近日，上海技物所周靖、陳效雙和陸衛(wèi)研究員團(tuán)隊提出了等離激元納米諧振腔非對稱集成的石墨烯紅外探測器件，揭示了該復(fù)合結(jié)構(gòu)器件高對比度非對稱光耦合的原理，驗證了基于非對稱光耦合突破金屬-低維材料-金屬探測結(jié)構(gòu)的兩大瓶頸問題，實現(xiàn)了泛光照射下顯著的自驅(qū)動光響應(yīng)，超越常規(guī)的等離激元耦合光柵1個量級，相關(guān)結(jié)果發(fā)表于《碳》（Carbon）雜志。

低維材料（如二維材料、納米線等）憑借不同尋常的優(yōu)異光電特性引起了廣泛的研究興趣，有望成為高性能探測器件的光敏材料。最常見的低維材料光電探測器件結(jié)構(gòu)就是金屬-低維材料-金屬的結(jié)構(gòu)。在低功耗、低暗電流的零偏壓工作模式下，器件的光響應(yīng)主要來源于低維材料與金屬電極交界處的類肖特基結(jié)。當(dāng)入射光局域地照射在低維材料與金屬電極的交界處時，光伏、光熱電等物理機制會誘導(dǎo)出宏觀的光電流。金屬-低維材料-金屬的器件結(jié)構(gòu)簡單，不影響材料本身的優(yōu)異特性，而且便于和不同的系統(tǒng)集成。但這種器件有兩個主要瓶頸問題：1）在均勻的泛光照射下低維材料與兩端金屬的接觸結(jié)產(chǎn)生大小相近、方向相反的光電流；兩者互相抵消，使器件沒有凈的光響應(yīng)。采用異種金屬電極是一般的解決方案，但是制備異種金屬電極通常需要額外的工藝步驟，增加了制備復(fù)雜性，以及低維材料被污染、損壞的可能性。2）二維材料、納米線等低維材料尺度與光波長有較大差距，嚴(yán)重制約了光吸收效率，特別是低維材料與金屬接觸結(jié)的光吸收。利用微納光子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與低維探測材料交疊的亞波長局域強光場，從而提高低維材料與光的相互作用是一個有效的增強光吸收的途徑，相關(guān)研究吸引了國際的關(guān)注。那么，是否能夠利用微納光子結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)金屬-低維材料-金屬結(jié)構(gòu)中非對稱的光耦合，增強一端光敏材料-金屬接觸結(jié)的光吸收，并抑制另一端光敏材料-金屬接觸結(jié)的光吸收，同時解決金屬-低維材料-金屬器件的兩大瓶頸問題，而且不影響低維材料原有的光電特性，就具有重要的研究意義。

圖1.（a）等離激元納米諧振腔非對稱集成的石墨烯紅外探測器件示意圖。（b）空間可分辨的光電測試示意圖。（c）有光學(xué)天線集成的電極以及無光學(xué)天線的電極附近自驅(qū)動光響的波形圖。（d，e）泛光照射下等離激元納米諧振腔非對稱集成的石墨烯紅外探測器以及等離激元耦合光柵非對稱集成的石墨烯紅外探測器的示意圖，以及兩個器件的紅外光響應(yīng)率譜。

為解決這一難題，上海技物所紅外物理國家重點實驗室周靖、陳效雙和陸衛(wèi)研究員團(tuán)隊提出了等離激元納米諧振腔非對稱集成的金屬-低維材料-金屬器件，并對其紅外光響應(yīng)進(jìn)行了研究。以最常見的石墨烯為例，研究組把等離激元納米諧振腔與金屬-石墨烯-金屬的光探測結(jié)構(gòu)進(jìn)行非對稱集成，實現(xiàn)兩端石墨烯-電極交界處光響應(yīng)105倍的差距（圖1（b，c）），以及泛光照射下器件整體的顯著凈響應(yīng)。該復(fù)合結(jié)構(gòu)比一般等離激元耦合光柵對于石墨烯光響應(yīng)的提升高出1個量級（圖1（d，e））。此外，光響應(yīng)譜能夠通過結(jié)構(gòu)參數(shù)自由調(diào)控（圖1（a，b））；響應(yīng)時間小于幾個微秒（圖1（c，d））；等離激元納米諧振腔的一部分同時作為柵極能夠?qū)κ┑墓忭憫?yīng)進(jìn)行有效調(diào)控。

圖2. （a）不同線寬的光學(xué)天線陣列的SEM照片。（b）由不同線寬的光學(xué)天線構(gòu)成的等離激元納米諧振腔誘導(dǎo)的石墨烯紅外光響應(yīng)譜。（c）10 kHz調(diào)制下1.55微米入射光激發(fā)的光響應(yīng)波形。（d）30 kHz調(diào)制下1.55微米入射光激發(fā)的光響應(yīng)波形。

這一研究提出了同時解決金屬-低維材料-金屬器件的零偏壓工作模式兩大瓶頸問題的新方法，能夠有效推動低維材料光探測的發(fā)展。該工作以“Enhanced infrared photoresponse induced by symmetry breaking in a hybrid structure of graphene and plasmonic nanocavities”為題發(fā)表在Carbon 170, 49 (2020)。博士生郭尚坤為第一作者。周靖和陳效雙研究員為通訊作者。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金項目以及上海市科委計劃等項目的支持。