图1. 器件示意图和工作原理。（a）光电探测器的示意图。（b）器件设计的侧视图。（c）光学图像。（d&e）沿不同方向偏振时，模拟的总电场强度的横截面图。
　　该设计（如图1a-c所示）结合了多种机制，以实现两种入射光偏振的高场集中。具体而言，当光平行于领结型天线轴偏振时（横磁，TM偏振，图1d），会激发光谱位于λ≈5-7 μm的局部表面等离激元共振（LSPR）。天线将入射的中红外光集中到其间隙中，恰好位于石墨烯pn结上方（即探测器光敏区域）。同时，在天线热点内产生的近场包含较高的动量，从而有效地发射归因于天线LSPR与hBN上剩余射线频带（RB）范围（λ≈6-7 μm）频谱重叠的HPPs。这些HPPs作为传导模式传播，并在石墨烯pn结内发生干涉，从而在较小的局部区域产生高吸收。同样，当光垂直于领结型天线轴偏振时（横电，TE偏振，图1e），会在H形天线的间隙中产生强的光集中，充当分离栅极，再次归因于其LSPR频谱位于λ≈5.5-7.5 μm。这种现象还将在栅极边缘发射hBN HPPs，这将在光敏区域内被传导并受到干涉。石墨烯中的吸收过程主要由带间跃迁来介导，发生在栅极间隙内的区域，其中的石墨烯掺杂足够小以避免Pauli阻塞。除了HPPs促进石墨烯吸收外，它们自身也吸收光。但是，由于石墨烯电子与晶格之间存在较大的热电容失配（~103），因此HPP吸收不会导致任何有意义的温度升高，因此不会有助于器件PTE响应。

　　图2. 光电流产生和光谱光响应。（a）扫描光电流成像。（b）在λ=6.6 μm处，光电流成像与两个栅极电压的关系。（c&d）对于TM偏振和TE偏振，器件的实验和理论光谱外部响应率。
　　为了揭示聚焦在λ=6.6 μm处光束的空间强度分布，扫描样品并测量光电流（IPTE），如图2a所示。观察到光束的Airy图案，这意味着在此波长下获得了聚焦良好的光束和高灵敏度。接下来，研究光响应与两个栅极电压（VL和VR）的关系，如图2b所示，揭示了光电流机制和最佳掺杂水平。当独立扫描栅极电压时，光电流遵循多个符号变化，从而形成6倍图案，这表明光电探测受PTE效应驱动。光电流的最大值出现在pn或np结构下，特别是在VL=1.6 V（170 meV）和VR=-0.82 V（-130 meV）时，这是较低的掺杂水平。注意到，在石墨烯沟道中施加电压偏置时，光电流保持恒定，而源-漏电流随偏置线性增加，因此可以忽略光浮栅效应和辐射热效应。为了确定光电探测器的光谱响应，测量了TM偏振（图2c）的外部响应率与激发波长的关系。在hBN RB处，可在6-7 μm范围内获得高达15 mA/W的高值。而另一方面，对于TE偏振（图2d），观察到两个响应峰，第一个响应峰（高达22 mA/W）再次出现在hBN RB（6-7 μm）内，第二个响应峰（3.5 mA/W）在8 μm左右。可以观察到实验和理论响应之间具有非常好的定性和定量一致性。

　　图3. 吸收增强光谱。（a&b）对于TM和TE偏振，沿源-漏方向，石墨烯（G）的吸收增强与波长关系的模拟。（c&d）分别对应于（a）和（b），但具有与hBN无关的波长折射率（n=2.4）。
　　首先，通过研究沿x方向跨沟道石墨烯中的吸收增强（G）以及波长的函数，从场强增强和空间局域性方面确定共振机制的行为，如图3所示。当TM偏振时（图3a），在天线LSPR处观察到非常高的G值（λ~6 μm）。由于hBN HPPs与天线LSPR的杂化以及在x~±100 nm处传播的HPPs的相长干涉，G的峰值在6.8 μm左右。实际上，hBN中HPP传播角的波长依赖性导致了G的不同空间模式。对于更长的波长，发现在7到7.3 μm之间的G可以忽略不计，对应于hBN横向光学（TO）声子。观察到最高的G值仅在天线和栅极重叠的空间受限区域（x~-100至100 nm），并且该区域被设计为与石墨烯pn结重合。然而，在hBN RB中，由于HPP传播，在这个紧密局域化的区域之外发现了较大的G值。对于TE偏振（图3b），由于栅极LSPR与HPP的杂化以及它们在x=0处的强烈的相长干扰，发现G的最大值在6.2和6.6 μm之间。对于更长的波长，确定了以8.5 μm为中心的G峰，对应于SiO2声子-极化激元（PPs）与栅极LSPR的杂化。
　　为了进一步阐明天线在G中的作用，对于hBN，使用与波长无关的折射率值来模拟没有HPPs贡献的系统（图3c和d）。对于TM偏振（图3c），观察到一个6 μm左右的峰，对应于天线LSPR，其共振尾部延伸到8 μm。相比之下，对于TE偏振，由于栅极的复杂形状及其与源-漏接触的相互作用，图3d显示了在更宽波长范围（5.5-7.5 μm）内的高G值。尽管在图3d中观察到的G值比图3c低，当将栅极LSPR与HPPs结合时，在TE偏振中获得了更高的G值（图3b），这归因于其与hBN RB较高的光谱重叠，以及由于栅极激发的HPPs较强的相长干涉。

　　图4. 模拟的响应率和NEP对天线和H形门几何形状的依赖性。（a）不同天线长度下TM偏振响应率的模拟。（b&c）在λ=6.5 μm处TE偏振时，响应率和NEP随栅极尖端宽度和长度变化的仿真。
　　为了评估领结型天线LSPR与hBN HPPs之间的耦合，对于TM偏振研究了响应率与天线长度的关系，如图4a所示。当在hBN RB范围内使用非谐振天线（绿色）时，观察到了一些hBN HPPs激发，在这种情况下，获得了4 mA/W的最大响应率。对于半谐振天线（蓝色），其LSPR与RB频谱范围部分重叠，响应率提高到17 mA/W。但是，如果使用更长的天线（红色），使其LSPR峰与hBN HPPs峰完全重叠，则可以显著改善这一点，响应率达到65 mA/W。
　　接下来，通过改变栅极尖端和石墨烯的宽度和长度，同时保持源-漏极的距离和宽度固定，如图4b和c所示，研究了H形栅极对响应率和NEP的影响。从图4b中可以看出，当将尖端宽度减小到最佳值500 nm时，响应率（NEP）增大（减小）。这归因于吸收，电阻和热导的平衡作用：较大的吸收和较低的热导增加了温度梯度，但是较小的电导也降低了光电流，从而降低了响应率。但是，对于栅极尖端长度的情况下，发现最佳值约为1.45 μm，大于实验值（855 nm），这表明了将来的设计和性能改进。这些结果突出了栅极和石墨烯沟道形状对PTE性能的重要性，以及多物理场建模在理解和优化这种复杂器件中的重要作用。