基于微腔效应增强单层二硫化钨光吸收
发布时间：2021-08-21 21:57
提出基于金属薄膜-分布式布拉格反射器微腔效应增强单层二硫化钨光吸收的多层薄膜结构。运用光学传输矩阵理论研究了其输运特性,发现由于金属薄膜-分布式布拉格反射器的微腔效应,在间隔层和覆盖层之间形成电场强度极大值,有效促进入射光与单层二硫化钨的相互作用。综合优化金属层、间隔层和覆盖层厚度,单层二硫化钨在612 nm处的光吸收提高了38倍,达到78.42%。进一步探讨了光入射角、分布式布拉格反射器周期、间隔层折射率与单层二硫化钨光吸收的关系。研究结果表明,上述结构参数的变化可有效调控单层二硫化钨的吸收峰值。研究结果为制备高性能单层二硫化钨光电探测器等新型光电子器件提供了新思路。
【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(09)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
基于微腔效应增强单层WS2光吸收的多层薄膜结构示意图
图6(a)所示为不同DBR周期与多层薄膜结构在612 nm处光吸收的关系曲线。没有使用DBR结构,单层WS2和金属层的光吸收都较低,金属层的光吸收略高于单层WS2的光吸收。使用DBR结构之后,单层WS2的光吸收急剧上升,而金属层的光吸收增加并不显著。DBR周期为8时,单层WS2和金属层的光吸收基本达到饱和,分别达到78.42%和14.15%,总的光吸收高达92.57%。图6(b)所示为DBR周期分别为2、4、6和8时归一化电场强度在多层薄膜结构中的分布情况,由此可见,电场强度在单层WS2附近存在极大值,且极大值随着周期数的增加而增大。进一步探讨了间隔层折射率 (覆盖层与间隔层折射率相同) 对单层WS2光吸收的影响。改变间隔层折射率,并调整其厚度满足相位匹配并不会改变吸收峰值位置。图7(a)所示为单层WS2吸收峰值与间隔层折射率之间的关系曲线。随着折射率从1.3增加至2.6 (这一范围覆盖了在可见光波段透明的常见金属氧化物和氟化物,如MgF2、MgO、ZnO和TiO2等材料的折射率),吸收峰值几乎呈现出线性下降的趋势,从79.38%下降至61.50%。间隔层折射率分别为1.5、2.0和2.5所对应的单层WS2光吸收谱如图7(b)所示,相应的吸收峰值分别为77.84%、70.31%和62.79%,FWHM分别为19 nm、17 nm和13 nm。因此,采用折射率较低的透明薄膜作为间隔层和覆盖层,有利于单层WS2获得比较大的吸收峰值。
为了比较金属薄膜-DBR微腔结构对单层WS2光吸收的增强效应,设计了四种对比结构,结构参数如表1所示,相应的光吸收谱如图3所示。其中,结构A和C的吸收谱几乎重叠,结构B和D同样如此。四种结构中单层WS2在612 nm处的吸收峰值分别为2.01%、8.91%、1.94%和8.89%。而空气中单层WS2在同一波长处的吸收率为12.84%。由此可见,没有使用金属薄膜-DBR光耦合结构时,各种对比结构中单层WS2的吸收率都比较低,甚至低于空气中单层WS2的光吸收。表1 含有单层WS2的多层薄膜结构Table 1 Multi-layer structures with monolayer WS2 No. Structure Thickness Absorption@612 nm A Sub/WS2 ds =dc=0 nm 2.01% B Sub/WS2/Cover layer ds=0 nm,dc=105 nm 8.91% C Sub/Space layer/WS2 ds=75 nm,dc=0 nm 1.94% D Sub/Space layer/WS2/Cover layer ds=75 nm,dc=105 nm 8.89%
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于二维材料异质结的光探测器研究进展[J]. 杨珏晗,魏钟鸣,牛智川. 人工晶体学报. 2020(03)
[2]二维过渡金属硫族化合物的研究进展[J]. 李沛岭,崔健,周家东,王鸿,刘政,屈凡明,杨昌黎,景秀年,吕力,刘广同. 科学通报. 2020(10)
[3]二维半导体材料纳米电子器件和光电器件[J]. 王根旺,侯超剑,龙昊天,杨立军,王扬. 物理化学学报. 2019(12)
[4]类石墨烯二维材料及光电器件应用研究进展[J]. 王嘉瑶,史焕聪,蒋林华,刘黎明. 功能材料. 2019(10)
本文编号：3356404
【文章来源】：人工晶体学报. 2020,49(09)北大核心
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
基于微腔效应增强单层WS2光吸收的多层薄膜结构示意图
图6(a)所示为不同DBR周期与多层薄膜结构在612 nm处光吸收的关系曲线。没有使用DBR结构,单层WS2和金属层的光吸收都较低,金属层的光吸收略高于单层WS2的光吸收。使用DBR结构之后,单层WS2的光吸收急剧上升,而金属层的光吸收增加并不显著。DBR周期为8时,单层WS2和金属层的光吸收基本达到饱和,分别达到78.42%和14.15%,总的光吸收高达92.57%。图6(b)所示为DBR周期分别为2、4、6和8时归一化电场强度在多层薄膜结构中的分布情况,由此可见,电场强度在单层WS2附近存在极大值,且极大值随着周期数的增加而增大。进一步探讨了间隔层折射率 (覆盖层与间隔层折射率相同) 对单层WS2光吸收的影响。改变间隔层折射率,并调整其厚度满足相位匹配并不会改变吸收峰值位置。图7(a)所示为单层WS2吸收峰值与间隔层折射率之间的关系曲线。随着折射率从1.3增加至2.6 (这一范围覆盖了在可见光波段透明的常见金属氧化物和氟化物,如MgF2、MgO、ZnO和TiO2等材料的折射率),吸收峰值几乎呈现出线性下降的趋势,从79.38%下降至61.50%。间隔层折射率分别为1.5、2.0和2.5所对应的单层WS2光吸收谱如图7(b)所示,相应的吸收峰值分别为77.84%、70.31%和62.79%,FWHM分别为19 nm、17 nm和13 nm。因此,采用折射率较低的透明薄膜作为间隔层和覆盖层,有利于单层WS2获得比较大的吸收峰值。
为了比较金属薄膜-DBR微腔结构对单层WS2光吸收的增强效应,设计了四种对比结构,结构参数如表1所示,相应的光吸收谱如图3所示。其中,结构A和C的吸收谱几乎重叠,结构B和D同样如此。四种结构中单层WS2在612 nm处的吸收峰值分别为2.01%、8.91%、1.94%和8.89%。而空气中单层WS2在同一波长处的吸收率为12.84%。由此可见,没有使用金属薄膜-DBR光耦合结构时,各种对比结构中单层WS2的吸收率都比较低,甚至低于空气中单层WS2的光吸收。表1 含有单层WS2的多层薄膜结构Table 1 Multi-layer structures with monolayer WS2 No. Structure Thickness Absorption@612 nm A Sub/WS2 ds =dc=0 nm 2.01% B Sub/WS2/Cover layer ds=0 nm,dc=105 nm 8.91% C Sub/Space layer/WS2 ds=75 nm,dc=0 nm 1.94% D Sub/Space layer/WS2/Cover layer ds=75 nm,dc=105 nm 8.89%
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于二维材料异质结的光探测器研究进展[J]. 杨珏晗,魏钟鸣,牛智川. 人工晶体学报. 2020(03)
[2]二维过渡金属硫族化合物的研究进展[J]. 李沛岭,崔健,周家东,王鸿,刘政,屈凡明,杨昌黎,景秀年,吕力,刘广同. 科学通报. 2020(10)
[3]二维半导体材料纳米电子器件和光电器件[J]. 王根旺,侯超剑,龙昊天,杨立军,王扬. 物理化学学报. 2019(12)
[4]类石墨烯二维材料及光电器件应用研究进展[J]. 王嘉瑶,史焕聪,蒋林华,刘黎明. 功能材料. 2019(10)
本文编号：3356404
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