基于石墨烯表面的超材料宽角双频吸收器

研究背景

    与传统的电磁波吸收器相比，超材料完美吸收器(MPA)因其结构简单、体积小、吸收效率高等优点受到了广泛的关注。目前，MPA的吸收光谱不仅包括微波和太赫兹波段，还包括对红外和可见光的完美吸收。因此被广泛应用于隐身材料、电磁波探测和热光伏器件等领域。石墨烯是由单个碳原子有序层构成的蜂窝状结构，具有独特的零带隙电子能带结构，在力学、光学和电学性能方面具有传统半导体无法比拟的优势。在一些超材料结构中加入石墨烯可以有效提高结构对光波的吸收效率。因此，结合石墨烯的超材料结构的MPA逐渐受到关注。近年来，基于超材料或石墨烯的完美吸波体被广泛报道。其中，双频吸收器(DBA)比单频吸收器具有更多的可能性，越来越受到研究人员的青睐。本文提出了一种基于石墨烯的双脊阵列(DRA)的光栅结构，可以在近红外波段实现完美的双波段吸收。

研究内容

图1给出了一种基于石墨烯的超材料广角DBA的结构示意图。DBA由单层石墨烯、银(Ag)光栅层、介质层和Ag基底自上而下组成。单层厚度为0.34 nm的石墨烯上覆盖一层Ag光栅层。Ag光栅层的周期和厚度分别记为d和h₁。同时，Ag光栅在一个周期内有两个不同宽度的光栅脊(w₁和w₂)，f₁(定义为w₁/d)和f₂(定义为w₂/d)为目标光栅的两个占空比，w₃为第一个Ag脊和第二个Ag脊之间的距离。这种结构相对简单，不需要在石墨烯上图案化，降低了实际中的制造难度，并且不会对超薄石墨烯造成不必要的污染或损伤。

然后使用有限元法(FEM)优化该阵列的结构参数，使DBA在所考虑的光谱范围内能够实现双波段的完美吸收，如图2所示。从图2中可以看出，不含石墨烯的结构在1130 nm和1688 nm处有吸收峰，吸收效率分别为90.10%和90.04%。随着石墨烯的加入，吸收峰的位置和吸收效率没有发生变化，分别增加到99.55%(在1130 nm处)和99.36%(在1688 nm处)，实现了近乎完美的吸收。

图2.DBA在石墨烯存在和不存在情况下的两种吸收光谱。

图5.DBA在不同入射角下的吸收随波长的变化。

为了进一步了解结构参数对DBA性能的影响，图6(a-d)给出了不同h₁、d、f₁和f₂下DBA的吸收光谱。如图6(a)所示，当光栅脊的厚度从11 nm到31 nm以5 nm的步长增加时，两个谐振峰均发生蓝移，但变化趋势逐渐变缓。两个吸收峰的吸收效率呈现出先增大后减小的趋势。这主要是由于当h₁低于优化值21 nm时，由于金属脊厚度较薄，共振不够强烈，吸收较小。当h₁大于26 nm时，部分入射光发生反射，导致MP强度减弱，吸光度降低。

从图6(b)中可以发现，随着周期从190 nm增加到210 nm，DBA的两个共振峰都发生了明显的红移。其中，DBA的左峰从1090 nm红移至1170 nm，右峰从1618 nm红移至1758 nm。这是由于随着周期的增大，Ag光栅脊与Ag基底之间能够产生电容效应的有效面积增大，导致谐振波长红移。此外，从图6(b)中可以看出两个谐振峰的红移几乎是线性的，吸收效率没有明显变化。因此，可以通过调节光栅周期的大小来实现谐振波长位置的调节。

从图6(c、d)中可以看出，随着f₁的增加，DBA的右峰发生了明显的红移，而左峰几乎保持不变。相反，随着f₂的增加，DBA的右峰几乎没有变化，而左峰发生了明显的红移。这与在图3和图4得出的DBA的左峰几乎完全由光栅的右光栅脊(宽度为w₂)主导，而DBA的右峰几乎完全由光栅的左光栅脊(宽度为w₁)主导这一结论一致。由此可见，当光栅的两个占空比中只有一个发生变化时，其对应的谐振峰也会发生变化，而另一个不会发生明显变化。谐振波长红移的原因是占空比的增加，导致Ag光栅脊与Ag基底之间电容效应的有效面积增加。其中，当f₁从0.45增加到0.55时，DBA的右峰从1542nm激光红移到1840 nm (调谐范围298 nm)。随着f₂从0.25增加到0.35，DBA的左峰从994 nm红移到1272 nm (调谐范围为278 nm)。当两个共振峰的吸收效率在上述红移过程中保持在98%以上时，两个共振峰的调谐范围可以进一步扩展。这也意味着DBA的两个吸收峰可以通过调节f₁和f₂的大小在很宽的范围内单独调节。

图6.不同参数条件下DBA结构吸收率图像的变化：(a)厚度h₁，(b)周期d，(c)占空比f₁，(d)占空比f₂。

结论与展望

本文设计了一种基于石墨烯DRA的超材料吸收器，实现了近红外波段的双波段完美吸收。通过FEM优化，目标结构在1130 nm和1688 nm处均能实现完美吸收，吸收效率均超过99%。利用FEM和等效电路模型系统分析了DBA的吸收机理以及非正入射和结构参数对DBA吸收特性的影响。特别地，磁场分布图表明DBA主要通过激发周期性DRA结构中的MP实现入射电磁能量的局域增强。此外，入射角和结构参数的分析证明了DBA的角度不敏感和可调谐特性。DBA的两个吸收峰可以通过调节不同的占空比在很宽的范围内单独调节。因此，DBA具有简单的结构、良好的工艺容差和调谐特性，在光子器件相关领域具有良好的应用前景。