基于硅和磷化镓超材料中环形偶极子模式的高灵敏度完美吸收器

研究人员针对窄带完美吸收器设计难题，创新性提出基于环形偶极子模式的硅/磷化镓复合超材料结构。通过FDTD（有限差分时域）仿真验证，该吸收器在1255.3 nm波长实现99.6%吸收率与154.4高Q值，并展现339.6 nm/RIU的折射率灵敏度，为光学传感和非线性光子学提供新方案。

　　

在光学传感和能量捕获领域，实现特定波长的完美光吸收一直是研究者追逐的目标。传统金属基超材料吸收器面临欧姆损耗高、可调性差等瓶颈，而全介质超材料因其低损耗特性成为新突破口。如何通过精巧的结构设计激发特殊电磁模式（如环形偶极子），同时兼顾高吸收率与环境敏感性，成为当前研究的核心挑战。

湖北省某高校联合团队在《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》发表研究，提出了一种基于硅(Si)和磷化镓(GaP)的复合超材料结构。该设计在GaP纳米像素中心引入纳米孔并嵌入Si纳米盘作为图案层，顶部为SiO₂介质层，底部采用金(Au)衬底。通过有限差分时域(FDTD)方法模拟发现，该结构在通信波段1255.3 nm处产生尖锐吸收峰，吸收效率达99.6%，品质因数(Q factor)高达154.4。更引人注目的是其对环境折射率的超灵敏响应（339.6 nm/RIU），这一性能远超同类设计。

关键技术方法包括：1）采用FDTD数值模拟优化结构参数；2）通过电磁场分布分析确认环形偶极子(Toroidal Dipole)主导共振；3）系统评估折射率传感性能；4）对比不同材料组合的损耗特性。研究样本为理论模型，无实际生物样本队列。

【研究结果】

1. 结构设计与光学特性
   通过调节Si纳米盘直径（180 nm）和GaP像素周期（600 nm），在近红外波段形成窄带吸收。电场分布显示能量高度局域于Si-GaP界面，证实环形偶极子模式激发。

2. 吸收性能分析
   吸收谱在1255.3 nm处呈现99.6%的极值，半高宽仅8.13 nm。计算得出154.4的Q值，显著优于金属-介质混合结构（通常<100）。

3. 折射率传感应用
   当环境折射率从1.0增至1.05时，吸收峰红移16.98 nm，灵敏度达339.6 nm/RIU，比已报道硅基器件提升约40%。

4. 材料损耗机制比较
   GaP的高折射率（n≈3.3）与Si的适中损耗特性协同作用，既增强光场约束又抑制非辐射损耗，这是实现高效吸收的关键。

【结论与意义】
该研究首次将Si-GaP异质结构与环形偶极子模式相结合，创造了兼具窄带吸收和高灵敏度的新型光学平台。其突破性体现在三方面：1）通过全介质设计规避金属损耗，Q因子较传统结构提升50%以上；2）创纪录的折射率灵敏度为生物分子检测提供新途径；3）硅基兼容工艺便于集成现有光子器件。研究团队指出，这种结构在葡萄糖监测、气体传感等生化检测领域具有直接应用前景，同时为非线性光学变频器件的设计开辟了新思路。