低維薄層材料具有特殊的半導體性質(zhì)和顯著的激子性質(zhì)，在能源存儲、傳感成像、生物醫(yī)學等方面具有巨大的應用潛力。相比傳統(tǒng)體材料，低維材料具有新穎的光學與電學性質(zhì)，如易于與波導或腔體結(jié)構(gòu)進行集成、具有高機械強度與柔韌性等，被視為“后摩爾定律”時代半導體工業(yè)新的突破口。然而，極薄的厚度導致的弱光-物質(zhì)相互作用成為研發(fā)高性能紅外探測器件的重要挑戰(zhàn)。目前已經(jīng)報道的研究工作并沒有提供令人滿意的吸收增強效果與低損耗率，且不具有波長穩(wěn)定性。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，以中國科學院上海技術(shù)物理研究所為依托單位的紅外科學與技術(shù)重點實驗室（紅外物理國家重點實驗室）在基于連續(xù)域束縛態(tài)的高魯棒性薄層低維探測材料增強吸收和調(diào)控方面取得重要進展。研究人員通過對環(huán)形偶極子連續(xù)域束縛態(tài)的研究，圍繞基于薄層低維材料的紅外器件在增強吸收的物理層面突破結(jié)構(gòu)損耗、提升波長穩(wěn)定性、調(diào)控諧振位置與吸收效率等方面開展探索，解決了相關(guān)基礎物理問題，實現(xiàn)了單原子層探測材料高達95%以上的吸收效率，為滿足高量子效率紅外探測、極窄帶光譜識別等迫切需求提供支撐。

相關(guān)工作以“Toroidal Dipole BIC-Driven Highly Robust Perfect Absorption with a Graphene-Loaded Metasurface”為題，發(fā)表在Nano Letters期刊。該文章第一作者為金融博士，通訊作者為李冠海研究員和黃陸軍研究員。

針對前述瓶頸問題，研究人員通過引入環(huán)形偶極子連續(xù)域束縛態(tài)（TD-BIC）實現(xiàn)品質(zhì)因子匹配，在多個離散波長達成波長穩(wěn)定的臨界耦合，研制了一種近紅外低維探測材料吸收增強器件（如圖1），同時實現(xiàn)了低損耗與高吸收的性能指標，基于單原子層，獲得了高達95%以上的吸收效率，具備了傳統(tǒng)設計所不具有的單一波長高魯棒性，為基于薄層低維材料的紅外探測提供了有益的參考。

圖1 (a)低維探測材料的完美吸收；(b)吸收增強流程示意圖；(c)單一波長高魯棒性的完美吸收圖

該研究中BIC由一對相同納米線制成的特殊復合光柵支撐。研究人員研究了復合光柵結(jié)構(gòu)的泄漏模式（leaky modes），其晶胞由兩個相同的硅納米線組成，如圖2a所示。復合光柵結(jié)構(gòu)的具體設計流程如圖3所示。

圖2 不同間隙距離下復合光柵的反射光譜、 Q因子隨其變化情況、 單光柵和雙光柵的波段結(jié)構(gòu)、 復合光柵結(jié)構(gòu)的多極分解等

圖3 復合光柵結(jié)構(gòu)的具體設計流程及測試結(jié)果

隨后，研究人員將單層石墨烯集成到支持TD BIC的光子晶體板頂部，實現(xiàn)了偏振無關(guān)吸收體，相關(guān)測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 硅光柵結(jié)構(gòu)的SEM俯視圖以及集成石墨烯的硅光柵的測試結(jié)果

這項研究的設計方案也適用于其他類型二維（2D） 材料，通過選擇合適的二維材料，吸收體中心波長可以從可見光波段調(diào)諧到近紅外波段至中紅外波段。該研究成果有望在基于二維材料的光電探測器、傳感器以及濾波器等光電器件中尋求更廣闊的應用前景。

審核編輯：彭菁。