导读

    近日，西南科技大学理学院光电器件团队易早教授课题组在高灵敏度和高品质因子的表面等离激元共振研究方面取得了重要研究进展，提出并研究了一种基于单层图案化石墨烯-SiO₂电介质-金属纳米薄膜阵列的基本单元，通过与周围的入射电磁波发生电偶极子共振，在中红外波段获得了907.88 nm/RIU的高灵敏度值以及86.82 RIU^-1的高品质因子。研究成果“Multi-band, tunable, high figure of merit, highsensitivity single-layer patterned graphene—Perfect absorber based on surfaceplasmon resonance”发表在光学领域国际著名期刊《Diamond & Related Materials》上。

研究背景

    表面等离激元共振（SPR）的特性主要取决于结构表面等离激元（SP）的纳米结构几何、尺寸、组成和光偏振。其产生的基本原理是金属/介质中的电子和界面中的电子共同捕获近场入射光，使电子和光子有机会结合，诱导电磁场增强和光能的聚集。因此，SPR 所具有的局域电磁场特性将使其突破传统光学衍射极限的能力并使其拥有电磁场局部增强的效应。

    然而，传统SPR金属结构一旦成型，这些吸波器的谐振波长和工作范围将是不变的，并且，它们的传感性能容易受到入射角和偏振角的影响，这将极大地阻碍了其在实际应用中的灵活性。

创新研究

    课题组前期基于石墨烯-电介质-金属纳米薄膜阵列基本单元的结构设计(见图1(a、b))，利用有限时域差分（FDTD）软件进行了模拟仿真，提出了在中波红外波段（3~5 μm）的三个强吸收峰。对应的三个共振模式分别在λ₁=3275.31 nm、λ₂=3706.12 nm和λ₃=4481.76 nm，模式A、模式B和模式C的吸收效率分别为99.44%、98.22%和99.10%(见图1(c))。在自由空间阻抗匹配是保证完美吸波体与入射光功率耦合的关键。在此基础上，课题组为探究三波段完美吸收峰的理论因素，根据完美吸波器的有效阻抗理论，研究了不同模式处的阻抗匹配图(见图1(f、g、h))。显然，图案化石墨烯吸波器的输入阻抗与谐振带内的空气阻抗相匹配，从而实现完全吸收。

图1 (a)单层图案化石墨烯完美吸波体单元结构示意图；(b)石墨烯吸收层示意图；(c)最佳单元结构的反射效率(R)、透射效率(T)和吸收效率(A)；(d)-(f)实部和虚部的相对阻抗。

    课题组在前期基础上，探究了上述三波段吸收峰的物理机制计算了单层石墨烯表面的电场分布情况（见图2）。电场强度主要局限于图案化石墨烯的四臂中，且随着波长的增加，局域电场向着中间圆形区域边缘部分移动，且圆形区域边缘中的电场强度比其他区域强。这主要是由于图案化石墨烯与电磁波的耦合，并提供电偶极子共振，在金属膜上进行反相振荡。最终，入射电磁波被石墨烯表面的局域电磁场所吸收。

图2 (a)、(b)和(c)显示了三个模式下吸波器表面的电场分布。

    根据石墨烯吸波器结构表面产生等离激元，而表面等离激元对折射率的变化十分敏感，吸收器的共振峰会随着折射率的变化而变化。基于此，课题组研究的吸波器利用这一点可以用作折射率传感器，检测周围环境折射率的变化。为了研究完美吸波器的折射率传感特性，依次得到了三个模式所对应的灵敏度和品质因子（见图3）。与最近的文献进行比较，本工作提出的石墨烯SPR结构具有诸多独特的优点：（1）更优的灵敏度和更高的FOM；（2）共振吸收更强且吸收峰数量多；（3）结构简单，易于制造；（4）具有动态可调的能力；（5）具有极化无关以及大入射角不敏感的性质。

图3 (a-c)不同折射率下三种模式的吸收光谱及灵敏度线性关系；(d-f)分别表示模式A、模式B和模式C的FWHM和FOM与折射率变化的线性关系。

总结

    与传统SPR金属结构相比，基于石墨烯SPR结构的吸波器具有许多优异的性能，例如:极大的模式限制，在红外区域传播距离更长，传输性能可以通过改变化学势、偏置电场和温度等手段进行调节等等。基于SPR的石墨烯具有很高的固有损耗，我们可以通过适当的结构设计进而显著提高固有损耗，实现完美的吸收，目前开始应用于食品检测、医疗诊断和环境监测、生物化学传感等领域。本工作提出了一种新型的多波段、可调谐、高品质因数、高灵敏度石墨烯表面等离激元共振模型，有望为相关研究方向取得性能突破提供新的研究思路。

参考文献

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https://doi.org/10.1016/j.diamond.2021.108393

本文转自：https://mp.weixin.qq.com/s/_odCSKhoYMZLD7kdtaEhrw

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