CN106707559A - 基于石墨烯二维超材料的功能器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于石墨烯二维超材料的功能器件，其包括在衬底上顺序设置的反射层、介质层以及石墨烯微纳结构层，其中，所述石墨烯微纳结构层包括排布的多个石墨烯组合单元，每一个石墨烯组合单元包括排列的多个石墨烯散射单元，所述多个石墨烯散射单元的结构彼此相同。本发明通过改变石墨烯散射单元的排列方式，可以实现不同功能的功能器件。在这些功能器件中，通过利用单电极统一调制石墨烯散射单元的费米能级，以调控石墨烯散射单元的共振频率，结合石墨烯的高迁移率特性，可以实现对入射光传输的动态调控。此外，由于在石墨烯二维超材料中产生PB相移的反射光强较大，因此可获得较高的转换效率。

Description

基于石墨烯二维超材料的功能器件

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体地讲，涉及一种基于石墨烯二维超材料的功能器件。

背景技术

二维超材料又称为超表面，其是由分立的、具有不同散射相位的散射体按照一定的规则排布而形成的功能器件。这种新颖的功能器件的设计理念首先是由Yu Nanfang等在Science期刊第334卷333页提出的。

通过设定层面内散射体的相位突变空间分布规则，超表面不仅能实现如异常反射/透射界面、会聚/发散透镜、全息成像及旋光等传统功能，还能产生反常光子自旋霍尔效应等新奇的光学现象，这是传统光学器件所无法实现的。然而大多数二维超材料都基于金属或介质结构，它们一经制备功能就固定不变，无法实现动态的调节。

石墨烯在中远红外及太赫兹波段的电磁特性受其费米能级(载流子浓度)影响很大，因此可通过外加偏压控制注入载流子浓度及其电磁特性。2013年，Carraso等在Applied Physics Letters第102卷104103页说明了用石墨烯块设计可重构的反射阵列的可行性。之后，Advanced Optical Materials第2卷794页、Scientific Reports第5卷12423页、Applied Physics Letters第107卷053105页分别介绍了用一维石墨烯条带设计的异常反射界面、会聚透镜和光束扫描器件的工作。

然而之前文献中报道的石墨烯超材料，仅可实现一维电磁特性调控，并且每个石墨烯条带需独立偏置电压以调制其散射相位，其驱动电路的设计很难实现。此外，由于石墨烯条带的散射场强不同而引起的高阶衍射效应，以及欧姆损耗，导致这些石墨烯超材料的转换效率均很低，极大地限制了石墨烯超材料的应用空间。

因此，现有技术还有待改进和发展。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于石墨烯二维超材料的功能器件，其包括在衬底上顺序设置的反射层、介质层以及石墨烯微纳结构层，其中，所述石墨烯微纳结构层包括排布的多个石墨烯组合单元，每一个石墨烯组合单元包括排列的多个石墨烯散射单元，所述多个石墨烯散射单元的结构彼此相同。

进一步地，所有石墨烯散射单元的费米能级通过单一电极调控。

进一步地，所述石墨烯散射单元为矩形结构或椭圆形结构。

进一步地，当所述石墨烯散射单元为矩形结构时，所述多个石墨烯组合单元以阵列排布的方式进行排布。

进一步地，所述多个石墨烯散射单元的排列方式具体为：沿着第一方向，以所述石墨烯散射单元的长度方向与所述第一方向的夹角依次递增π/8的排列方式间隔排列所述多个石墨烯散射单元。

进一步地，所述功能器件为太赫兹波分光器。

进一步地，当所述石墨烯散射单元呈椭圆形结构时，所述多个石墨烯组合单元沿着第二方向间隔排布。

进一步地，所述多个石墨烯散射单元沿着第一方向间隔排列，其中，第i个石墨烯散射单元的长轴方向与所述第一方向的夹角θ_i满足式子1，

[式子1]

其中，λ₀表示入射光的波长，f₀为一预定值，x_i表示第i个石墨烯散射单元的位置坐标值。

进一步地，所述多个石墨烯组合单元沿着第二方向间隔排布。

进一步地，所述功能器件为太赫兹波平面会聚反射阵列器件。

进一步地，所述反射层为金属反射层。

本发明的有益效果：在本发明中，通过改变石墨烯散射单元的排列方式，可以实现不同功能的功能器件。在这些功能器件中，通过利用单电极统一调制石墨烯散射单元的费米能级，以调控石墨烯散射单元的共振频率，结合石墨烯的高迁移率特性，可以实现对入射光传输的动态调控。此外，由于在石墨烯二维超材料中产生PB相移的反射光强很大，因此可获得较高的转换效率。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例的石墨烯二维超材料基本单元的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是根据本发明的一实施例的基于石墨烯二维超材料的功能器件的结构示意图；

图4是图3的俯视图；

图5是根据本发明的一实施例的太赫兹波分光器的反射角与入射光波长的关系图；

图6是根据本发明的一实施例的太赫兹波分光器在不同费米能级下其异常反射光的光谱；

图7是根据本发明的另一实施例的基于石墨烯二维超材料的功能器件的结构示意图；

图8是图7的俯视图；

图9是根据本发明的另一实施例的太赫兹波平面会聚反射器件的聚焦光强分布图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

图1是根据本发明的实施例的石墨烯二维超材料基本单元的结构示意图。

参照图1，根据本发明的实施例的石墨烯二维超材料基本单元包括：顺序设置在衬底110上的反射层120、介质层130和石墨烯散射单元140。在本实施例中，可通过标准的光刻、电子束光刻、刻蚀等微纳加工方法制作石墨烯散射单元140。

反射层120的厚度至少为100纳米，其对中远红外光及太赫兹波的反射率要高于95％。在本实施例中，反射层120可以为金属反射层，其制作材料可包括但不限于金、银、铝、铜；但本发明并不限制于此。例如反射层120也可以为介质反射层。

介质层130不应对中远红外光及太赫兹波有较强的吸收。在本实施例中，介质层130的对中远红外光及太赫兹波吸收率应不大于30％。此外，介质层130既可以采用二氧化硅、二氧化钛和氟化镁等常用光学介质材料，又可采用PMMA或树脂等有机聚合物材料制成。

图2是图1的俯视图。参照图2，在本实施例中，石墨烯散射单元140呈矩形结构，但本发明并不限制于此，例如，石墨烯散射单元140也可呈椭圆形结构、H形结构。优选地，石墨烯散射单元140的长宽比约为2∶1。在XY坐标系中，石墨烯散射单元140的长度方向与X轴方向具有一定的夹角θ。另外，需要说明的是，本申请中所说的“矩形结构”和“椭圆形结构”是指：石墨烯散射单元在图2、图4或图8示意的俯视角度观测到的形状为矩形和椭圆形。

此外，在本实施中，石墨烯散射单元140的最大线径介于100nm～20μm之间，具体根据设计的调制波段选择。一般情况下，设计的调制波段位于散射共振频率附近。散射共振频率其中，L为石墨烯散射单元140的最大线径。

参照图1和图2，在坐标系XY内，当圆偏振光A入射时，其将同时受到石墨烯散射单元140的散射和金属层120和介质层130的共同反射作用。以圆偏振光A为左旋圆偏振光为例，实际散射光的偏振特性将发生改变，散射光中同时含有左旋和右旋成分，散射场可以视为左旋和右旋偏振光的线性叠加。

进一步地，当左旋圆偏振光入射时，散射场中右旋圆偏振光将会有2θ的几何相位突变。若圆偏振光A以右旋圆偏振光为例，同样地，当右旋圆偏振光入射，则散射场中的左旋圆偏振光将获得-2θ的几何相位突变，这种几何相位称为PB(Pancharatnam-Berry)相位。

这样，在散射场中，仅具有相位突变的正交偏振光可实现石墨烯二维超材料的空间相移分布，因此这部分光的能量比例是石墨烯二维超材料的转换效率。进一步地，在本实施例中，可通过调节介质层130的厚度来提高该转换效率。理论上，无能量损耗时可实现100％的转换效率。

通过控制多个石墨烯散射单元140的排列方式，以形成不同的功能器件。在这些不同的功能器件中，所有石墨烯散射单元140的费米能级通过单一电极调控。以下将对基于石墨烯二维超材料的功能器件进行描述。

图3是根据本发明的一实施例的基于石墨烯二维超材料的功能器件的结构示意图。图4是图3的俯视图。

参照图3和图4，根据本发明的实施例的基于石墨烯二维超材料的功能器件包括：在衬底110上的反射层120、介质层130以及石墨烯微纳结构层200，其中，石墨烯微纳结构层200包括排布的多个石墨烯组合单元210，每一个石墨烯组合单元210包括排列的多个石墨烯散射单元140，所述多个石墨烯散射单元140的结构彼此相同。

具体而言，多个石墨烯组合单元210以阵列排布的方式进行排布。每个石墨烯散射单元140都呈矩形结构。为了使所有石墨烯散射单元140的费米能级通过单一电极调控，在本实施例中，例如可在石墨烯微纳结构层200上设置一透明电极层，通过向该透明电极层通电来调控所有的石墨烯散射单元140。在本实施例中，该透明电极层可由氧化铟锡(ITO)制成，但本发明并不限制于此。

在本实施例中，针对每一个石墨烯组合单元210，其包括的多个石墨烯散射单元140的排列方式具体为：沿着第一方向以夹角θ依次递增π/8的排列方式间隔排列多个石墨烯散射单元140，即排列8个石墨烯散射单元140，这样PB相位依次递增4/8；其中，石墨烯散射单元140的长度方向与第一方向具有一定的夹角θ。在本实施例中，在XY坐标系中，X轴方向表示第一方向，Y轴方向表示第二方向。

这样，根据以上描述的石墨烯散射单元140的排列方式形成的功能器件为太赫兹波分光器。当然，应当理解的是，通过改变石墨烯散射单元140的排列方式，可以形成预先设计的功能器件。

图5是根据本发明的一实施例的太赫兹波分光器的反射角与入射光波长的关系图。参照图5，当圆偏振太赫兹波正入射时，其正交偏振光会发生异常反射现象，异常反射角度α＝arcsin(λ/Γ)，其中，λ为太赫兹波波长，Γ为石墨烯组合单元210的长度。在本实施例中，针对不同波长的太赫兹波的异常反射角度，有限元仿真结果与理论设计结果相符。由此可知，太赫兹波分光器能将不同频率的太赫兹波反射到不同方向上。

图6是根据本发明的一实施例的太赫兹波分光器在不同费米能级下其异常反射光的光谱。参照图6，只有接近石墨烯散射单元140电偶极共振频率的太赫兹波才能被有效地散射，且通过调制石墨烯的载流子浓度(费米能级)，石墨烯散射单元140的电偶极共振频率将移动，因此可通过电学方法实现太赫兹波的频谱选择功能。

图7是根据本发明的另一实施例的基于石墨烯二维超材料的功能器件的结构示意图。图8是图7的俯视图。

参照图7和图8，根据本发明的另一实施例的基于石墨烯二维超材料的功能器件包括：在衬底110上的反射层120、介质层130以及石墨烯微纳结构层300，其中，石墨烯微纳结构层300包括排布的多个石墨烯组合单元310，每一个石墨烯组合单元310包括排列的多个石墨烯散射单元140，所述多个石墨烯散射单元140的结构彼此相同。

具体而言，所述多个石墨烯组合单元310沿着第二方向周期性间隔排布。每个石墨烯散射单元140都呈椭圆形结构。为了使所有石墨烯散射单元140的费米能级通过单一电极调控，在本实施例中，例如可在石墨烯微纳结构层200上设置一透明电极层，通过向该透明电极层通电来调控所有的石墨烯散射单元140。在本实施例中，该透明电极层可由氧化铟锡(ITO)制成，但本发明并不限制于此。

在本实施例中，针对每一个石墨烯组合单元310，其包括的多个石墨烯散射单元140的排列方式具体为：所述多个石墨烯散射单元140沿着第一方向间隔排列，其中，第i个石墨烯散射单元140的长轴方向与第一方向的夹角θ_i满足式子1，

[式子1]

其中，λ₀表示入射光的波长，f₀为一预定值，x_i表示第i个石墨烯散射单元的位置坐标值。

这样，根据以上描述的石墨烯散射单元140的排列方式形成的功能器件为太赫兹波平面会聚反射器件。当然，应当理解的是，通过改变石墨烯散射单元140的排列方式，可以形成预先设计的功能器件。

进一步地，所述的太赫兹波平面会聚反射器件能将入射的太赫兹波会聚于一条平行于Y轴的直线上。若将石墨烯散射单元140按旋转对称的方式排列，太赫兹波能够会聚于一点，因此可根据实际需求合理排列石墨烯散射单元140。

预先对太赫兹波平面会聚反射器件进行了设计，其焦距被预先设定为300μm，即f₀为300μm；每个石墨烯组合单元310被设计为包括50个石墨烯散射单元140，并且每个石墨烯散射单元140的长轴和短轴的长度分别为4μm和2μm；相邻两个石墨烯散射单元140之间的间隔为8μm；入射的太赫兹波的波长为58μm。

参照图8和图9对预先设计的太赫兹波平面会聚反射器件的聚焦光强分布进行说明。图9是根据本发明的另一实施例的太赫兹波平面会聚反射器件的聚焦光强分布图。

参照图8和图9，即使在如此小的数值孔径下，太赫兹波平面会聚反射器件的焦点附近的光强度仍增强了5倍，表明基于石墨烯二维超材料的功能器件具有很高的转换效率。

综上所述，根据本发明的实施例，通过改变石墨烯散射单元的排列方式，可以实现不同功能的功能器件。在这些功能器件中，通过利用单电极统一调制石墨烯散射单元的费米能级，以调控石墨烯散射单元的共振频率，结合石墨烯的高迁移率特性，可以实现对入射光传输的动态调控。此外，由于在石墨烯二维超材料中产生PB相移的反射光强很大，因此可获得较高的转换效率。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯二维超材料的功能器件，其特征在于，包括在衬底上顺序设置的反射层、介质层以及石墨烯微纳结构层，其中，所述石墨烯微纳结构层包括排布的多个石墨烯组合单元，每一个石墨烯组合单元包括排列的多个石墨烯散射单元，所述多个石墨烯散射单元的结构彼此相同。

2.根据权利要求1所述的功能器件，其特征在于，所有石墨烯散射单元的费米能级通过单一电极调控。

3.根据权利要求1或2所述的功能器件，其特征在于，所述石墨烯散射单元为矩形结构或椭圆形结构。

4.根据权利要求3所述的功能器件，其特征在于，当所述石墨烯散射单元为矩形结构时，所述多个石墨烯组合单元以阵列排布的方式进行排布。

5.根据权利要求4所述的功能器件，其特征在于，所述多个石墨烯散射单元的排列方式具体为：沿着第一方向，以所述石墨烯散射单元的长度方向与所述第一方向的夹角依次递增π/8的排列方式间隔排列所述多个石墨烯散射单元。

6.根据权利要求5所述的功能器件，其特征在于，所述功能器件为太赫兹波分光器。

7.根据权利要求3所述的功能器件，其特征在于，当所述石墨烯散射单元为椭圆形结构时，所述多个石墨烯组合单元沿着第二方向间隔排布。

8.根据权利要求7所述的功能器件，其特征在于，所述多个石墨烯散射单元沿着第一方向间隔排列，其中，第i个石墨烯散射单元的长轴方向与所述第一方向的夹角θ_i满足式子1，

[式子1] ${\mathrm{\θ}}_i=\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\left(\sqrt{x_i^2-f_0^2}-f_0\right)$

其中，λ₀表示入射光的波长，f₀为一预定值，x_i表示第i个石墨烯散射单元的位置坐标值。

9.根据权利要求7所述的功能器件，其特征在于，所述功能器件为太赫兹波平面会聚反射阵列器件。

10.根据权利要求1所述的功能器件，其特征在于，所述反射层为金属反射层。