基于納米金屬陣列天線的石墨烯/硅近紅外探測器開發(fā)

金屬納米顆粒低聚體不僅具有等離激元共振效應實現(xiàn)光場亞波長范圍內(nèi)的局域化和增強，還可以通過泄漏光場（leaky field）相互干涉實現(xiàn)法諾共振和連續(xù)態(tài)中的束縛態(tài)（BIC）從而使得電磁場更強的局域和增強。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，南京大學電子科學與工程學院的科研團隊在《物理學報》期刊上發(fā)表了以“基于納米金屬陣列天線的石墨烯/硅近紅外探測器”為主題的文章。該文章第一作者為張逸飛，通訊作者為王軍轉(zhuǎn)。

本工作采用金納米金屬低聚體超構(gòu)表面作為石墨烯/硅（SOI）近紅外探測器的天線，實現(xiàn)了光響應度2倍的增強。通過時域有限差分法（FDTD）仿真和實驗相結(jié)合研究了低聚體超構(gòu)表面光電耦合效率的動態(tài)過程，為提高光電探測效率提供了一種重要的途徑。

器件和納米結(jié)構(gòu)制備

器件制備流程如圖1所示，選用厚度為1 μm的n型輕摻雜（摻雜濃度約3x101? at./cm3）SOI作為襯底，通過光刻圖形化和反應耦合等離子體（ICP）刻蝕技術(shù)制備出200 μm x 200 μm的硅島如圖1（a）所示，再通過光刻圖形化和電子束蒸發(fā)技術(shù)（EBE）在硅島上實現(xiàn)做好一對電極（5 nm Ti/45 nm Au），如圖1（b），其中一個電極和硅島接觸，另一個電極在絕緣層襯底上與后續(xù)轉(zhuǎn)移的石墨烯相接觸；接下來通過電子束曝光的方式（EBL）圖形天線納米顆粒并采用EBE蒸金屬5 nm Ti/45 nm Au并剝離，如圖1（c），最后將化學氣相沉淀方法生長的（CVD）石墨烯通過濕法轉(zhuǎn)移的方法轉(zhuǎn)移到硅島上面，并采用刻蝕方法將石墨烯和與硅接觸的電極斷開，這樣整個石墨烯/硅肖特基器件制備完成如圖1（d）所示，器件顯微鏡照片如圖1（e）所示，石墨烯形狀完好，沒有破裂。

圖1 納米天線器件制備流程示意圖

圖2（a）為制備的納米天線陣列示意圖，夾角為θ，每個陣列大小約10 μm，天線正方形邊長為250 nm，周期為1750 nm，圖2（c）和（d）為θ等于0°和40°的納米天線的掃描電鏡圖片。

圖2 納米天線陣列SEM表征圖

納米陣列等離激元對光電探測增強效果

首先，對器件進行了微區(qū)光電流測試，測試的光路圖如圖3（a）所示，850 nm激光通過20倍物鏡聚焦照射在器件上，光斑直徑大小約1 μm，通過偏振片調(diào)節(jié)激光的線偏振方向和納米結(jié)構(gòu)x軸方向一致，如圖2（a）所示x方向（與納米結(jié)構(gòu)中心軸y水平垂直）。研究人員測試了器件的暗電流，有納米天線和沒有納米天線的暗電流基本一致（如圖3（a）），可見曲線是典型的背靠背肖特基的電流電壓特性曲線，金和硅以及硅和石墨烯都形成了肖特基接觸。隨后，挑選了納米天線夾角為0°的納米顆粒陣列研究光電流增強情況，圖3（d）給出了有無納米天線的器件，在改變激光功率時光電流變化趨勢，隨著功率從0.03 mW增加到1.86 mW，光電流逐漸增加并趨向飽和達到1.05 x 10?? A，而沒有天線的石墨烯/硅探測區(qū)域光電流為5.45 x 10?? A，天線對光電流增強約2倍，有天線時光電流響應度為56 mA/W，相比商用的PIN結(jié)構(gòu)硅探測器響應度低近一個數(shù)量級。在這里主要關(guān)注天線對探測性能提高的影響，沒有在器件結(jié)構(gòu)上做進一步的優(yōu)化。

圖3 具有納米天線結(jié)構(gòu)的器件光電流表征

圖4（a）給出了制備出的器件暗場的照片，為了研究顆粒間距以及周期和夾角對探測效果的影響，設計了三個區(qū)域的天線，分別為周期為1.2 μm納米顆粒間距為40 nm和100 nm的Ⅰ和Ⅱ區(qū)，周期為1.75 μm納米顆粒間距為40 nm的Ⅲ區(qū)，每一個區(qū)域從右到左，由上到下，夾角θ如圖中所標注從0°到40°。圖4（b）給出了1 mW 850 nm激光輻照下的光電流掃描圖，從圖中可見有納米天線的探測區(qū)域光電流明顯高于無納米線天線的區(qū)域，周期為1.2 μm間距為100 nm的納米顆粒陣列區(qū)域整體上光電流更大一些。

當研究納米結(jié)構(gòu)天線隨著角度的變化對光電流強度影響規(guī)律時，發(fā)現(xiàn)角度增大過程中，整體上光電流不斷增大，直到θ為40°達到最大，隨后減小，最大增幅約為14%。然而，三種結(jié)構(gòu)中一致地出現(xiàn)在θ為20°時，光電流隨夾角變化存在一個谷，而此時光電流大小與夾角為0°時相當，如圖4（c）所示。

圖4 不同夾角納米天線陣列的光電流表征

夾角對天線效果影響以及仿真結(jié)果

為了進一步理解光電流隨夾角變化這一現(xiàn)象背后的物理過程，采用Lumerical中時域有限差分法（FDTD）進行仿真工作。圖5（a）分別為該結(jié)構(gòu)夾角θ從0°到40°的透射和吸收譜圖，透射譜可以看到明顯的法諾共振。當兩個納米顆粒靠近時，在光場激勵下形成兩個極化子（dipole），類似當氫原子靠近時軌道雜化一樣，兩個dipole進行雜化形成了成鍵和反成鍵態(tài)，而多個顆粒就形成了多體耦合結(jié)構(gòu)（多聚體）。這樣強耦合體系向平面泄露或者輻射光將會產(chǎn)生干涉形成新的分立的泄露模式，該模式和納米顆粒等離激元模式相耦合產(chǎn)生法諾共振。從仿真結(jié)果看，隨著角度增加，共振峰位以及強度沒有明顯變化；如圖5（b）所示，夾角為16°和20°共振譜形，該譜形具有非對稱的結(jié)構(gòu)，類似法諾共振耦合譜，主峰附近低能量的振蕩峰與多體耦合相關(guān)。

圖5 納米天線透射光譜和和夾角關(guān)系

結(jié)論和討論

基于石墨烯/硅肖特基探測器研究了金屬納米結(jié)構(gòu)等離激元天線的夾角對光場增強的影響，整體上天線對光響應度實現(xiàn)了兩倍的增強。當夾角從0°到90°變化時，光電流先增大，后來趨向飽和，當該夾角為40°時，光電流達到最大值，對應法諾共振最大的透射率，此時天線不僅匯聚光場能量還定向發(fā)射給探測器；當該夾角為20°時，光電流出現(xiàn)一個低谷，此時能量局域于低聚體內(nèi)，金屬損耗減弱了等離激元增強效果。可以進一步推測，泄漏場的干涉有望實現(xiàn)BIC，從而輻射能量得以消除，將能量集中于結(jié)構(gòu)內(nèi)，然而由于金屬材料損耗比較大，又由于襯底介電常數(shù)以及吸收特性，無法進一步得到BIC現(xiàn)象。該工作通過時域有限差分法仿真和實驗相結(jié)合研究了多個納米顆粒組成的多聚體超構(gòu)表面光電耦合效率的動態(tài)過程，為提高光電探測效率提供了一種重要的途徑。

審核編輯：劉清