

PBCs

周期性边界条件

PMLs

完美匹配层

PMMA

聚甲基丙烯酸甲酯