面向世界科技前沿,面向國家重大需求,面向國民經濟主戰場,率先實現科學技術跨越發展,率先建成國家創新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

首頁 > 科研進展

上海技物所低維材料紅外探測器件的非對稱光耦合研究獲進展

2020-09-15 上海技術物理研究所
【字體:

語音播報

  近日,中国科学院上海技術物理研究所研究员周靖、陈效双和陆卫团队提出了等离激元纳米谐振腔非对称集成的石墨烯红外探测器件,揭示了该复合结构器件高对比度非对称光耦合的原理,验证了基于非对称光耦合突破金属-低维材料-金属探测结构的两大瓶颈问题,实现了泛光照射下显著的自驱动光响应,超越常规的等离激元耦合光栅1个量级。相关结果发表于《碳》(Carbon 170, 49 (2020))雜志。

  低維材料(如二維材料、納米線等)憑借不同尋常的優異光電特性引起了廣泛研究,有望成爲高性能探測器件的光敏材料。最常見的低維材料光電探測器件結構就是金屬-低維材料-金屬的結構。在低功耗、低暗電流的零偏壓工作模式下,器件的光響應主要來源于低維材料與金屬電極交界處的類肖特基結。當入射光局域地照射在低維材料與金屬電極的交界處時,光伏、光熱電等物理機制會誘導出宏觀的光電流。金屬-低維材料-金屬的器件結構簡單,不影響材料本身的優異特性,而且便于和不同的系統集成。但這種器件有兩個主要瓶頸問題:一是在均勻的泛光照射下低維材料與兩端金屬的接觸結産生大小相近、方向相反的光電流;兩者互相抵消,使器件沒有淨的光響應。采用異種金屬電極是一般的解決方案,但是制備異種金屬電極通常需要額外的工藝步驟,增加了制備複雜性,以及低維材料被汙染、損壞的可能性。二是二維材料、納米線等低維材料尺度與光波長有較大差距,嚴重制約了光吸收效率,特別是低維材料與金屬接觸結的光吸收。利用微納光子結構産生與低維探測材料交疊的亞波長局域強光場,從而提高低維材料與光的相互作用是一個有效的增強光吸收的途徑,相關研究吸引了國際關注。那麽,是否能夠利用微納光子結構誘導金屬-低維材料-金屬結構中非對稱的光耦合,增強一端光敏材料-金屬接觸結的光吸收,並抑制另一端光敏材料-金屬接觸結的光吸收,同時解決金屬-低維材料-金屬器件的兩大瓶頸問題而且不影響低維材料原有的光電特性,就具有重要研究意義。

  爲解決這一難題,上海技物所红外物理國家重點實驗室周靖、陈效双和陆卫团队提出了等离激元纳米谐振腔非对称集成的金属-低维材料-金属器件,并对其红外光响应进行了研究。以最常见的石墨烯为例,研究组把等离激元纳米谐振腔与金属-石墨烯-金属的光探测结构进行非对称集成,实现两端石墨烯-电极交界处光响应105倍的差距(圖1(b,c)),以及泛光照射下器件整体的显著净响应。该复合结构比一般等离激元耦合光栅对于石墨烯光响应的提升高出1个量级(圖1(d,e))。此外,光响应谱能够通过结构参数自由调控(圖1(a,b));响应时间小于几个微秒(圖1(c,d));等离激元纳米谐振腔的一部分同时作为栅极能够对石墨烯的光响应进行有效调控。

  該研究提出了同時解決金屬-低維材料-金屬器件的零偏壓工作模式兩大瓶頸問題的新方法,有望推動低維材料光探測的發展。博士生郭尚坤爲第一作者,周靖和陳效雙爲通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金項目、中科院相關項目以及上海市科委計劃項目的支持。

  1.a)等离激元纳米谐振腔非对称集成的石墨烯红外探测器件示意圖。(b)空间可分辨的光电测试示意圖。(c)有光学天线集成的电极以及无光学天线的电极附近自驱动光响的波形圖。(de)泛光照射下等离激元纳米谐振腔非对称集成的石墨烯红外探测器以及等离激元耦合光栅非对称集成的石墨烯红外探测器的示意圖,以及两个器件的红外光响应率谱。

  2. a)不同線寬的光學天線陣列的SEM照片。(b)由不同線寬的光學天線構成的等離激元納米諧振腔誘導的石墨烯紅外光響應譜。(c10 kHz調制下1.55微米入射光激發的光響應波形。(d30 kHz調制下1.55微米入射光激發的光響應波形。

打印 責任編輯:任霄鵬

© 1996 - 中国科学院 版权所有 京ICP備05002857號 京公網安備110402500047號

地址:北京市三里河路52号 邮编:100864

电话: 86 10 68597114(总机) 86 10 68597289(值班室)

编辑部郵箱:casweb@cashq.ac.cn