近日，上海技物所周靖、陳效雙和陸衛(wèi)研究員團(tuán)隊(duì)提出了等離激元納米諧振腔非對(duì)稱集成的石墨烯紅外探測(cè)器件，揭示了該復(fù)合結(jié)構(gòu)器件高對(duì)比度非對(duì)稱光耦合的原理，驗(yàn)證了基于非對(duì)稱光耦合突破金屬-低維材料-金屬探測(cè)結(jié)構(gòu)的兩大瓶頸問題，實(shí)現(xiàn)了泛光照射下顯著的自驅(qū)動(dòng)光響應(yīng)，超越常規(guī)的等離激元耦合光柵1個(gè)量級(jí)，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(cè)器件的光敏材料。最常見的低維材料光電探測(cè)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(lái)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(shí)，光伏、光熱電等物理機(jī)制會(huì)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(jiǎn)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(gè)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(zhǎng)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(cè)材料交疊的亞波長(zhǎng)局域強(qiáng)光場(chǎng)，從而提高低維材料與光的相互作用是一個(gè)有效的增強(qiáng)光吸收的途徑，相關(guān)研究吸引了國(guó)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(duì)稱的光耦合，增強(qiáng)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(shí)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(duì)稱集成的石墨烯紅外探測(cè)器件示意圖。（b）空間可分辨的光電測(cè)試示意圖。（c）有光學(xué)天線集成的電極以及無(wú)光學(xué)天線的電極附近自驅(qū)動(dòng)光響的波形圖。（d，e）泛光照射下等離激元納米諧振腔非對(duì)稱集成的石墨烯紅外探測(cè)器以及等離激元耦合光柵非對(duì)稱集成的石墨烯紅外探測(cè)器的示意圖，以及兩個(gè)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室周靖、陳效雙和陸衛(wèi)研究員團(tuán)隊(duì)提出了等離激元納米諧振腔非對(duì)稱集成的金屬-低維材料-金屬器件，并對(duì)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(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非對(duì)稱集成，實(shí)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(duì)于石墨烯光響應(yīng)的提升高出1個(gè)量級(jí)（圖1（d，e））。此外，光響應(yīng)譜能夠通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)自由調(diào)控（圖1（a，b））；響應(yīng)時(shí)間小于幾個(gè)微秒（圖1（c，d））；等離激元納米諧振腔的一部分同時(shí)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(shí)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(dòng)低維材料光探測(cè)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目以及上海市科委計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。