光学复合结构增强二维过渡金属硫化物光吸收的研究

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近年来,随着对二维材料的深入研究,二维过渡金属硫化物(TMDCs)凭借其优异特性引起研究人员极大地关注。具有合适带隙的二维TMDCs与在工艺上与平面半导体匹配,可模块化代替部分传统半导体材料。二维TMDCs在场效应晶体管、光电探测器、传感器、和光伏器件等新型纳米器件中有广阔的应用前景。但二维TMDCs对光的吸收较低,用其制作的光电器件性能较差,不利于其实际应用。本文以时域有限差分法(FDTD)为计算基础,通过局域表面等离子体共振(LSPR)、腔结构和导模共振等方法来增强二维TMDCs光吸收。具体工作为:三种光学复合结构增强二维TMDCs光吸收。1.提出硅(Si)/分布式布拉格反射镜(DBR)/单层二硫化钨(WS2)/银(Ag)光栅结构来增强可见光波段单层WS2的光吸收。DBR和Ag光栅均对复合结构中单层WS2光吸收增强起重要作用。结构中单层WS2对420 nm-700 nm光的平均吸收可达52.9%。研究结果表明Ag金属光栅占空比、高度可被用于调节单层WS2光吸收。光斜入射时,单层WS2仍能保持较高的光吸收。2.通过多层结构来增强单层二硒化钼(MoSe2)的光吸收。多层结构由Ag金属层、布拉格光栅、间隔介质二氧化硅(SiO2)和嵌于间隔介质内部的单层MoSe2组成。在光入射到多层结构中时,结构内部形成的Tamm等离子体(TP)模式对光场有极强的限制作用,因此单层MoSe2的光吸收得以增强。在661 nm处,单层MoSe2的光吸收率可达81%。多层结构可通过调节布拉格光栅结构参数和单层MoSe2位置实现光吸收峰的可调。随着入射角增加,光吸收峰波长发生蓝移。3.设计导模共振结构实现单层二硫化钼(MoS2)对共振波长光的完美吸收。导模共振完美吸收器由金(Au)背向反射器、刻蚀有周期性十字凹槽的Si光子晶体板和单层MoS2依次堆叠而成。结构中由导模共振引起的临界耦合效应实现了单层MoS2对共振波长(663 nm)光的完美吸收。通过改变完美吸收器中空气谐振腔(十字凹槽)的几何参数可实现光吸收峰的可调。光入射角增加会使吸收峰发生蓝移,但仍能保持较高的光吸收。
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