[发明专利]一种基于二维过渡金属硫化物的光吸收增强结构和方法

说明书

本发明提供一种基于二维过渡金属硫化物的光吸收增强结构和方法，属于光电技术领域，本发明的光吸收增强结构包括：第一介质层、光吸收层和第二介质层。其中，第一介质层上设置有第一反射面；光吸收层设置在第一反射面上，光吸收层为二维过渡金属硫化物；第二介质层设置在光吸收层上，并具有第二反射面；并且，第一反射面和第二反射面相对形成法布里‑珀罗腔，外部光线自第一介质层或第二介质层透射至法布里‑珀罗腔内，并经第一反射面和第二反射面多次循环反射以将其全部或部分滞留在法布里‑珀罗腔内，与光吸收层产生共振吸收现象。本光吸收增强结构通过法布里‑珀罗腔对光的共振吸收，以将二维过渡金属硫化物的强吸收效应拓展至红外光波段。

技术领域

本发明涉及光电技术领域，具体涉及一种基于二维过渡金属硫化物的光吸收增强结构和方法。

背景技术

光吸收是光与物质相互作用的基本过程之一，常伴随着强度衰减和能量转换。利用半导体材料的光吸收特性可以直接实现光能与其他能量的转化，产生许多有趣的物理现象，如光致发光、光声效应、光电效应等，进一步促进基于光电或光热转换机制的功能器件的应用和发展。因此，找到一种材料或设计一种结构来实现高效率、宽光谱吸收已成为光电子器件领域研究的热点话题。

近年来，二维材料(2D)引起了纳米光电子领域的研究热潮。大部分二维材料层内原子通过共价键或离子键连接，束缚力强，而层与层之间通过弱范德华力结合。这种层状结构间不均匀作用力赋予了二维材料独特的光电性能，如可调谐的电子能带结构、高载流子迁移率等，在构筑高性能、新功能光电子器件方面已经展示出巨大潜力。然而，由于二维材料超薄的层状结构将光与物质相互作用长度局限在原子级别，其在自由空间中的光吸收能力不尽人意，大大制约了在光电领域的应用。

过渡金属硫化物家族涵盖了数十种性能迥异的二维材料，化学式为MX₂，M指钼、钨、铌、铼、钛等过渡金属元素，X指硫、硒、碲等硫族元素，其光与物质相互作用强度可通过改变层数进行调谐，层数增加，激子吸收增强，光吸收能力提高，在二维材料体系中颇具优势。例如，二硫化钼(MoS₂)作为一种典型的过渡金属硫化物二维材料，其在可见光范围内的本征吸收率可高达60％，远远超过单层石墨烯的2.3％和双层黑磷的15％。然而，由于MoS₂自身的带隙(1.8～1.2eV)和频率色散限制，其在红外波段几乎透明，从根本上限制了该材料在红外光电领域的潜在应用。在之前的工作中，我们引入Mo空位或S空位缺陷突破了多层MoS₂红外波段零吸收的困境，实现了非本征的红外吸收，但缺陷吸收效率很低，对光电探测或其他光电子应用来说仍远远不够。

同理，过渡金属硫化物材料体系中由于材料本身原子级厚度特征与本征光吸收带边限制，往往无法获得理想的红外光学吸收，故而需要设计一种基于二维过渡金属硫化物的光吸收增强结构和方法，可以有效增强光场与二维过渡金属硫化物的相互作用，从而解决上述问题。

发明内容

鉴于以上现有技术的缺点，本发明提供了一种基于二维过渡金属硫化物的光吸收增强结构和方法，通过将二维过渡金属硫化物集成在由第一介质层和第二介质层构成的法布里-珀罗腔内，并通过改变二维过渡金属硫化物的厚度来实现二维过渡金属硫化物在法布里-珀罗腔内对不同波段的共振吸收，以将二维过渡金属硫化物的强吸收效应拓展至红外光波段，从而解决二维过渡金属硫化物无法在红外光波段实现高吸收的技术问题。

为实现上述目的及其它相关目的，本发明提供一种基于二维过渡金属硫化物的光吸收增强结构，该基于二维过渡金属硫化物的光吸收增强结构包括：第一介质层、光吸收层和第二介质层。

其中，第一介质层上设置有第一反射面；光吸收层设置在所述第一反射面上，所述光吸收层为二维过渡金属硫化物；第二介质层设置在所述光吸收层上，并具有第二反射面；并且，所述第一反射面和第二反射面相对形成法布里-珀罗腔，外部光线自所述第一介质层或所述第二介质层透射至所述法布里-珀罗腔内，并经所述第一反射面和第二反射面多次循环反射以将其全部或部分滞留在所述法布里-珀罗腔内，与所述光吸收层产生共振现象，供所述光吸收层吸收。