CN107436192A - 一种基于石墨烯/金属纳米带结构的近红外吸收体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于石墨烯/金属纳米带结构的近红外吸收体，属于电磁波完美吸收体。当入射波照射到金属纳米带阵列时，入射波在金属纳米带激发磁共振效应，从而使入射波的能量在金属纳米带缝隙处显著增强，在金属纳米带上下各加入一层石墨烯之后，增强的电磁波能量与上下石墨烯层作用并被吸收，整体结构达到对共振波长电磁波能量的近完美吸收。本发明具有五层结构，从下到上依次包括：(1)基底、(2)绝缘层(3)第一石墨烯层、(4)金属纳米带、(5)第二石墨烯层，通过调整结构几何参数可以达到对特定波长的近完美吸收。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种基于石墨烯/金属纳米带结构的近红外吸收体的结构设计，实现了对近红外波段电磁波的近完美吸收。
背景技术
在光电探测、太阳能、热传感、隐身技术等诸多领域，都对光电材料的吸收性能有着较高的要求，都需要对电磁波的能量有较高的吸收率。如光电探测、光伏器件等光电器件，都依赖于光电材料将吸收的光转化为电能或者电信号来实现其功能，在转化效率一定的情况下，吸收的光越多，产生的电信号的强度就越大，光电器件整体的效率就越高。然而由于反射和散射效应，实现对特定电磁波波长的高吸收绝非容易。
2008年，Landy等首次提出了完美吸收的概念，他们在以电磁波谐振器为周期单元的超材料完美吸收器中，实现了对电磁波高达96％的近完美吸收，吸收频率约为11.5GHz。2009年，Landy等人又提出了一种偏振无关的超材料完美吸收器，这种吸收器的底层是一个十字型共振器，在顶层也是一种对称的改进型电耦合环型共振器，中间由一层电介质层分隔开。由于这种结构关于传播方向具有四重转动对称性，因此这种近完美吸收器可以工作在任意偏振情况下。模拟这种结构，在1.13THz波长处吸收峰值可以达到95％，而实验测量这种结构也在1.145THz处得到了77％的吸收率。2012年，Shen等人又利用相互嵌套的闭合环共振器结构，实现了太赫兹波段的三波段吸收器，很好的解决了类似结构吸收体吸收带宽较小的问题。然而，以上吸收器都工作在微波或者太赫兹波段，所以采用了开口环或者闭合环共振器，而在热门的红外波段以及光波段，因为尺度问题很难制作和组装这种共振器来实现高吸收。
近年来二维光电材料在全世界范围内吸引了广泛的研究兴趣，并取得了重要进展。二维光电材料具有光电响应频谱范围广、厚度薄以及极强的柔性等优点，在太阳能电池、光电探测器等领域具有极为重要的应用潜力。然而，由于二维光电材料仅仅由单层或者数层原子组成，其对光的吸收通常都较弱，如石墨烯，是单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状结构材料，具有零带隙能带结构、良好的导电性、超高的电子迁移率、近弹道输运、量子霍尔效应等奇特的物理化学特性，使其成为凝聚态物理研究的热点，不过由于其单原子厚度的结构，使之在可见和近红外波段对光的吸收仅为2.3％，这极大的限制了二维光电材料的整体光电效率。而鉴于石墨烯优异的光电应用前景，将石墨烯引入到金属纳米结构之中，利用金属纳米超材料的诸多奇特光学特性，增强石墨烯对可见和近红外波段光的吸收、简化吸收体结构制作难度，逐渐成为设计新型完美吸收体的一种新的思路。
在这种设计理念指导之下，2014年，Zhao等人将石墨烯引入到周期性银纳米光栅结构中，利用高深宽比的银光栅激发磁激元共振(MP)以及石墨烯的电阻效应来提高石墨烯的吸收率，实现了完美吸收，不过由于这种深光栅在加工中难度较大，不利于实际的应用。2015年，厦门大学的团队亦将石墨烯引入到吸收体结构之中，结合金纳米带激发局域表面等离激元效应，实现了对可见光波段的吸收，不过吸收率不甚理想。2016年，四川大学的团队将石墨烯引入金属浅光栅结构，通过在浅光栅激发磁共振，实现了增强石墨烯近红外吸收的目的。结果表明在特定波长，石墨烯对电磁波的吸收增大了16倍，但是整体结构的吸收率只有60％，依旧不能实现对特定波长的完美吸收。所以，在引入石墨烯实现完美吸收的同时，尽量的简化吸收体结构的加工难度，成为了一个值得研究并解决的矛盾问题。
发明内容
本发明要解决的问题是，针对目前近红外电磁波完美吸收材料的缺乏及加工难度大，提出了一种基于石墨烯/金属纳米带结构的近红外完美吸收体的结构设计方案，设计不同的绝缘层厚度、金属纳米带尺寸，可实现对特定波长电磁波的近完美吸收。所涉及的结构设计方案，结构简单紧凑，便于实际的加工与应用。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于石墨烯/金属纳米带结构的近红外吸收体，以下从结构特征、仿真结果、物理机制三个方面进行详细阐述。
所述吸收体复合结构特征如下：
本发明为5层结构，分别为基底、绝缘层、第一石墨烯层、金属纳米带、第二石墨烯层。
基底材料为银，其将电磁波反射并局限在上层结构中，防止电磁波透射。厚度为100nm。
绝缘层位于基底之上，材料为三氧化二铝，设计厚度为5-15nm，不同的绝缘层厚度对应不同的吸收峰波长。
第一石墨烯层沉积在绝缘层上，为单层石墨烯层，与金属纳米带形成周期性排布的空气缝隙，有效的提高复合结构对光能量的吸收率。
金属纳米带为银，排列周期180-300nm，空占比控制在0.75-0.9(空占比＝纳米带宽度/纳米带排列周期)，即根据不同的排列周期，银纳米带实际宽度在135nm-225nm之间；银纳米带高度为10-30nm。
第二石墨烯层位于银纳米带之上，与银纳米带、第一石墨烯层形成周期性排布的空气缝隙，增加对入射波能量的吸收，在第一层石墨烯的基础上，有效的提高器件对光能量的吸收率。
仿真结果表明：本发明所涉及的基于石墨烯/金属纳米带阵列的近红外完美吸收体，能实现对特定波长入射波能量的近完美吸收(吸收率大于90％)；通过选取不同的绝缘层厚度、银纳米带尺寸，可以达到设计吸收峰值对应波长的目的，具体仿真结果详见说明书附图。该吸收体具有制作简单、厚度小、入射角度大的特性，在电磁能量吸收、转换等领域具有广泛的应用前景。
该结构在近红外光波段实现近完美吸收的产生机理如下：
在本发明所涉及的亚波长超材料完美吸收体结构中，通过磁激元共振(MP)的激发以及石墨烯的吸收实现了对近红外波的近完美吸收：当TM波入射到结构表面时，入射波的磁场分量平行于金属纳米带。在入射波的作用下，金属纳米带的截面两边分别出现正负电荷的积聚，由此在顶部形成了一个电偶极矩，在电偶极矩的作用下，金属纳米带中产生了感应电流，由于基底也为金属，则金属基底与上层金属纳米带产生了反向感应电流。而介质层中，变化的电场产生了位移电流，整个结构由此产生了一个闭合的环流，产生了一个净余的磁矩，该磁矩平行于入射波的磁场分量，并且与入射波的磁场方向相反，因此，磁场被强烈束缚在金属纳米带与金属基底之间，即绝缘层中。入射波能量一部分转化为金属中的热能，正因为如此，这种强烈的局部增强光吸收效应才被称作磁激元共振(MP)。同时，为了达到对入射波的近完美吸收，在MP引起的局部光场增强的前提下，在局部能量增强最为明显的银纳米带上下界面分别引入石墨烯层。此时，由于石墨烯层附近的光场在MP模式的激发下显著增强，石墨烯对光的吸收也将得到显著增强。在MP模式与石墨烯增强吸收的双重作用下，实现了整个结构对特定波长的近完美吸收。
为了便于解释并预测亚波长超材料完美吸收体的结构特性对共振波长的影响，可以采用等效RLC回路模型的研究方式对其做进一步的分析预测：当入射波(考虑TM波)照射到具有银纳米带结构的表面时，入射波的磁场分量与银纳米带平行，根据楞次定律，周期性变化的磁场分量将在银纳米带狭缝周围产生感应电流，继而会激发感应磁场。在这个过程中，绝缘层使银纳米带与银基底隔开，可以看做一个电容器，银纳米带及银基底均可等效为电感，石墨烯层视作一个电阻，这是一个典型的RLC回路模型。所以，当入射波频率与该结构的电路模型的固有频率相等时，整个结构将实现对入射波能量的强烈吸收。在RLC回路中，谐振波长与(LC)1/2成正比，所以，当改变银纳米带尺寸、Al2O3绝缘层厚度时，谐振波长均会发生明显变化，详见附图3、附图4。
附图说明
图1为本发明所涉及的近红外吸收体的三维示意图。
图2为本发明所涉及的近红外吸收体的主要反应区的二维示意图。
图3为本发明所涉及的近红外吸收体在不同的银纳米带宽度下的吸收率图，绝缘层厚度为7nm；银纳米带排列周期为180nm，高20nm，图中曲线从左至右分别对应银纳米带宽度a＝100nm、120nm、140nm、160nm。
图4为本发明所涉及的近红外吸收体在不同的绝缘层厚度下的吸收率图，银纳米带分布情况：排列周期为180nm，间距为40nm，高20nm；图中曲线从左至右分别对应绝缘层厚度b＝15nm、13nm、11nm、9nm、7nm和5nm。
具体实施方式
如图1所示，一种基于石墨烯/金属纳米带结构的近红外吸收体，其特征在于它包括基底、石墨烯、金属纳米带。基底包括(1)银基底、(2)氧化物绝缘层，石墨烯层包括(Ⅰ)第一石墨烯层、(Ⅱ)第二石墨烯层，其中第一石墨烯层直接位于绝缘层之上、金属纳米带之下，第二石墨烯层设置在金属纳米带之上。
最下层基底为银，其将电磁波反射并局域在上层结构中，防止电磁波透射，厚度为100nm。
绝缘层位于基底之上，选用在近红外波段低损耗的介质材料：三氧化二铝，设计厚度为5-15nm。
第一石墨烯层沉积在绝缘层上，为单层石墨烯。
金属纳米带材料为银，排列在第一石墨烯层之上，纳米带阵列排列周期180-300nm，空占比0.75-0.9，纳米带高度为10-30nm。
第二石墨烯层沉积在银纳米带之上，与银纳米带、第一石墨烯层形成周期性排布的空气缝隙，增加对局域光能量的吸收。
Claims (5)
1.一种基于石墨烯/金属纳米带结构的近红外吸收体，基于磁共振原理增强石墨烯对近红外波能量的吸收，通过设计不同的绝缘层厚度、金属纳米带尺寸，可实现对特定波长电磁波的近完美吸收，特征在于它包括基底、石墨烯、金属纳米带阵列，基底包括(1)银基底、(2)绝缘层，石墨烯层包括(Ⅰ)第一石墨烯层、(Ⅱ)第二石墨烯层，其中第一石墨烯层直接位于绝缘层之上、金属纳米带之下，第二石墨烯层设置在金属纳米带之上，即位于结构的上表面。
2.根据权利要求1所述一种基于石墨烯/金属纳米带结构的近红外吸收体，其特征在于基底为银，其厚度为100nm。
3.根据权利要求1所述一种基于石墨烯/金属纳米带结构的近红外吸收体，其特征在于绝缘层为三氧化二铝，厚度为5nm-15nm。
4.根据权利要求1所述一种基于石墨烯/金属纳米带结构的近红外吸收体，其特征在金属纳米带材料为银，银纳米带阵列排列周期180-300nm，空占比控制在0.75-0.9，银纳米带高度为10-30nm。
5.根据权利要求1所述一种基于石墨烯/金属纳米带结构的近红外吸收体，其特征在于双层石墨烯分别位于银纳米带上下。
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