CN109188579B - 一种实现石墨烯在可见光波段吸波方法及吸波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现石墨烯在可见光波段吸波方法及吸波装置，属于光电探测与微纳光机电系统领域。本发明提供的多刻槽结构为周期性微结构，其结构的原胞(即结构的基本单元)由多个宽度相同、深度不同的窄金属刻槽构成，刻槽及其上方填充介质覆盖层，石墨烯沉积于介质覆盖层上方。针对TM偏振入射光波，由于刻槽的腔共振效应，不同深度的刻槽对应不同的石墨烯光吸收波长，多个不同深度刻槽的组合可以实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收。此外，该吸波器的吸收光谱对入射角变化不敏感，即便入射角发生显著变化，石墨烯仍然具备优良的宽带光吸收性能，在光调制器、太阳能电池、触摸屏以及生物传感等领域有应用前景。

Description

一种实现石墨烯在可见光波段吸波方法及吸波装置

技术领域

本发明涉及一种实现石墨烯在可见光波段吸波方法及吸波装置，属于光电探测与微纳光机电系统领域。

背景技术

石墨烯(Graphene)作为一种零带隙材料，其独特的光电特性引起了材料科学、凝聚态物理以及工程学界的极大兴趣。在太赫兹和中红外波段，由于石墨烯具有高载流子迁移率和可调电导率，可以支持表面等离子体激元的传输，在分界面对电磁场具有很强的束缚效应，能够形成极强的光与石墨烯的相互作用，因此石墨烯可以在共振波长处取得接近100％的光吸收效率。然而，在可见光至近红外波段，单层石墨烯光吸收效率由其精细结构常数α决定，对应的光吸收效率仅为2.3％，远小于传统光电探测材料的光吸收，极大限制了石墨烯光电探测器件的量子转换效率。

近年来，可见光至近红外波段石墨烯吸波器的研究受到人们重视，针对这一问题先后开展了大量工作。然而，以往在可见光至近红外波段增强石墨烯光吸收率的方法，主要基于微纳结构的各类共振效应，比如导模共振、法布里-玻罗(Fabry–Pérot)共振、Fano共振、腔共振、衰减全反射、电偶极共振和磁偶极共振等。在实际应用中，为了提高光电探测器的光电转换量子效率，往往需要在较宽的波段内具有宽带吸收效应，并且其光吸收效率对入射角度的变化不敏感。上述方法获得的光吸收带宽往往较窄，光吸收效率对入射角度变化极其敏感；石墨烯对于光的吸收率较低。

发明内容

本发明提供了一种实现石墨烯在可见光波段吸波装置和方法，解决了如下至少一个技术问题：目前方法存在的光吸收宽带窄、光吸收效率低或者光吸收效率对于入射角度变化敏感。采用本发明的装置或方法，当入射角发生显著变化时，石墨烯仍然具备性能优良的宽带光吸收效应；其光吸收效率高，能够在较宽的波长范围内实现高效率的光吸收。

本发明的第一个目的是提供一种实现石墨烯在可见光波段吸波装置，包括多刻槽结构，所述的多刻槽结构包括两个或两个以上的宽度相同、深度不同的窄金属刻槽；刻槽内及其上方填充介质覆盖层，石墨烯位于介质覆盖层上方。由于刻槽的腔共振效应，不同深度的刻槽对应不同的石墨烯光吸收波长，多个不同深度刻槽的组合能够实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收。

所述的多刻槽结构是周期性微结构，所述的周期性微结构的原胞(即结构的基本单元)包括两个或两个以上的宽度相同、深度不同的窄金属刻槽，金属刻刻槽内及其上方填充介质覆盖层，石墨烯位于介质覆盖层上方。

在一种实施方式中，所述的吸波装置的多刻槽结构包括五个窄金属刻槽。

在一种实施方式中，所述的吸波装置的窄金属刻槽的宽度为w，刻槽深度为d₁、d₂、d₃……等，刻槽宽度w和刻槽深度为d符合式(1)

其中，λ是石墨烯光吸收波长，l为整数，d_i为刻槽深度；n_eff为刻槽的有效折射率，具体的是等效为金属-介质-金属(MIM)波导的模式折射率，其大小与金属和介质覆盖层的介电常数有关。

在一种实施方式中，当入射光为TM偏振入射光，入射角为θ_c时，石墨烯的介电常数为ε_g＝1+jσ_g/ωε₀t₀，其中，t₀＝0.34nm为单层石墨烯的厚度，ω为入射光的角频率，ε₀为真空介电常数，σ_g为石墨烯电导率，它是带内跃迁和带间跃迁的电导率之和，即σ_g＝σ_intra+σ_inter，根据Kubo公式可表达为：

其中，

为约化普朗克常数，T为开尔文温度，e为电子电荷量，k_B为玻尔兹曼常数，Γ＝1/2τ为载流子的散射率，τ＝0.5ps为动量弛豫时间，μ_c＝0.15eV为石墨烯的化学势。

在一种实施方式中，所述的介质材料覆盖层的材料是甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，PMMA在可见光波段的折射率为1.49。

在一种实施方式中，所述的多刻槽结构还包括基底；所述的基底是具有光滑表面的光学基片，作为支撑微结构，能够支撑周期性微结构。

在一种实施方式中，所述的基底为二氧化硅(SiO₂)基片。

在一种实施方式中，所述的金属刻槽的金属材料是银(Ag)。

在一种实施方式中，所述的周期性微结构应为亚波长结构，具体的是所述原胞的周期Λ小于400nm。

在一种实施方式中，当所述的刻槽深度在20-90nm范围内时，石墨烯的光吸收波长可以覆盖可见光波段。

在一种实施方式中，所述的原胞的周期Λ为300nm、石墨烯厚度t为5nm，刻槽宽度w为30nm，金属材料厚度D为100nm，刻槽深度d₁为20nm，刻槽深度d₂为35nm，刻槽深度d₃为50nm，刻槽深度d₄为80nm，刻槽深度d₅为90nm，可以实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收。

在一种实施方式中，所述的吸波装置在470-800nm波段内石墨烯的光吸收效率高于60％。

本发明的第二个目的是提供一种基于单刻槽的实现石墨烯在可见光波段吸波装置，所述的装置包括一个金属单刻槽，所述的单刻槽符合式(1)；通过改变单刻槽结构中金属刻槽的深度，进而改变石墨烯光吸收通道的波长，实现对不同波长的选择性光吸收增强。

本发明的第三个目的是提供一种采用上述装置实现石墨烯在可见光波段的吸波方法。

在一种实施方式中，由于金属刻槽的腔共振效应，满足公式(3)时，石墨烯对特定波长λ的光吸收效率显著增强，由于不同深度的金属刻槽对应不同的光吸收波长，因此将多个不同深度的金属刻槽集成到一个原胞中，可以实现多个波长石墨烯光吸收效率的增强，进而实现宽带光吸收效应。

在一种实施方式中，吸波装置的结构中金属材料存在光吸收效应，石墨烯的光吸收效率需要从结构对应的全部光吸收中区分出来，相应石墨烯的光吸收率表述为：

A_g＝[P_up(λ)-P_down(λ)]/P_in(λ)(4)，

式中，P_in为波长为λ的入射光功率，P_up(λ)和P_down(λ)分别为经过石墨烯层上方和下方平面对应的光功率，上述功率参数能够通过时域有限差分法(FDTD)场分布计算获得。

本发明有益效果是：

本发明提供一种基于单刻槽结构、动态调控石墨烯光吸收通道的装置及方法。针对TM偏振入射光，通过改变单刻槽结构中金属刻槽的深度，实现对石墨烯光吸收通道的动态调控。具体地，所谓的单刻槽结构，相比于多刻槽结构，其结构中一个原胞中只有一个金属刻槽。通过改变单刻槽结构中金属刻槽的深度，改变金属刻槽对应的腔共振条件，进而改变石墨烯光吸收通道的波长，实现对不同波长的选择性光吸收增强。

本发明提供了一种基于多刻槽结构、实现石墨烯角度不敏感的宽带光吸收的装置及方法。由于刻槽的腔共振效应，不同深度的刻槽对应不同的石墨烯光吸收波长，多个不同深度刻槽的组合能够实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收；该装置吸波效率高，在470-800nm波段内，石墨烯的光吸收效率高于60％，相对于石墨烯的本征光吸收效率(2.3％)提高了26倍。

本发明提供了一种基于多刻槽结构、实现石墨烯角度不敏感的宽带光吸收的装置及方法。由于石墨烯的光吸收增强源于窄金属刻槽中的腔共振，入射角变化对腔共振效应的影响甚小，因此当入射角发生显著变化时，石墨烯仍然具备性能优良的宽带光吸收效应。因此，本发明在光调制器、太阳能电池、触摸屏以及生物传感等领域有应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种实施方式中多刻槽结构示意图，其一个原胞包含5个刻槽，顶层材料为石墨烯；(a)为其结构示意图；(b)为其一个原胞的截面图；其中，θ_c为入射角，Λ为原胞的周期，t为覆盖层厚度，w为刻槽宽度，d₁、d₂、d₃、d₄、d₅分别为五个刻槽的深度，D为刻槽下方Ag薄膜的厚度，n_SiO2和n_PMMA分别为SiO₂基片和PMMA材料的折射率；

图2为本发明一种实施方式中多刻槽结构中全部结构的光吸收率、石墨烯的光吸收效率、金属Ag的光吸收效率曲线；

图3为本发明一种实施方式中单刻槽结构的吸收特性图；(a)为不同刻槽深度d_g下单刻槽结构的吸收光谱曲线；(b)为刻槽深度d_g发生改变时单刻槽结构吸收峰位置与理论结果的对比(插图为单刻槽结构一个原胞的截面图)；

图4为本发明一种实施方式中不同入射角度下多刻槽结构石墨烯吸收光谱曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：基于多刻槽结构实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收

采用多刻槽结构设计可见光波段石墨烯宽带吸波器，该多刻槽结构的一个原胞由五个宽度相同、深度不同的窄金属刻槽构成，金属刻槽中及其上方填充介质材料覆盖层，石墨烯沉积于该介质材料覆盖层上方。对于TM偏振入射光，由于金属刻槽的腔共振效应，不同深度的刻槽对应不同的石墨烯光吸收波长，五个不同深度刻槽的组合可以增强光与石墨烯在可见光波段的相互作用，进而实现石墨烯在可见光波段的宽带光吸收增强。

选取的设计波段为可见光波段(400-800nm)，TM偏振光正入射(θ_c＝0°)至多刻槽结构。石墨烯位于多刻槽结构表面，金属材料采用Ag，介质材料覆盖层为PMMA，基底为SiO₂基片。Ag的折射率取自Palik数据库，PMMA在可见光波段的折射率为1.49。设计中，为了获得高的光吸收效率，多刻槽结构采用亚波长结构，也即是该结构原胞的周期Λ小于400nm；此外，根据公式(3)，计算可知当刻槽深度在20-90nm范围内变化时，石墨烯的光吸收波长可以覆盖可见光波段，因此五个刻槽的深度均在此范围内取值。在此基础上调整结构参数，选取Λ＝300nm，t＝5nm，w＝30nm，D＝100nm，d₁＝20nm，d₂＝35nm，d₃＝50nm，d₄＝80nm，d₅＝90nm，可以实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收。针对上述参数，采用FDTD方法，并结合公式(4)，可以获得全部结构、石墨烯以及金属Ag对应的光吸收效率曲线，如图2所示。由图(2)可见，在可见光波段，多刻槽结构的光吸收主要源于石墨烯，在整个可见光波段石墨烯均具有良好的宽带光吸收效应，尤其是在470-800nm波段内，石墨烯的光吸收效率高于60％，相对于石墨烯的本征光吸收效率(2.3％)提高了26倍。

实施例二：基于单刻槽结构调控石墨烯光吸收通道的方法

相比于多刻槽结构，单刻槽结构的一个原胞中只有一个金属刻槽。通过改变单刻槽结构中金属刻槽的深度，改变金属刻槽对应腔共振的光波长，进而改变石墨烯的光吸收通道位置。因此针对单刻槽结构，通过选取不同的刻槽深度，可以在不同波长位置处实现石墨烯的选择性光吸收增强。

在维持多刻槽结构参数不变的情况下，将原胞中五个刻槽减少为一个刻槽，刻槽的宽度w不变，也即是结构参数为：Λ＝300nm，t＝5nm，w＝30nm，D＝100nm，采用FDTD方法，并结合公式(4)，可以计算不同刻槽深度d_g对应的石墨烯光吸收效率曲线，如图3(a)所示。由图3(a)可见，随着刻槽深度d_g增加，石墨烯的吸收峰向长波方向移动，因此选取不同的刻槽深度可以选择不同的石墨烯光吸收波长。图3(b)为刻槽深度d_g发生改变时单刻槽结构吸收峰位置与理论结果的对比，其中，吸收峰位置采用FDTD方法计算得到，其对应的理论结果采用公式(3)计算得到。从图3(b)可见，石墨烯的吸收峰位置与刻槽深度d_g呈线性变化关系，这一特征与公式(3)的理论结果吻合，因此，对于单刻槽结构，石墨烯的光吸收波长可以通过刻槽深度来调控。

实施例三：基于多刻槽结构石墨烯角度不敏感的宽带光吸收现象

基于实施例1，在维持结构参数不变的条件下，也即是Λ＝300nm，t＝5nm，w＝30nm，D＝100nm，d₁＝20nm，d₂＝35nm，d₃＝50nm，d₄＝80nm，d₅＝90nm，采用FDTD方法，并结合公式(4)，计算入射角度变化对多刻槽结构石墨烯吸收光谱曲线的影响，得到图4。从图4可见，由于入射角变化对腔共振效应影响甚小，基于多刻槽结构的石墨烯宽带吸波器具有极高的角度容差，当入射角度由0°增加到60°时，石墨烯依然具有优良的宽带光吸收效应，这一特性具有极高的应用价值。

在实际应用中，可以采用电子束蒸发镀膜、或磁控溅射镀膜等方式将金属沉积到基片上，得到一定厚度的金属薄膜；在此基础上，采用电子束刻蚀、或离子束辅助刻蚀、或纳米压印等方法，可以在金属薄膜表面制备出金属刻槽结构；随后，采用旋涂等方式将PMMA涂覆于金属刻槽中及其上方，获得PMMA覆盖层；最后，采用去角质方法、或化学汽相淀积等方法在PMMA表面沉积石墨烯，完成石墨烯宽带吸波器的制作

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现石墨烯在可见光波段吸波装置，其特征在于，包括多刻槽结构，所述的多刻槽结构为周期性微结构，周期性微结结构的原胞由两个或两个以上宽度相同、深度不同的窄金属刻槽构成，原胞是指结构的基本单元；刻槽内及其上方填充介质覆盖层，石墨烯位于介质覆盖层上方。

2.根据权利要求1所述的吸波装置，其特征在于，针对TM偏振光，由于金属刻槽的腔共振效应，不同深度的金属刻槽对应不同的石墨烯光吸收波长，多个不同深度金属刻槽的组合可以实现石墨烯的宽带光吸收。

3.根据权利要求1-2任一所述的吸波装置，其特征在于，所述的金属刻槽的宽度为w，刻槽深度为d₁、d₂、d₃……，刻槽宽度w和刻槽深度为d符合式(1)

其中，λ是石墨烯光吸收波长，l为整数，d_i为刻槽深度；n_eff为刻槽的有效折射率，具体的是等效为金属-介质-金属波导的模式折射率，其大小与金属和介质覆盖层的介电常数有关。

4.根据权利要求3所述的吸波装置，其特征在于，所述的介质材料覆盖层的材料是甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸甲酯在可见光波段的折射率为1.49。

5.根据权利要求4所述的吸波装置，其特征在于，所述的多刻槽结构还包括基底；所述的基底是具有光滑表面的光学基片，作为支撑微结构，能够支撑周期性微结构。

6.根据权利要求5所述的吸波装置，其特征在于，所述的基底为二氧化硅基片。

7.根据权利要求3-6任一所述的吸波装置，其特征在于，所述的原胞的周期Λ为300nm、石墨烯厚度t为5nm，刻槽宽度w为30nm，金属材料厚度D为100nm，刻槽深度d₁为20nm，刻槽深度d₂为35nm，刻槽深度d₃为50nm，刻槽深度d₄为80nm，刻槽深度d₅为90nm，可以实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收。

8.根据权利要求7所述的吸波装置，其特征在于，所述的吸波装置在470-800nm波段内石墨烯的光吸收效率高于60％。

9.一种实现石墨烯在可见光波段吸波装置，其特征在于，所述的吸波装置包括一个金属单刻槽，所述的单刻槽符合式(1)；

其中，λ是石墨烯光吸收波长，l为整数，d_i为刻槽深度；n_eff为刻槽的有效折射率，具体的是等效为金属-介质-金属波导的模式折射率，其大小与金属和介质覆盖层的介电常数有关；

所述金属单刻槽为周期性微结构，周期性微结结构的原胞由一个窄金属刻槽构成，原胞是指结构的基本单元；刻槽内及其上方填充介质覆盖层，石墨烯位于介质覆盖层上方；

通过改变单刻槽结构中金属刻槽的深度，进而改变石墨烯光吸收通道的波长，实现对不同波长的选择性光吸收增强。

10.一种利用权利要求1-9任一所述的吸波装置实现石墨烯在可见光波段吸波的方法。

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