基于微腔效應(yīng)增強單層二硫化鎢光吸收

羅國平，陳星源，胡素梅，朱偉玲

(廣東石油化工學(xué)院理學(xué)院，茂名 525000)

0 引 言

薄膜材料與薄膜技術(shù)的不斷發(fā)展促進了計算機、集成電路等領(lǐng)域?qū)Ω鞣N元器件微型化、集成化和低功耗的高要求。二維材料是一種厚度為納米尺度量級的薄膜材料，具有獨特的電學(xué)、光學(xué)、機械和化學(xué)性能，在電子器件、光學(xué)器件、超級電容器、光催化和智能傳感等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用[1-3]。近年來，二維過渡金屬硫族化合物 (TMDCs) 材料因其具有可調(diào)節(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，極強的自旋軌道耦合，良好的光學(xué)、電學(xué)和機械性能而受到廣泛關(guān)注[4-7]。國內(nèi)外學(xué)者研究了其在場效應(yīng)晶體管[8]、太陽電池[9]、光探測器[10-11]、氣敏探測[12]、柔性器件[13]和能源存儲[14]等方面的應(yīng)用。WS2作為TMDCs的典型代表，呈現(xiàn)出半導(dǎo)體性能，單層WS2厚度僅為0.618 nm，是一種直接帶隙材料，其帶隙約為2.0 eV，在帶隙邊存在極強的吸收峰[15-17]。不同層數(shù)的WS2表現(xiàn)出不一樣的光電性質(zhì)[18]。

就光電探測器應(yīng)用而言，如何增強WS2的光吸收進而提高器件的光響應(yīng)率是一大關(guān)鍵。國內(nèi)外學(xué)者在增強單層WS2光吸收方面做了一些探索。Cao等[19]在Si襯底上采用Ag納米光柵和分布式布拉格反射器 (DBR) 增強單層WS2的光吸收。系統(tǒng)研究了DBR周期、Ag納米光柵高度和周期、入射光角度對單層WS2光吸收的影響。經(jīng)優(yōu)化后單層WS2在420～700 nm波段的平均光吸收率達到52.9%。Butun等[20]從理論和實驗上系統(tǒng)研究了藍寶石襯底上Ag等離激元納米盤陣列對單層WS2光吸收的增強作用。WS2/Ag異質(zhì)結(jié)光吸收的增強源于Ag納米盤附近的電場局域效應(yīng)。Li等[17]設(shè)計了由單層TMDCs (MoS2、WS2、MoSe2、WSe2)，夾有圓形氣孔的光子晶體平板和超厚金屬背反射器組成的吸收增強系統(tǒng)。理論分析和數(shù)值計算結(jié)果表明，臨界耦合能夠提高單層TMDCs的總吸收，引導(dǎo)共振的臨界耦合主要取決于孔半徑與平板周期的比率，一旦給出了特定比例，就可以通過光子晶體平板的周期和厚度的微小變化來有效地調(diào)整吸收峰的光譜位置，此系統(tǒng)的特點為偏振不敏感特性和傾斜入射下良好的吸收穩(wěn)定性。上述研究通過引入光柵結(jié)構(gòu)、光子晶體產(chǎn)生等離激元共振的方法實現(xiàn)了單層WS2光吸收的增強，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易制備，且存在一定的固有損耗。也有研究者提出采用異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)提高TMDCs光吸收[21]。Ansari等[22]研究發(fā)現(xiàn)在Si襯底上引入90 nm厚的SiO2層，WS2/MoSe2異質(zhì)結(jié)在寬光譜范圍內(nèi)的光吸收率能達到30%以上。Wang等[23]利用金納米顆粒的表面等離激元效應(yīng)將WS2/MoS2異質(zhì)結(jié)在1 030 nm處的光響應(yīng)提高了約25倍。異質(zhì)結(jié)對TDMSs光吸收增強的作用比較有限，需要耦合其他等離激元結(jié)構(gòu)。

本文提出基于金屬薄膜和DBR構(gòu)成光學(xué)微腔，通過引入間隔層和覆蓋層以調(diào)節(jié)相位匹配。系統(tǒng)優(yōu)化金屬層、間隔層和覆蓋層厚度，提高單層WS2的光吸收峰值。研究偏振光入射角、DBR周期和間隔層折射率對單層WS2光吸收的影響。理論計算結(jié)果表明，通過調(diào)控上述結(jié)構(gòu)參數(shù)，可將單層WS2在612 nm處的光吸收提高至78.42%。

1 理論模型和計算方法

圖1為基于金屬薄膜-DBR微腔效應(yīng)增強單層WS2光吸收的多層薄膜結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)從左至右分別為襯底、金屬層、間隔層、單層WS2、覆蓋層和DBR。其中金屬層為銀薄膜，厚度為dm，間隔層和覆蓋層均為SiO2，厚度分別為ds和dc，單層WS2厚度為dw，DBR交替由厚度分別為da和db的SiO2和TiO2組成。SiO2和TiO2的折射率分別為1.45和2.36[24]，Ag的光學(xué)常數(shù)來源于文獻[25]，單層WS2的光學(xué)常數(shù)來源于文獻[18]。襯底的折射率為1.5，DBR中心波長為610 nm。采用光學(xué)傳輸矩陣法[26]分析電場強度在多層薄膜結(jié)構(gòu)中的分布情況，并進一步計算反射譜和吸收譜。

圖1 基于微腔效應(yīng)增強單層WS2光吸收的多層薄膜結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-layer structure based on microcavity effect to enhance light absorption of monolayer WS2

(1)

(2)

式中，rk和tk分別是界面zk處的菲涅爾復(fù)反射系數(shù)和復(fù)透射系數(shù)。對于TE偏振

(3)

(4)

而對于TM偏振

(5)

(6)

相位矩陣描述通過界面zk和zk+1之間同一層薄膜時電磁波幅值的變化，公式如下：

(7)

(8)

由總的傳輸矩陣可得到整個結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)和透射系數(shù)，

(9)

(10)

垂直入射時，在任意位置單位時間內(nèi)平均能量耗散為

(11)

式中，c為真空中的光速，ε0為真空介電常數(shù)，αj=4πkj/λ為吸收系數(shù)。由單位時間內(nèi)平均能量耗散可進一步得到每一層薄膜的光吸收率。

2 結(jié)果與討論

圖2(a)所示為歸一化電場強度在多層薄膜結(jié)構(gòu)中的分布情況。其中，金屬層、間隔層和覆蓋層厚度分別為25 nm、75 nm和105 nm，DBR周期為8。由于金屬層和DBR之間的微腔效應(yīng)，電場強度在間隔層和覆蓋層之間形成了極大值。該極大值位于610 nm處附近，極大地增強了入射光與單層WS2的相互作用。而金屬層中的電場強度較小，減少了入射光損耗。圖2(b)所示為相應(yīng)單層WS2的吸收譜和整個多層薄膜結(jié)構(gòu)的反射譜。單層WS2在609 nm處存在吸收峰，峰值為74.75%。同一波長處整個結(jié)構(gòu)的反射率為7.28%。

為了比較金屬薄膜-DBR微腔結(jié)構(gòu)對單層WS2光吸收的增強效應(yīng)，設(shè)計了四種對比結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，相應(yīng)的光吸收譜如圖3所示。其中，結(jié)構(gòu)A和C的吸收譜幾乎重疊，結(jié)構(gòu)B和D同樣如此。四種結(jié)構(gòu)中單層WS2在612 nm處的吸收峰值分別為2.01%、8.91%、1.94%和8.89%。而空氣中單層WS2在同一波長處的吸收率為12.84%。由此可見，沒有使用金屬薄膜-DBR光耦合結(jié)構(gòu)時，各種對比結(jié)構(gòu)中單層WS2的吸收率都比較低，甚至低于空氣中單層WS2的光吸收。

圖2 (a)多層薄膜結(jié)構(gòu)中的歸一化電場強度分布；(b)單層WS2的吸收和整個系統(tǒng)的反射譜Fig.2 (a)Normalized electric fields intensity distribution in the multi-layer system; (b)absorption spectra of monolayer WS2 and reflection spectra of the total system

表1 含有單層WS2的多層薄膜結(jié)構(gòu)Table 1 Multi-layer structures with monolayer WS2

圖3 不同多層薄膜結(jié)構(gòu)和空氣中單層WS2的吸收譜Fig.3 Absorption spectra of monolayer WS2 in various multi-layer structures and in air

為了探討金屬薄膜-DBR結(jié)構(gòu)對單層WS2吸收峰值的影響因素，本文首先系統(tǒng)分析了金屬層、間隔層和覆蓋層厚度與單層WS2光吸收之間的關(guān)聯(lián)。圖4(a)所示為不同間隔層厚度對應(yīng)的單層WS2吸收譜，其中金屬層和覆蓋層厚度分別為25 nm和105 nm。間隔層厚度為75 nm時，單層WS2在609 nm處吸收存在極大值，達到74.75%。減小間隔層厚度，吸收峰位置發(fā)生藍移。圖4(b)所示為不同金屬層厚度對應(yīng)的單層WS2吸收譜，其中間隔層和覆蓋層厚度分別為75 nm和105 nm。金屬層厚度為20 nm時，單層WS2在611 nm處存在極大吸收峰，峰值為76.98%。增大金屬層厚度會增加入射光損耗，因此吸收峰值呈現(xiàn)下降趨勢。如圖4(c)所示，綜合分析了金屬層厚度為20 nm時，間隔層和覆蓋層厚度對單層WS2吸收峰值的影響。間隔層和覆蓋層厚度對單層WS2的吸收峰值具有明顯影響作用，只有間隔層和覆蓋層厚度滿足相位匹配的條件，吸收峰值才較大。圖4(d)所示為優(yōu)化后單層WS2吸收譜和整個多層薄膜結(jié)構(gòu)的反射譜與透射譜。金屬層、間隔層和覆蓋層厚度分別為20 nm、75 nm和102 nm時，單層WS2在612 nm處的吸收峰值為78.42%，半高全寬(FWHM)為21 nm。整個多層薄膜結(jié)構(gòu)在同一波長處的反射率和透射率分別為4.76%和2.67%。引入金屬薄膜-DBR光耦合結(jié)構(gòu)，與襯底上單層WS2相比，光吸收提高了38倍。

圖4 不同間隔層厚度(a)和不同金屬層厚度(b)對應(yīng)的單層WS2吸收譜；單層WS2吸收峰值與間隔層厚度和 覆蓋層厚度的關(guān)系圖(c)；優(yōu)化后單層WS2吸收譜和整個多層薄膜結(jié)構(gòu)反射譜與透射譜(d)Fig.4 Absorption spectra of monolayer WS2 with various cover layer thickness(a)and various metal layer thickness(b); absorption peaks of monolayer WS2 as a function of space layer thickness and cover layer thickness(c); absorption spectra of monolayer WS2 combined with reflection and transmission spectra of the multi-layer structure after optimization(d)

入射角和偏振態(tài)對多層薄膜結(jié)構(gòu)光吸收存在明顯關(guān)聯(lián)作用，進一步分析了單層WS2光吸收與入射角和偏振態(tài)的關(guān)系。圖5(a)和圖5(b)所示分別為TE偏振和TM偏振在不同入射角單層WS2的吸收譜。隨著入射角的增大，TE偏振和TM偏振的吸收峰均呈現(xiàn)下降趨勢，并且吸收峰位置發(fā)生藍移。

圖5 TE偏振和TM偏振下單層WS2吸收譜隨光入射角的關(guān)系曲線Fig.5 Absorption spectra of monolayer WS2 with various light incident angles for TE polarization and TM polarization

圖6(a)所示為不同DBR周期與多層薄膜結(jié)構(gòu)在612 nm處光吸收的關(guān)系曲線。沒有使用DBR結(jié)構(gòu)，單層WS2和金屬層的光吸收都較低，金屬層的光吸收略高于單層WS2的光吸收。使用DBR結(jié)構(gòu)之后，單層WS2的光吸收急劇上升，而金屬層的光吸收增加并不顯著。DBR周期為8時，單層WS2和金屬層的光吸收基本達到飽和，分別達到78.42%和14.15%，總的光吸收高達92.57%。圖6(b)所示為DBR周期分別為2、4、6和8時歸一化電場強度在多層薄膜結(jié)構(gòu)中的分布情況，由此可見，電場強度在單層WS2附近存在極大值，且極大值隨著周期數(shù)的增加而增大。

圖6 不同DBR周期與多層薄膜結(jié)構(gòu)光吸收和歸一化電場強度分布的關(guān)系曲線圖Fig.6 Light absorption and normalized electric field intensity distribution of the multi-layer structures as a function of DBR periods

進一步探討了間隔層折射率 (覆蓋層與間隔層折射率相同) 對單層WS2光吸收的影響。改變間隔層折射率，并調(diào)整其厚度滿足相位匹配并不會改變吸收峰值位置。圖7(a)所示為單層WS2吸收峰值與間隔層折射率之間的關(guān)系曲線。隨著折射率從1.3增加至2.6 (這一范圍覆蓋了在可見光波段透明的常見金屬氧化物和氟化物，如MgF2、MgO、ZnO和TiO2等材料的折射率)，吸收峰值幾乎呈現(xiàn)出線性下降的趨勢，從79.38%下降至61.50%。間隔層折射率分別為1.5、2.0和2.5所對應(yīng)的單層WS2光吸收譜如圖7(b)所示，相應(yīng)的吸收峰值分別為77.84%、70.31%和62.79%，F(xiàn)WHM分別為19 nm、17 nm和13 nm。因此，采用折射率較低的透明薄膜作為間隔層和覆蓋層，有利于單層WS2獲得比較大的吸收峰值。

圖7 間隔層折射率對單層WS2吸收峰值和吸收譜的影響曲線圖Fig.7 Effect of refractive index of space layer on absorption peaks and absorption spectra of monolayer WS2

3 結(jié) 論

本文提出利用金屬薄膜-DBR結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微腔效應(yīng)，有效提高了單層WS2在612 nm附近的光吸收，吸收峰值可達78.42%。通過光學(xué)傳輸矩陣?yán)碚撚嬎惆l(fā)現(xiàn)電場強度在覆蓋層和間隔層之間形成極大值，促進了入射光和單層WS2的相互作用。討論了相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對單層WS2光吸收的調(diào)控作用。研究結(jié)果表明，單層WS2的吸收峰值與金屬層、間隔層和覆蓋層厚度存在關(guān)聯(lián)。單層WS2的吸收峰值隨入射角的增大而減小，隨DBR周期的增加而提高。采用折射率較低的透明材料作為間隔層和覆蓋層，有利于單層WS2獲得比較大的吸收峰值。研究結(jié)果為實現(xiàn)新型高性能單層WS2探測器提供了新思路。