罗国平，陈星源，胡素梅，朱伟玲

(广东石油化工学院理学院，茂名 525000)

0 引 言

薄膜材料与薄膜技术的不断发展促进了计算机、集成电路等领域对各种元器件微型化、集成化和低功耗的高要求。二维材料是一种厚度为纳米尺度量级的薄膜材料，具有独特的电学、光学、机械和化学性能，在电子器件、光学器件、超级电容器、光催化和智能传感等领域有潜在应用[1-3]。近年来，二维过渡金属硫族化合物 (TMDCs) 材料因其具有可调节的能带结构，极强的自旋轨道耦合，良好的光学、电学和机械性能而受到广泛关注[4-7]。国内外学者研究了其在场效应晶体管[8]、太阳电池[9]、光探测器[10-11]、气敏探测[12]、柔性器件[13]和能源存储[14]等方面的应用。WS2作为TMDCs的典型代表，呈现出半导体性能，单层WS2厚度仅为0.618 nm，是一种直接带隙材料，其带隙约为2.0 eV，在带隙边存在极强的吸收峰[15-17]。不同层数的WS2表现出不一样的光电性质[18]。

就光电探测器应用而言，如何增强WS2的光吸收进而提高器件的光响应率是一大关键。国内外学者在增强单层WS2光吸收方面做了一些探索。Cao等[19]在Si衬底上采用Ag纳米光栅和分布式布拉格反射器 (DBR) 增强单层WS2的光吸收。系统研究了DBR周期、Ag纳米光栅高度和周期、入射光角度对单层WS2光吸收的影响。经优化后单层WS2在420～700 nm波段的平均光吸收率达到52.9%。Butun等[20]从理论和实验上系统研究了蓝宝石衬底上Ag等离激元纳米盘阵列对单层WS2光吸收的增强作用。WS2/Ag异质结光吸收的增强源于Ag纳米盘附近的电场局域效应。Li等[17]设计了由单层TMDCs (MoS2、WS2、MoSe2、WSe2)，夹有圆形气孔的光子晶体平板和超厚金属背反射器组成的吸收增强系统。理论分析和数值计算结果表明，临界耦合能够提高单层TMDCs的总吸收，引导共振的临界耦合主要取决于孔半径与平板周期的比率，一旦给出了特定比例，就可以通过光子晶体平板的周期和厚度的微小变化来有效地调整吸收峰的光谱位置，此系统的特点为偏振不敏感特性和倾斜入射下良好的吸收稳定性。上述研究通过引入光栅结构、光子晶体产生等离激元共振的方法实现了单层WS2光吸收的增强，但是结构较为复杂，不易制备，且存在一定的固有损耗。也有研究者提出采用异质结结构提高TMDCs光吸收[21]。Ansari等[22]研究发现在Si衬底上引入90 nm厚的SiO2层，WS2/MoSe2异质结在宽光谱范围内的光吸收率能达到30%以上。Wang等[23]利用金纳米颗粒的表面等离激元效应将WS2/MoS2异质结在1 030 nm处的光响应提高了约25倍。异质结对TDMSs光吸收增强的作用比较有限，需要耦合其他等离激元结构。

本文提出基于金属薄膜和DBR构成光学微腔，通过引入间隔层和覆盖层以调节相位匹配。系统优化金属层、间隔层和覆盖层厚度，提高单层WS2的光吸收峰值。研究偏振光入射角、DBR周期和间隔层折射率对单层WS2光吸收的影响。理论计算结果表明，通过调控上述结构参数，可将单层WS2在612 nm处的光吸收提高至78.42%。

1 理论模型和计算方法

图1为基于金属薄膜-DBR微腔效应增强单层WS2光吸收的多层薄膜结构示意图。该结构从左至右分别为衬底、金属层、间隔层、单层WS2、覆盖层和DBR。其中金属层为银薄膜，厚度为dm，间隔层和覆盖层均为SiO2，厚度分别为ds和dc，单层WS2厚度为dw，DBR交替由厚度分别为da和db的SiO2和TiO2组成。SiO2和TiO2的折射率分别为1.45和2.36[24]，Ag的光学常数来源于文献[25]，单层WS2的光学常数来源于文献[18]。衬底的折射率为1.5，DBR中心波长为610 nm。采用光学传输矩阵法[26]分析电场强度在多层薄膜结构中的分布情况，并进一步计算反射谱和吸收谱。

图1 基于微腔效应增强单层WS2光吸收的多层薄膜结构示意图Fig.1 Schematic diagram of multi-layer structure based on microcavity effect to enhance light absorption of monolayer WS2

(1)

(2)

式中，rk和tk分别是界面zk处的菲涅尔复反射系数和复透射系数。对于TE偏振

(3)

(4)

而对于TM偏振

(5)

(6)

相位矩阵描述通过界面zk和zk+1之间同一层薄膜时电磁波幅值的变化，公式如下：

(7)

(8)

由总的传输矩阵可得到整个结构的反射系数和透射系数，

(9)

(10)

垂直入射时，在任意位置单位时间内平均能量耗散为

(11)

式中，c为真空中的光速，ε0为真空介电常数，αj=4πkj/λ为吸收系数。由单位时间内平均能量耗散可进一步得到每一层薄膜的光吸收率。

2 结果与讨论

图2(a)所示为归一化电场强度在多层薄膜结构中的分布情况。其中，金属层、间隔层和覆盖层厚度分别为25 nm、75 nm和105 nm，DBR周期为8。由于金属层和DBR之间的微腔效应，电场强度在间隔层和覆盖层之间形成了极大值。该极大值位于610 nm处附近，极大地增强了入射光与单层WS2的相互作用。而金属层中的电场强度较小，减少了入射光损耗。图2(b)所示为相应单层WS2的吸收谱和整个多层薄膜结构的反射谱。单层WS2在609 nm处存在吸收峰，峰值为74.75%。同一波长处整个结构的反射率为7.28%。

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。

图2 (a)多层薄膜结构中的归一化电场强度分布；(b)单层WS2的吸收和整个系统的反射谱Fig.2 (a)Normalized electric fields intensity distribution in the multi-layer system; (b)absorption spectra of monolayer WS2 and reflection spectra of the total system

表1 含有单层WS2的多层薄膜结构Table 1 Multi-layer structures with monolayer WS2

图3 不同多层薄膜结构和空气中单层WS2的吸收谱Fig.3 Absorption spectra of monolayer WS2 in various multi-layer structures and in air

为了探讨金属薄膜-DBR结构对单层WS2吸收峰值的影响因素，本文首先系统分析了金属层、间隔层和覆盖层厚度与单层WS2光吸收之间的关联。图4(a)所示为不同间隔层厚度对应的单层WS2吸收谱，其中金属层和覆盖层厚度分别为25 nm和105 nm。间隔层厚度为75 nm时，单层WS2在609 nm处吸收存在极大值，达到74.75%。减小间隔层厚度，吸收峰位置发生蓝移。图4(b)所示为不同金属层厚度对应的单层WS2吸收谱，其中间隔层和覆盖层厚度分别为75 nm和105 nm。金属层厚度为20 nm时，单层WS2在611 nm处存在极大吸收峰，峰值为76.98%。增大金属层厚度会增加入射光损耗，因此吸收峰值呈现下降趋势。如图4(c)所示，综合分析了金属层厚度为20 nm时，间隔层和覆盖层厚度对单层WS2吸收峰值的影响。间隔层和覆盖层厚度对单层WS2的吸收峰值具有明显影响作用，只有间隔层和覆盖层厚度满足相位匹配的条件，吸收峰值才较大。图4(d)所示为优化后单层WS2吸收谱和整个多层薄膜结构的反射谱与透射谱。金属层、间隔层和覆盖层厚度分别为20 nm、75 nm和102 nm时，单层WS2在612 nm处的吸收峰值为78.42%，半高全宽(FWHM)为21 nm。整个多层薄膜结构在同一波长处的反射率和透射率分别为4.76%和2.67%。引入金属薄膜-DBR光耦合结构，与衬底上单层WS2相比，光吸收提高了38倍。

图4 不同间隔层厚度(a)和不同金属层厚度(b)对应的单层WS2吸收谱；单层WS2吸收峰值与间隔层厚度和 覆盖层厚度的关系图(c)；优化后单层WS2吸收谱和整个多层薄膜结构反射谱与透射谱(d)Fig.4 Absorption spectra of monolayer WS2 with various cover layer thickness(a)and various metal layer thickness(b); absorption peaks of monolayer WS2 as a function of space layer thickness and cover layer thickness(c); absorption spectra of monolayer WS2 combined with reflection and transmission spectra of the multi-layer structure after optimization(d)

入射角和偏振态对多层薄膜结构光吸收存在明显关联作用，进一步分析了单层WS2光吸收与入射角和偏振态的关系。图5(a)和图5(b)所示分别为TE偏振和TM偏振在不同入射角单层WS2的吸收谱。随着入射角的增大，TE偏振和TM偏振的吸收峰均呈现下降趋势，并且吸收峰位置发生蓝移。

图5 TE偏振和TM偏振下单层WS2吸收谱随光入射角的关系曲线Fig.5 Absorption spectra of monolayer WS2 with various light incident angles for TE polarization and TM polarization

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。

图6 不同DBR周期与多层薄膜结构光吸收和归一化电场强度分布的关系曲线图Fig.6 Light absorption and normalized electric field intensity distribution of the multi-layer structures as a function of DBR periods

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。

图7 间隔层折射率对单层WS2吸收峰值和吸收谱的影响曲线图Fig.7 Effect of refractive index of space layer on absorption peaks and absorption spectra of monolayer WS2

3 结 论

本文提出利用金属薄膜-DBR结构产生的微腔效应，有效提高了单层WS2在612 nm附近的光吸收，吸收峰值可达78.42%。通过光学传输矩阵理论计算发现电场强度在覆盖层和间隔层之间形成极大值，促进了入射光和单层WS2的相互作用。讨论了相关结构参数对单层WS2光吸收的调控作用。研究结果表明，单层WS2的吸收峰值与金属层、间隔层和覆盖层厚度存在关联。单层WS2的吸收峰值随入射角的增大而减小，随DBR周期的增加而提高。采用折射率较低的透明材料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。研究结果为实现新型高性能单层WS2探测器提供了新思路。