CN108051408B - 基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器，属于中红外技术领域的传感器件，利用了石墨烯表面等离子体特性；该传感器件为三维周期性结构，其结构组成为：硅基底层，二氧化硅衬底层，石墨烯圆盘中间层，二氧化硅隔离层，石墨烯圆盘顶层；本发明主要通过有限元方法计算模拟出中红外波段基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器的透射光谱，对传感器结构进行优化，能够在中红外频段激发出高性能法诺共振，谐振曲线对物质折射率变化敏感，具有在中红外频段进行对气体和液体的探测功能。本发明结构简单、紧凑合理，便于加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器，属于石墨烯材料在中红外波段传感器件应用领域。
背景技术
法诺共振于1961年由乌戈·法诺发现，它的光谱表现出典型的非对称线形共振。法诺共振可以在电介质和等离子体激元系统被容易地观察到，由于它在宽范围从微波到光范围延伸电磁频谱的潜在应用，已经获得了广泛的关注。与传统的洛伦兹共振不同，法诺共振在光谱上表现出的分散和非对称的线形，在制作映射领域器件具有巨大的潜力，比如传感器、慢光装置、等离激元切换器等等。从物理原理上讲，法诺共振非对称线型产生的原因是离散状态与连续状态的破坏性干涉引起的。近几年，在一些等离子体纳米结构中观察到法诺共振。在这样的等离激元纳米结构中，法诺共振起源于两种电磁模式的耦合，被称为宽带超辐射和窄带亚辐射等离子体模式。通常，两种电磁模式分别表征为偶极和高阶等离子体模式。与简单的偶极子模式相比，基于非对称法诺共振的等离子体激元器件具有窄的线宽和大的局部近场增强，可用于折射率检测，激光，滤光器和慢光器件。
中红外的频率主要是15～150THz(2μm～20μm)范围的光谱，中红外光谱在环境监测，传感和天文检测等各个领域具有非常巨大的潜力，因为许多材料的指纹落在该光谱区域。尤其是在传感领域，很多分子指纹分布在中红外波段内，这些分子指纹可以通过传感器非常精准地判断出来，这种特性让中红外波段传感器在近几年受到广泛的关注。但是，传统的传感器一般运用金属和半导体材料，具有较大的欧姆和辐射损耗，性能会受到严重的损耗，质量因子和灵敏度普遍较低。为了在中红外区域减少的损耗，等离子体激元共振(PFR)应当表现出高质量因子。该特征对于表面增强红外吸收(SEIRA)具有很强的作用，由于中红外指纹区域中的材料特异性振动吸收，可以提供分子信息。而法诺共振作为等离子体激元中一种共振形式，在中红外波段表现出了超高质量因子和高灵敏度，这表明了其在传感领域具有巨大的潜力。
由于石墨烯具有很高的电子迁移率、可调和对称的费米能级等特性，可以通过掺杂的手段来改变石墨烯的费米能级，从而改变石墨烯的性质。本传感器通过掺杂调整两层石墨烯的费米能级，可以很容易地实现明显的光谱偏移，使得光学共振与分子振动指纹重叠。同时，可以通过两层石墨烯之间的近场耦合进一步增强谐振强度，可以提高法诺共振的灵敏度与传感特性。作为新型的石墨烯材料，其加工技术也得到了广大科研工作者的研究变得日趋的成熟，最常用的加工技术是CVD法。因此本发明具有重要的科学意义和实际应用价值，在中红外传感领域实际应用中也有着一定的前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、能够在中红外波段方便地激发高性能法诺谐振的基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器。
考虑到了结构难易等要求，本发明提出了一种基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器，为基于石墨烯等离子体激元结构的可调和高灵敏度传感器的发展提供了重要的帮助。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器，该传感器为三维周期性结构，采用两层尺寸与结构相同的石墨烯圆盘进行耦合用于增强谐振；其特征在于：结构组成自下而上分别为一层硅基底层，一层二氧化硅衬底层，两层相同尺寸与结构的石墨烯圆盘以二氧化硅隔离层隔开；在石墨烯圆盘上刻蚀具有偏移的圆形刻孔。
本技术方案中的中红外波段可调谐法诺共振传感器件以石墨烯材料为基础，可以通过氧化石墨还原法来制作，器件的加工还包括光刻及刻蚀技术。本发明所述的石墨烯材料选用的费米能级能在0.1eV～1.0eV之间，这在实验上进行掺杂是很容易实现的。
本发明所述的有效增益是：
(1)本传感器结构简单紧凑，能够在中红外波段激发出法诺共振。
(2)本传感器激发出的法诺共振谐振峰跟谷较为尖锐，谐振强度大，证明激发出了性能优异的法诺共振。
(3)利用两层相同结构与尺寸的石墨烯圆盘之间的近场耦合，可以进一步提高法诺共振的谐振强度和谐振激发频率。
(4)本传感器的激发出的法诺共振可以通过掺杂手段来调节石墨烯的费米能级，从而改变法诺共振的谐振频率和谐振强度，以满足不同的需求。
(5)本传感器可以通过在传感器上放置不同物质使得折射率发生变化，从而改变传感器的透射曲线的谐振激发频率，从而实现对不同气体与液体的探测。
附图说明
图1为该传感器单元结构示意图；
图2为该传感器顶层及中间层石墨烯圆盘结构示意图；
图3为该传感器在不同石墨烯费米能级下法诺共振调谐透射谱；
图4为该传感器在不同物质折射率下法诺共振调谐透射谱；
以上图片中含有：px＝py＝100nm；d1＝10nm；d2＝10nm；h＝20nm；R1＝40nm；R2＝10nm；L＝20nm；
附图标记说明：1-硅基底层；2-二氧化硅衬底层；3-石墨烯圆盘；4-二氧化硅隔离层；5-石墨烯圆盘；6-圆形刻孔。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于该实施例。
附图1为基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器件的一个单元结构示意图。采用长和宽为px与py，厚度为h的硅作为基底层，二氧化硅衬底层的厚度为d2，中间层石墨烯圆盘厚度为1nm，半径为R1，然后在石墨烯圆盘上刻蚀半径为R2、偏移为L的圆形刻孔，石墨烯圆盘结构如附图2所示。二氧化硅隔离层的厚度为d1，顶层石墨烯圆盘的尺寸与结构同中间层石墨烯圆盘相同。
该传感器的工作原理或工作过程可通过如下内容来解释。由于石墨烯材料具有非常高的电子迁移率特性，通过对石墨烯进行掺杂，调节石墨烯的费米能级，增强了石墨烯层的电导率，使其呈现金属的性质，与二氧化硅介质和空气介质作用激发出表面等离子体共振。在这里可以采用氧化石墨还原法制作一层厚度为1nm的石墨烯薄膜，再转移到二氧化硅介质层上，通过掩膜光刻法得到石墨烯圆盘阵列。在中红外波段，当中红外电磁波垂直入射到石墨烯圆盘表面时，可以激发石墨烯圆盘的表面等离子体激元(SPPs)，产生局域表面等离子体谐振，增强对电磁波的约束。通过对石墨烯圆盘进行激光刻蚀，刻蚀出半径为R2、偏移量为L的圆形刻孔，破坏石墨烯圆盘原来的结构对称性，使得石墨烯圆盘的外边缘与圆形刻孔所在的内边缘处的表面等离子体激元同时被激发，并且外边缘与内边缘处的表面等离子体激元为反相模式，此时整个结构激发出亮态宽带模式与暗态窄带模式，这正是激发法诺共振的典型模式，它们之间的近场耦合产生了法诺共振。然后通过叠加一层二氧化硅隔离层与一层石墨烯圆盘，让两层石墨烯圆盘之间产生耦合，可以进一步提高法诺共振的谐振强度，并提高法诺共振的谐振激发频率，使其可以在更高的频率被激发，拓宽了该法诺共振的应用范围。当传感器上方通入不同的气体或者滴上不同的液体，由于这些气体或液体的折射率不同，使得传感器在中红外频段的谐振激发频率发生偏移，从而可以对这些气体或液体进行探测，最终实现传感功能。
附图3是在不同石墨烯费米能级EF下基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器的透射光谱。法诺共振的典型特征为非对称线型，即图中两个谐振谷和一个谐振峰便表示激发出了典型的法诺共振。在透射谱中，法诺共振的谐振峰跟谐振谷的透射率变化越大、线型越陡峭，证明激发出的法诺共振越好，因此图中尖锐的谐振峰和谐振谷便证明激发出了性能优异的法诺共振。通过掺杂方法调节石墨烯的费米能级，随着石墨烯的费米能级从0.5eV(0.5电子伏特)提高到0.9eV(0.9电子伏特)，法诺共振的谐振强度增强，即谐振处的透射率变化增大，谐振频率也随着费米能级的提高逐渐变大，从24-29THz移动到33-38THz，进一步提高了在中红外频段中的激发频率。
附图4是当石墨烯费米能级为0.4eV(0.4电子伏特)时，当传感器上方物质发生改变时，物质折射率变化所引起的传感器透射曲线的变化，当折射率n从1.1变化到1.5时，法诺共振谐振峰的位置从22.4THz偏移到20.7THz，于是便可以从谐振峰的位置变化判断待测气体或液体的物质成分。
Claims (3)
1.一种基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器，该传感器为三维周期性结构，采用两层尺寸与结构相同的石墨烯圆盘进行耦合用于增强谐振；其特征在于：结构组成自下而上分别为一层硅基底层，一层二氧化硅衬底层，两层相同尺寸与结构的石墨烯圆盘以二氧化硅隔离层隔开；在石墨烯圆盘上刻蚀具有偏移的圆形刻孔，顶层及中间层石墨烯圆盘的半径R1为40nm，圆形刻孔的半径R2为10nm，圆形刻孔偏移L为20nm。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器，其特征在于：硅基底层厚度h为20nm，二氧化硅衬底层厚度d2为10nm，二氧化硅隔离层厚度d1为10nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的双层耦合型法诺共振传感器，其特征在于：用于增强谐振强度的双层石墨烯圆盘的尺寸与石墨烯圆盘中圆形刻孔的大小与圆孔偏移量相同。
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| Higher order Fano graphene metamaterials for nanoscale optical sensing;Xiangdong Guo;《Nanoscale》;第14998-15004页 * |
| 石墨烯介质堆栈提高系统调控Fano共振能力;卞立安;刘培国;陈雨薇;李高升;;激光技术(第02期);全文 * |
| 石墨烯纳米结构的局域表面等离激元共振特性研究;曹兆霞;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 (工程科技Ⅰ辑)》;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108051408A (zh) | 2018-05-18 |
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