基于單層二硫化鉬和金納米柱的可見光波段寬帶吸收器

中圖分類號：O436.2文獻標志碼：A

Visible-light broadband absorber based on monolayer molybdenum disulfide and gold nanopillars

FAN Peng，TANG Zhihang，WANG Qi （School of Optical-Electrical and Computer Engineering， University of Shanghai for Scienceand Technology，Shanghai 20oo93，China）

Abstract：The study proposes a broadband absorber for visible band that is designed based on local surface plasmon resonance and incorporating monolayer molybdenum disulfide， gold nanopillars， and Bragg mirrors. Theoretical simulations using the finite-difference time-domain （FDTD） method demonstrated that the MoS₂ -based absorber achieved absorptivities exceeding 96.0% and 99.8% at resonance wavelengths of 422nm and 571nm ， respectively. The spectral characteristics remained stable within an incidence angle range from 0^° to 45^° and exhibited polarization-independent behavior. Additionally， performance of the absorber could be tuned by modifying the geometric parameters of the periodic gold nanopillar array. This design strategy is applicable to other transition metal dichalcogenides （TMDCs），and its application effectively enhanceslight-matter interactionsin such materials.

Keywords： broadband absorber; monolayer molybdenum disulfide; gold nanopillars array; local surface plasmon resonance; transition metal dichalcogenides

引言

二維材料，如石墨烯和過渡金屬二硫化物（transitionmetal dichalcogenides，TMDCs），因其卓越的電學、力學和光學特性，已被視為未來光電器件的關鍵材料[1]。近年來，基于二維材料的光吸收器也成為了研究熱點。

盡管石墨烯通過帶間和帶內躍遷表現出從紫外到可見光區域的寬帶光學吸收，但其吸收率僅為 2.3% ，對于實際應用而言，該吸收率明顯偏低[2]。與零帶隙的石墨烯不同，二硫化鉬（ MoS₂ ）作為二維半導體材料，當為單層結構時，其帶隙會由間接帶隙轉變為直接帶隙。結合獨特的電學與光學性質，這一特性使 MoS₂ 在光伏器件、光電探測器及場效應晶體管等光電器件中得以廣泛應用3。單層 MoS₂ 具有 1.8eV 的直接帶隙，這種特殊的能帶結構使其在紫外和可見光波段具有理想的吸收特性。獨立式單層MoS₂ 的厚度僅為 0.65nm ，在可見光波段的平均吸收率低于 8% ，這嚴重制約了其在太陽能電池、高能效光電器件及光催化領域的應用4。因此，需通過增強光與 MoS₂ 相互作用來獲得高效的 MoS₂ 基光吸收器。Li等5利用光子晶體板的臨界耦合，實現了單層 MoS₂ 在共振波長處的完美吸收。Luo等提出了一種由圓槽和條形槽組成的超表面，用它來誘導等離子體共振，且在594～809nm 波段實現了 94% 的高吸收率，但其所覆蓋的波段區域較小。Song等用一維金（Au）光柵結構來增強 MoS₂ 在可見光波段的吸收，但該結構只能支持單一的極化模式。Long等設計了磁耦合銀（Ag）光柵來實現寬帶吸收，但這種超表面只適用于橫磁（transversemagnetic，TM）波。2020年，Li等在納米結構中引入鎢橢圓陣列來增強吸收，使其在280～2030nm 波段實現了帶寬為 1750nm 的吸收。Hashemi等[10]提出在單層 MoS₂ 上使用傾斜金光柵，使該結構在可見光波段的最大吸收率達到 88% ，明顯高于使用零傾斜金光柵結構的吸收率 42%～73% ）。Pei等[1]利用四聚體納米棒超表面實現了單層 MoS₂ 的高效寬帶吸收，其在 400～750nm 的平均吸收率為 64.5% 。本文提出了一種利用分布式布拉格反射器（distributedBraggreflector，DBR）作為襯底的結構設計，結合Au納米柱陣列實現可見光波段的寬帶吸收。其中，DBR可以有效減少光的透射并提高吸收率，而Au納米柱有利于調控結構的光學性能。該結構在 400～600nm 波段的平均吸收率超過90% 。此外，理論計算結果表明，除 MoS₂ 外，其他TMDCs材料（如二硫化鎢 WS₂ 、二硒化鉬MoSe₂ 和二硒化鎢 WSe₂ ）均可應用于該納米結構。因此，本文設計的表面等離子體納米結構在增強二維材料的可見光波段吸收性能方面具有廣泛適用性。

1 結構與設計原理

1.1 吸收器的結構

所提出的納米結構如圖1所示。該結構從上到下依次為：周期性Au納米柱陣列，單層 MoS₂ 由 SiO₂ 和Si層組成的DBR。其中 MoS₂ 的介電函數基于Zhang等[12報道的測量數據。Au納米

R.Au納米柱半徑； H. 納米柱高度； d₁ .Si層厚度； d₂ SiO₂ 層厚度；P.相鄰Au納米柱的中心間距。

柱陣列在 x 和 y 軸方向上的周期分別為 P_x 和 P_y 在本文中 P_x=P_y=P 。 SiO₂ 、Si和Au的介電函數由 Palik[13]導出。 SiO₂ 層的厚度 d₂ 為 90nm ，Si層的厚度 d_l 為 38nm 。人射光從空氣傳播至周期性Au納米柱陣列，且設置為平面波。單層MoS₂ 的厚度設置為 0.65nm 。

1.2 方法與原理

采用有限差分時域（finitedifferencetimedomain，FDTD）法來模擬基于 MoS₂ 的納米結構的光吸收。所用仿真軟件為FDTDSolutions（LumericalSolutions，Canada）。單元胞周圍設置周期性邊界條件，相鄰兩個Au納米柱的中心間距精確控制為1個周期 P 。為了避免散射至計算區域邊界的電磁波反射，胞體上下邊界采用完全匹配層作為吸收邊界條件。入射光為TM偏振（電場沿 x 軸方向），斜入射時采用寬帶定角光源技術（broadband fixed angle source technique，BFAST）生成平面波。針對厚度僅 0.65nm 的單層 MoS₂ ，在 x ！ y 軸方向設置 10nm 網格， z 軸方向設置 0.1nm 網格以提高計算精度。由于吸收器結構參數小于工作波長，其與入射光的相互作用可采用等效介質理論[4]來分析。在該理論中，超材料吸收器被視為一種均勻材料。吸收率的計算式為 A=1-T-r^[15] ，其中 T 為透射率， r 為反射率。

2 結果與分析

在本研究中，結構的幾何參數設置為：納米柱半徑 R=40nm ，DBR反射鏡的層數 N=5 ，d_l=38nm ， d₂=90nm ， P=100nm ，納米柱高度 H=70nm 。在TM偏振光下，4種結構，即單層 MoS₂ 、周期性Au納米柱陣列、單層MoS₂ 和周期性Au納米柱陣列結合結構，以及基于 MoS₂ 的DBR納米結構的模擬吸收光譜如圖2（a）所示。結果顯示，在 400～700nm 波段，單層 MoS₂ 的平均吸收率小于0.1。單層MoS₂ 的厚度極薄，在可見光區域，可被認為是透明介質。由于局域表面等離子體共振（localsurfaceplasmonresonance，LSPR）模式被激活，

Au納米柱陣列在 400nm 處的最大吸收率約為65% 。單層 MoS₂ 與周期性Au納米柱陣列結合結構的吸收率較單層 MoS₂ 明顯增強，其吸收峰在 413nm 附近，最大吸收率約為 66% 。整體來看，該結構的吸收性能明顯提高，但仍不能滿足實際應用的要求。

為滿足實際應用需求，本研究設計了一種DBR納米結構。該結構通過調控反射光的光場分布，可有效增強光吸收率。DBR與Au納米柱陣列的復合結構可通過雙重機制（局域表面等離子體共振效應和抑制透射）協同作用，在可見光波段實現寬帶高效吸收。如圖2（a）所示：在加入DBR和Au納米柱陣列后，納米結構的吸收率明顯提高， 400～600nm 波段的平均吸收率高于 90% ， 400～700nm 波段的平均吸收率高于80% 。該結構在422和 571nm 處各有1個吸收峰，吸收率分別高于 96.0% 和 99.8% 。

進一步討論了DBR的層數 N 對結構吸收效率的影響，結果如圖2（b）所示：當 N=1 時，總吸收率相對較低；隨著 N 的增加，光的透射明顯減弱，吸收得以提高；當 N?5 時，光的吸收達到飽和，不再隨 N 的增大而明顯提高。因此，將 N 設置為5，這樣既可以實現吸收的最大化，又可以降低結構制備的難度。

隨后，研究了兩個共振波長（422和 571nm ）處的電磁場分布，以闡明相關物理機制，結果如圖 3（a）～（d） 所示。在Au納米柱的外圍，存在明顯的電場和磁場局域化與增強效應。由于LSPR模式被激活，電磁場在 422nm 的短波長處呈現局域表面等離激元（surfaceplasmonpolar-tion，SPP）與傳播SPP的雜化模式，在 571nm 的長波長處則主要呈現局域SPP模式。因此，單層 MoS₂ 與金納米柱陣列的結合可實現納米結構的高吸收率。綜上所述，LSPR會導致光能的局域化，并在單層 MoS₂ 表面附近產生高度局域化的電磁場增強。

改變納米柱陣列的幾何參數或材料，能調節該陣列的LSPR頻率。圖4（a）所示為周期 P 對Au納米柱陣列吸收光譜的影響。當 P 從 90nm 增大至 130nm 時，譜線右側的吸收峰會在 525～ 610nm 波段發生一定幅度的藍移。這是因為隨著 P 的增大，Au納米柱之間的空間變大，輻射出去的能量增多，Au納米柱之間的LSPR相應減弱，從而導致吸收峰發生藍移，但總體峰值無明顯變化。

圖4（b）所示為納米柱半徑 R 對Au納米柱陣列吸收光譜的影響（ H 設置為 70nm 。當

R 從 30nm 增大至 50nm 時，LSPR模式的有效共振波長會增加，譜線右側的吸收峰從 453nm 明顯紅移至 626nm 。當 R=40nm 時，納米結構總吸收率最大。調整 P 和 R ，能使納米結構的共振波長發生改變，這為其在不同波長下工作提供了可能。

進一步分析了 H 對Au納米柱陣列吸收光譜的影響（ R 設置為 40nm ），結果如圖4（c）所示。當 H 從 40nm 增加到 80nm 時，譜線左側吸收峰的位置會發生小幅度紅移（從 420nm 紅移至427nm ），而右側吸收峰的位置會從 454nm 紅移至 592nm 。這是因為，隨著柱高增加，Au納米柱所占空間比例逐漸變大，輻射出去的能量減少，Au納米柱之間的LSPR相應增強，從而導致吸收峰發生紅移。當 H=70nm 時，位于 571nm 處的右側吸收峰峰值會達到最大值。因此，在本研究中將 H 設置為 70nm 。

接著討論了不同金屬材料對納米結構吸收光譜的影響，結果如圖4（d）所示。雖然使用金屬銀（Ag）、鋁（Al）和銅（Cu）的納米結構在400～700nm 波段會產生多個吸收峰，但其峰值大都低于 Au 納米柱對應的吸收峰峰值。

進一步研究了橫電（transverseelectric，TE）（電場沿 y 軸方向）和TM偏振下納米結構在不同入射角度時的吸收光譜特性。在實際應用中，理想的光吸收器應具有高吸收率，且能適應較大的入射角范圍。如圖5所示，當入射角從 0^° 增大至45時，無論是在TM偏振還是TE偏振下，Au納米柱陣列的吸收光譜都保持相對穩定，在 400～700nm 波段的整體吸收率較高，且保持LSPR耦合。因此，本文提出的納米結構表現出偏振不敏感性，且當入射角在一定范圍內變動時，其吸收性能保持穩定。該吸收器與其他已報道吸收器的性能對比結果，詳見表1。

接著，分析了將 MoS₂ 替換為其他TMDCs時，納米結構的光吸收響應特性。 MoS₂ 、 WS₂ MoSe₂ 和 WSe₂ 的介電常數的比較如圖6所示，其中 WS₂ 、 MoSe₂ 和 WSe₂ 的相關數據來自文獻[19]。可以看到， WS₂ 、 MoSe₂ 、 WSe₂ 與MoS₂ 的折射率和消光系數曲線大致趨勢都相似。單層 WS₂ 、 MoSe₂ 和 WSe₂ 納米結構的光吸收譜如圖 7（a）～（c） 所示，所選擇的納米結構與 MoS₂ 基的納米結構完全相同。可以看到，納米結構同樣能增強這些材料的吸收率。這意味著通過調整納米結構的幾何參數也能改變這些材料結構的工作波長。需要指出的是， WS₂ 、 MoSe₂ 和 WSe₂ 這3種材料在共振波長處的介電常數虛部存在差異，這會導致各結構吸收損耗程度不同，進而引起吸收率改變。

3結論

基于LSPR提出了一種由周期性金納米柱陣列、單層 MoS₂ 和DBR組成的可見光波段寬帶吸收器。結果顯示，單層 MoS₂ 、Au納米陣列和DBR的結合為開發具有大范圍入射角、高吸收率、易于實現的可見光波段寬帶吸收器提供了理論基礎。在共振波長為 422nm 和571nm時，MoS₂ 基納米結構材料的光吸收率分別超過了96.0% 和 99.8% 。進一步研究表明，改變Au納米柱的半徑 R 和周期 P 可以調節吸收器的光譜特性，從而可以靈活地調節 MoS₂ 基納米結構的吸收率。該方法對實現光學吸收器的選擇性具有重要的實際意義。所提出的基于 MoS₂ 的納米結構也可以用于TM和TE極化。采用其他TMDCs，如 WS₂ ！ MoSe₂ 和 WSe₂ ，也可以得到類似的結果。這將為其他基于TMDCs的光學吸收器和光電子器件的設計提供參考。在未來，一旦 MoS₂ 的大規模制造技術變得更加成熟，本文所提出的結構能提高太陽能吸收效率，可在需運用可調性和偏振無關性技術的相關領域得到廣泛應用。

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（編輯：李曉莉）