黑磷-硫化鋅異質結表面古斯-漢欣位移的可調性

張碩，李宇博，付淑芳

黑磷-硫化鋅異質結表面古斯-漢欣位移的可調性

張碩，李宇博，付淑芳

（哈爾濱師范大學 物理與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150025）

基于傳輸矩陣和表面聲子極化子理論，設計了黑磷-硫化鋅異質結來實現(xiàn)對遠紅外區(qū)間反射光束古斯-漢欣（GH）位移的調控．理論計算結果表明，通過控制黑磷的電荷摻雜密度及各項異性軸方向等因素，GH位移可被調控且其最大值甚至可達到真空波長的68倍左右．這些研究結果對于新型納米光學器件的研究具有重要意義．

黑磷；古斯?漢欣位移；雙曲材料

眾所周知，當近軸光束入射到介質界面時，實際反射光束相對于幾何光學預測，光束具有輕微橫向偏差．這一現(xiàn)象被稱為古斯-漢欣位移（Goos-H?nchen，GH），并由Artmann在20世紀40年代末進行了理論證實[1]．考慮到光與物質相互作用的特性，相關的研究已經從最原始的界面結構擴展到各種界面系統(tǒng)，如自由空間與極性晶體[2]、光子晶體[3]、金屬[4]、超材料[5]或天然雙曲晶體[6]組成的界面系統(tǒng)．在通常情況下，GH位移的大小與普通電介質的真空波長相當，這使得GH位移難以被測量和應用．量子弱測量技術的建立使得精確測量GH微小位移成為一種可能[7-8]．另一方面，實現(xiàn)GH位移的直接測量是拓寬其應用領域的一個重要途徑．為此，研究者們提出了各種強位移高反射的結構，如左手超材料[9]、超表面[10]、各向異性超材料[11]和石墨烯包覆的光子晶體[12]等．此外，在某些特定情況下，如布魯斯特角和臨界角附近，GH位移可以增大很多且可以是正位移或負位移[13]．Ziauddin[10]等報道了在固定配置或設備中，通過超光速和亞光速波傳播對GH位移的相干控制．

近年來，黑磷由于其優(yōu)越的光電特性而受到越來越多科研人員的關注．這是因為一方面黑磷在中遠紅外的頻率范圍內介電表現(xiàn)出二維雙曲特性；另一方面黑磷作為半導體，具有0.3～2 eV的直接帶隙[14-15]，這些特性使得黑磷作為高遷移率的二維半導體材料而被廣泛應用于電子輸運等領域．最新研究發(fā)現(xiàn)，在黑磷光軸的方向、摻雜濃度和帶間躍遷都會對表面的自旋霍爾效應產生巨大的影響[16]．這些優(yōu)異的結構特性都使黑磷成為一種理想的光學位移調控材料．此外，以硫化鋅或納米碳化硅為代表的離子晶體，具有非常低的光損耗，而且在紅外范圍內激發(fā)的表面聲子極化子（SPhPs）比金屬表面激發(fā)的表面等離子極化子（SPPs）傳播的距離更長[17-18]．這些特性都使得離子晶體成為了光學領域內研究的熱門材料．

本文提出了一種在硫化鋅表面覆蓋多層黑磷的異質結結構．與基于金屬的超材料不同，黑磷-硫化鋅異質結的耗散損耗要低得多，且通過調控黑磷的化學勢、各向異性軸方向、厚度以及入射角可達到調控GH位移的目的．結果表明，黑磷-硫化鋅異質結結構對調控GH位移提供了一種可能的途徑．

1 理論模型

圖1 黑磷-硫化鋅結構及黑磷示意圖

由方程（3）可求得黑磷中的波矢為

可得到GH位移的解析表達式為

2 數值模擬與討論

圖2 黑磷和硫化鋅介電函數隨頻率變化的曲線

圖3 不同摻雜濃度條件下GH位移隨頻率變化的曲線

圖4 不同入射角條件下GH位移隨頻率變化的曲線

圖5 GH位移隨著黑磷偏轉角和層數變化圖像

3 結語

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Tunability of the Goos-H?nchen shift on the surface of black phosphorus-ZnS heterostructure

ZHANG Shuo，LI Yubo，F(xiàn)U Shufang

（School of Physics and Electronic Engineering，Harbin Normal University，Harbin 150025，China）

Based on the transmission matrix and surface phonon polaritons，a black phosphorus（BP）-ZnS heterostructure is designed to regulate the Goos-H?nchen（GH）shift of reflected beams in the far infrared region．Theoretical calculation results show that the GH shift can be tuned by controlling the charge doping density and anisotropic axis-orientation of BP，and the maximum value of GH shift can even reach 68 times vacuum wavelength．These results are of great significance for the research of new nano-optical devices．

black phosphorus；Goos-H?nchen shift；hyperbolic material

1007-9831（2022）08-0045-07

O431.1

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2022.08.010

2022-04-06

張碩（1998-），女，黑龍江齊齊哈爾人，在讀碩士研究生，從事雙曲材料表面光學性質研究．E-mail：3479277601@qq.com

付淑芳（1975-），女，黑龍江雙鴨山人，教授，博士生導師，從事雙曲材料表面光學性質研究．E-mail：shufangfu75@126.com