低维薄层材料具有特殊的半导体性质和显著的激子性质，在能源存储、传感成像、生物医学等方面具有巨大的应用潜力。相比传统体材料，低维材料具有新颖的光学与电学性质，如易于与波导或腔体结构进行集成、具有高机械强度与柔韧性等，被视为“后摩尔定律”时代半导体工业新的突破口。然而，极薄的厚度导致的弱光-物质相互作用成为研发高性能红外探测器件的重要挑战。目前已经报道的研究工作并没有提供令人满意的吸收增强效果与低损耗率，且不具有波长稳定性。
近日，以中国科学院上海技术物理研究所为依托单位的红外科学与技术重点实验室（红外物理国家重点实验室）在基于连续域束缚态的高鲁棒性薄层低维探测材料增强吸收和调控方面取得重要进展。研究人员通过对环形偶极子连续域束缚态的研究，围绕基于薄层低维材料的红外器件在增强吸收的物理层面突破结构损耗、提升波长稳定性、调控谐振位置与吸收效率等方面开展探索，解决了相关基础物理问题，实现了单原子层探测材料高达95%以上的吸收效率，为满足高量子效率红外探测、极窄带光谱识别等迫切需求提供支撑。
相关工作以“Toroidal Dipole BIC-Driven Highly Robust Perfect Absorption with a Graphene-Loaded Metasurface”为题，发表在Nano Letters期刊。该文章第一作者为金融博士，通讯作者为李冠海研究员和黄陆军研究员。
针对前述瓶颈问题，研究人员通过引入环形偶极子连续域束缚态（TD-BIC）实现品质因子匹配，在多个离散波长达成波长稳定的临界耦合，研制了一种近红外低维探测材料吸收增强器件（如图1），同时实现了低损耗与高吸收的性能指标，基于单原子层，获得了高达95%以上的吸收效率，具备了传统设计所不具有的单一波长高鲁棒性，为基于薄层低维材料的红外探测提供了有益的参考。
图1 (a)低维探测材料的完美吸收；(b)吸收增强流程示意图；(c)单一波长高鲁棒性的完美吸收图
该研究中BIC由一对相同纳米线制成的特殊复合光栅支撑。研究人员研究了复合光栅结构的泄漏模式（leaky modes），其晶胞由两个相同的硅纳米线组成，如图2a所示。复合光栅结构的具体设计流程如图3所示。
图2 不同间隙距离下复合光栅的反射光谱、 Q因子随其变化情况、 单光栅和双光栅的波段结构、 复合光栅结构的多极分解等
图3 复合光栅结构的具体设计流程及测试结果
随后，研究人员将单层石墨烯集成到支持TD BIC的光子晶体板顶部，实现了偏振无关吸收体，相关测试结果如图4所示。
图4 硅光栅结构的SEM俯视图以及集成石墨烯的硅光栅的测试结果
这项研究的设计方案也适用于其他类型二维（2D） 材料，通过选择合适的二维材料，吸收体中心波长可以从可见光波段调谐到近红外波段至中红外波段。该研究成果有望在基于二维材料的光电探测器、传感器以及滤波器等光电器件中寻求更广阔的应用前景。
这项研究得到了国家自然科学基金、中国科学院、上海市科委基金的资助和支持。