CN109164067A - 一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器 - Google Patents

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刘帅
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Abstract

本发明提供一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，包括光耦合结构和侧端栅电压的调节装置，所述侧端栅电压的调节装置为周期性共面石墨烯纳米条端部设置的电极，所述侧端栅电压的调节装置用于施加电压，形成回路；所述光耦合结构包括周期性共面石墨烯纳米条对阵列和电介质衬底，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列周期性排列在电介质衬底上，上方置于空气中。

Description

一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器
技术领域
本发明涉及石墨烯微纳米光学器件领域，具体涉及一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器。
背景技术
表面等离子体(SPs)是光学驱动局域在金属-电介质界面处自由电子的集体震荡。外界光子和表面等离子体之间的强耦合作用称为表面等离子体极化，这种耦合作用将产生表面等离子体共振(SPR)，并且对金属-电介质界面处介质环境的变化较为敏感，因此SPR技术常被运用于传感分析和光学开关等领域。
石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，其零带隙能带结构以及高的载流子迁移率，使其具有宽光谱和高响应速率。石墨烯基的纳米结构可以支持高度受限的等离子体模，同时由于石墨烯的电导率可以通过掺杂和门控电压改变费米能级的方法实现动态调节，使得石墨烯基传感、光开关等器件具有广泛的应用前景。
基于石墨烯纳米带阵列传感器及光开关，实质上是在电介质层(石英衬底)中心排列石墨烯纳米带形成的双周期光栅。本设计主要通过改变石墨烯层上下界面环境折射率以及调节石墨烯纳米带端电压实现透射峰的移动，进而引申到石墨烯基传感器及光开关的设计。
发明内容
有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，具有较高的灵敏度，更快的响应时间，以及光学参数可调节等特点，同时耦合器件尺寸小，便于集成。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，包括光耦合结构和侧端栅电压的调节装置，所述侧端栅电压的调节装置为设置在周期性共面石墨烯纳米条端部的电极，所述侧端栅电压的调节装置用于施加电压，与光耦合结构形成回路；所述光耦合结构包括周期性共面石墨烯纳米条对阵列和电介质衬底，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列周期性排列在电介质衬底上，上方置于空气中。
进一步地，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列中的石墨烯纳米条对按周期为400nm排列。
进一步地，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列中周期性共面石墨烯纳米条的宽度为90nm，石墨烯纳米条的间距为60nm。
进一步地，所述电介质衬底的厚度为140nm，折射率为1.4～1.6。
进一步地，所述电介质衬底为石英材料制成的衬底。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器具有较高的灵敏度，更快的响应时间，以及光学参数可调节等特点，同时耦合器件尺寸小，便于集成。
附图说明
图1为本发明的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器的几何示意图。
图2为本发明的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器的结构俯视图。
图3为本发明的电介质衬底折射率在1.45到1.75之间，TM偏振光的零级透射率随波长变化的曲线。
图4为本发明为本发明的电介质衬底折射率在1.02到1.08之间，TM偏振光的零级透射率随波长变化的曲线。
图5为本发明的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器的灵敏度参数。
图6为本发明的一种用于红外波段的石墨烯光开关的原理图，其中单胞内左右石墨烯纳米带的费米能级数据图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实例的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，包括光耦合结构和侧端栅电压的调节装置，所述侧端栅电压的调节装置为设置在周期性共面石墨烯纳米条端部的电极，所述侧端栅电压的调节装置用于施加电压，与光耦合结构形成回路；所述光耦合结构包括周期性共面石墨烯纳米条对阵列和电介质衬底2，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列周期性排列在电介质衬底2上，上方置于空气中。
优选的，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列中的石墨烯纳米条1对按周期为400nm排列。
优选的，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列中周期性共面石墨烯纳米条1的宽度为90nm，石墨烯纳米条1的间距为60nm。
优选的，所述电介质衬底2的厚度为140nm，折射率为1.4～1.6。
优选的，所述电介质衬底2为石英材料制成的衬底。
如图1所示，是本发明的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器的几何示意图，图2为本发明的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器的结构俯视图，TM模式平面波光源用于激发石墨烯表面等离子体共振。
在如图1所示的几何结构下，本发明采用了耦合波分析理论，计算了该TM偏振石墨烯双周期光栅结构的光学特性。在中红外频率石墨烯光学电导率可以用类Drude模型近似描述:
其中e为电子电荷，为约化普朗克常数，ω为角频率，Ef为费米能级。
为载流子驰豫时间，其中μ为石墨烯载流子迁移率，νF为费米速率，分别取10000cmV-1s-1和106m/s。
优选的，通过掺杂等方式改变电介质衬底2折射率，通过喷雾和油浸等方式改变石墨烯上方空气折射率，得到在不同折射率下的透射光谱。可以发现随着背景折射率的增加，共振波长呈近线性增加，进而实现石墨烯基光学传感器。
优选的，通过打破原胞内石墨烯纳米对费米能级的平衡性，即通过控制石墨烯双周期光栅奇偶纳米带端电压实现费米能级的非对称性，进而实现石墨烯基双回路光开关。
实施例1
用作石墨烯基双周期光栅光学传感器。一束波长位于红外波段的TM模式平面波光源用于激发石墨烯表面等离子体共振。满足表面等离子共振条件时，当探测介质的折射率变化δn，谐振波长偏移δλ，基于石墨烯双周期光栅的传感器折射率灵敏度定义为δn与δλ的比值：
Sλ的单位为nm/RIU。
调节石墨烯纳米棒端电压Vg使石墨烯的费米能级Ef＝0.80ev，当电介质衬底2的折射率在1.45到1.75之间变化时，TM偏振光的零级透射率随波长变化的曲线如图3所示。可以看出电介质衬底2折射率的微小增加导致在峰值位置清晰红移现象，而其调制深度和透射光谱的半高全宽几乎不随背景折射率的变化而变化。
当改变石墨烯层上方空气折射率从1.02变化至1.08时，其透射光谱如图4所示，可以得到同样的现象。
图5给出了具体传感器的灵敏度参数。调节电介质衬底2折射率可以实现灵敏度～3230nm/RIU(即单位折射率变化引起共振波长的变化为～3230nm)；调节空气层折射率可以实现灵敏度～2230nm/RIU传感，相较于基于传统贵金属等离子体传感具有更高的灵敏度和更小的结构尺寸等优势。
实施例2
用作石墨烯基双周期光栅的等离子体开关。不改变石墨烯层背景折射率情况下，打破元胞内石墨烯纳米对费米能级的平衡性，即通过控制石墨烯双周期光栅奇偶纳米带端电压实现费米能级的非对称性，进而实现石墨烯基双回路光开关，如图6所示。
简单起见，单胞内左右石墨烯纳米带的费米能级分别记为Ef1，Ef2，调节奇偶石墨烯纳米带的费米能级，如图6所示：
(a)Ef1＝0.80ev和Ef2＝0.56ev，对应关-关状态；
(b)Ef1＝0.88ev和Ef2＝0.88ev，对应关-开状态；
(c)Ef1＝0.59ev和Ef2＝0.59ev，对应开-关状态；
(d)Ef1＝0.16ev和Ef2＝0.16ev，对应开-开状态。
综上所述，本发明的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，具有较高的灵敏度，更快的响应时间，以及光学参数可调节等特点，同时耦合器件尺寸小，便于集成。

Claims (5)

1.一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，其特征在于：包括光耦合结构和侧端栅电压的调节装置，所述侧端栅电压的调节装置为设置在周期性共面石墨烯纳米条端部的电极，所述侧端栅电压的调节装置用于施加电压，与光耦合结构形成回路；所述光耦合结构包括周期性共面石墨烯纳米条对阵列和电介质衬底，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列周期性排列在电介质衬底上，上方置于空气中。
2.根据权利要求1所述的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，其特征在于：所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列中的石墨烯纳米条对按周期为400nm排列。
3.根据权利要求1所述的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，其特征在于：所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列中周期性共面石墨烯纳米条的宽度为90nm，石墨烯纳米条的间距为60nm。
4.根据权利要求1所述的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，其特征在于：所述电介质衬底的厚度为140nm，折射率为1.4~1.6。
5.根据权利要求1所述的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，其特征在于：所述电介质衬底为石英材料制成的衬底。
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