CN109490997A - 基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,包括周期性穿孔的石墨烯层、介质层和金属层;金属层作为反射层放置在底层,金属层上面就是中间的介质层,石墨烯层处于介质层上表面,电压加载在石墨烯表面用来调节石墨烯的化学势能。本发明能够几乎实现对共振波长处正入射光全部的吸收,实现对正入射光的极化角呈现出不敏感的状态、实现对大角度入射的光依然能够保持高的吸收率。由于该吸收器是由具有连续图案的石墨烯所组成的,因此对于石墨烯化学势能的调节,只需要加载一个外界电压在石墨烯表面即可。通过对参数的优化,该吸收器的最大吸收率可以达到99.9%,几乎实现了对光的全部吸收。该吸收器对环境折射率的敏感度达到了4753nm/RIU,FOM的值为23。
Description
技术领域
本发明涉及光学特性技术领域,具体涉及一种基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器。
背景技术
完美吸收器由于在很多方面的应用例如检测、成像和调制器等等而越来越受到研究者们的青睐。基于多种材料和结构的完美吸收器已经被研究。完美吸收器对入射光的高度吸收的原理是将电磁场局限在损耗性的材料中。石墨烯作为一种特殊的二维材料,因独特的光学和电学特性,例如电导率的动态可调、低吸收率、高的载流子迁移率等等性质为完美吸收器设计提供了一种很好的材料选择。此外由前面的分析者可以知道,在中红外或者太赫兹波段,石墨烯能够像贵金属能够被外界光源激发出表面等离子体。由于表面等离子体在石墨烯表面产生了共振而导致了对于中红外或者太赫兹波段的特定波长的入射光产生强烈的吸收。一般来说,由金属作为最底下的反射层、介质层作为中间层和石墨烯作为最表层所组成的完美吸收器能够实现对特定波长的光的几乎全部吸收。同时由于石墨烯电导率通过外界加载电压实现动态可调从而使得完美吸收器的对光吸收率以及共振波长实现动态调控。因此,基于不同结构的石墨烯的完美吸收器已经被研究和证实,例如基于交叉的石墨烯阵列结构、圆盘的石墨烯阵列结构、条带的石墨烯结构和圆环的石墨烯阵列结构的完美吸收器。
之前有人提出一种由双层具有图案的石墨烯共同组成的动态调节的太赫兹完美吸收器,其中一层石墨烯是具有渔网结构的石墨烯层,另外一层是具有条带结构的石墨烯。该吸收器对于共振波长处的入射光的吸收率都在90%-99%之间。但是这个吸收器在共振波长处仍然没有能够达到几乎完全的吸收。同时由具有复杂结构图案的石墨烯所组成的吸收器不仅给吸收器的制备带来极大的困难而且增加了吸收器的共振波长动态可调性的难度。这是因为复杂图案的石墨烯结构在石墨烯表面加载电压的时候带来了更大的难度进而造成了石墨烯电导率的难以有效的调节。此外,在实际应用领域,完美吸收器对不同偏振方向光的吸收率以及对不同角度入射光的吸收率也是重要的因素。因此,具有动态可调的、极化角度独立的、能够在共振处对入射光实现几乎完全吸收的以及实现对不同角度的入射光仍然能够实现高度吸收的吸收器仍然需要研究。
发明内容
有鉴于此,为了解决现有技术中的上述问题,本发明提出一种基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器。
本发明通过以下技术手段解决上述问题:
一种基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,包括周期性穿孔的石墨烯层、介质层和金属层;
金属层作为反射层放置在底层,金属层上面就是中间的介质层,石墨烯层处于介质层上表面,电压加载在石墨烯表面用来调节石墨烯的化学势能。
进一步地,所述介质层为ZrO2介质层。
进一步地,所述金属层为Au金属层。
进一步地,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器包括结构参数r、h、p和d,分别代表圆的半径、介质层的厚度、子单元结构的周期长度和金属层的厚度;且周期长度p=2um,金属层厚度d=1um,介质层的介电常数为4.41,金的电导率为σgold=4.56×107s/m。
进一步地,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中结构参数对吸收率与共振波长的影响关系为:
圆半径的变化使得共振波长产生了很大的移动,同时在共振波长处的吸收率也受到了很大的影响;
共振波长随着介质层厚度的变化而变化很小,但是在共振波长处的吸收效率却变化比较大;
共振波长主要是受到石墨烯图案的结构参数的影响,这是因为石墨烯表面产生了局域表面等离子共振的;
通过对结构参数的优化几乎实现了对共振波长处正入射光的全吸收,其吸收率达到了99.9%。
进一步地,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中石墨烯化学势能对吸收效率与共振波长的影响关系为:
随着化学势能增加在共振波长处的吸收率基本保持不变,而共振波长出现明显的蓝移,共振波长与石墨烯化学势能之间符合关系式λres∝(L/μc)1/2,其中L表示石墨烯图案的等效共振长度;
由于石墨烯图案是连续的,因此使得石墨烯的化学势能更加容易调节,进而使得吸收器的共振波长以及吸收率实现动态调节;为了实现该完美吸收器的吸收效率以及共振波长的动态调节,只需要加载一个电压在石墨烯表面即可。
进一步地,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中入射光的极化角以及入射角对吸收率以及共振波长的影响关系为:
对正入射光的极化角度的独立,即当入射光的极化角度改变时,其对应的吸收曲线几乎不变,这是因为该完美吸收器的石墨烯图案高度对称;
当以不同入射角度的光入射到吸收器上时,结果表明当入射角度达到60°时,仍然能够对共振波长处的入射光实现高度的吸收。
进一步地,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中的电场分布关系为:
强烈的电场局域导致了高的吸收率,当共振波长处的入射光入射到吸收器上时,电场几乎局限在石墨烯的边缘,这是因为在石墨烯表面激发的SPPs而导致局域表面等离子共振所导致的结果;
当用低吸收率处的入射光入射时,石墨烯表明几乎没有电场的存在,几乎全部被反射回去。
进一步地,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器对环境折射率的敏感度关系为:
共振波长与环境折射率之间符合关系式λres∝(ε1+ε2),其中ε1代表石墨烯上层介质的介电常数即外界环境的介电常数,而ε2代表石墨烯下层介质的介电常数即介质层的介电常数,而ε1=n2,其中n表示环境折射率;
共振波长几乎随着折射率的增加而线性增加,该完美吸收器能够作为一个很好地折射率探测器,其灵敏度达到了4753nm/RIU,FOM值为23。
与现有技术相比,本发明的有益效果至少包括:
本发明的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器能够几乎实现对共振波长处正入射光全部的吸收,实现对正入射光的极化角呈现出不敏感的状态、实现对大角度入射的光依然能够保持高的吸收率。并且,由于该完美吸收器是由具有连续图案的石墨烯所组成的,因此对于石墨烯化学势能的调节,只需要加载一个外界电压在石墨烯表面即可。通过对参数的优化,该吸收器的最大吸收率可以达到99.9%,几乎实现了对光的全部吸收。在研究的过程中发现,当增加石墨烯化学势能时,共振波长表现出明显的蓝移,但是在共振波长处的吸收率几乎保持不变。当以共振波长处的光入射到吸收器上时,我们发现大部分电场局限在石墨的边缘。这是因为石墨烯表面所激发的表面等离子激元(SPPs)产生了局域表面等离子共振。最后我们探究基于单层石墨烯结构的完美吸收器对环境折射率的敏感度,发现该吸收器对环境折射率的敏感度达到了4753nm/RIU,FOM的值为23。这些研究或许对于完美吸收器以及多功能器件的设计带来帮助。
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(a)为完美吸收器的整个模型结构图。(b)为完美吸收器的子单元结构示意图,其中周期P=2um,金属层厚度d=1um。
图2为当μc=0.68eV,吸收器的结构参数对正入射的,极化角为0°(即电场沿着x方向)的入射光的吸收率以及共振波长的影响示意图。(a)当介质层厚度h=4um,改变圆的半径r从0.51um到0.59um。(b)当圆的半径r=0.53um,改变介质层厚度从2um到4um。
图3为当介质层厚度h=4um,圆半径r=0.53um,入射光极化角入射光正入射时,改变石墨烯的化学势能μc从0.68eV到0.74eV所对应的吸收谱线图。
图4为当化学势能μc=0.68eV,介质层厚度h=4um,圆半径r=0.53um时,入射以不同入射角和极化角入射到吸收器得到的吸收曲线图。(a)入射光正入射,将极化角从0°增加到90°,每次增加30°。(b)当极化角为0°,将入射角从0°增加到60°,每次增加15°。
图5为当化学势能μc=0.68eV,介质层厚度h=4μm,圆的半径r=0.53μm,入射光的极化角时,不同波长的入射光正入射到吸收器,电场在吸收器里面的电场分布图。(a)当入射波长为24.76um时,电场在石墨烯表面的xoy平面的电场分布图。(b)当入射波长为24.76um时,在子单元结构中间切面xoz平面的电场分布图。(c)当入射波长为25.76um,电场在石墨烯表面的xoy平面的电场图。
图6(a)为半径r=0.53um,介质层厚度h=4um和石墨烯化学势能uc=0.68eV,入射光的入射角θ=0°极化角的条件下,将环境折射率从1增加到1.1,每次增加0.02对应的吸收曲线图。(b)为共振波长随着环境折射率的变化曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面将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。
一、完美吸收器的模型设计
完美吸收器的整个模型结构如图1(a)所示,由周期性穿孔的石墨烯层、ZrO2介质层和金属层所组成。金作为反射层放置在底层,金属层上面就是中间的介质层,石墨烯处于介质层上表面。电压加载在石墨烯表面用来调节石墨烯的化学势能。图1(b)中的结构参数r,h,p和d分别代表圆的半径,介质层的厚度、子单元结构的周期长度和金属层的厚度。在这里,我们设定周期长度p=2um,金属层厚度d=1um,介质层的介电常数为4.41,金的电导率为σgold=4.56×107s/m。在仿真模拟中,x和y方向设置为周期性的边界条件,z方向设置为完美匹配层。在室温条件下,石墨烯的电导率可近似为类Drude表达式。在仿真软件中,石墨烯的色散率Г设置为0.1meV。
二、完美吸收器光学特性的研究
完美吸收器的吸收特性不仅仅与材料有关,更与石墨烯的结构,入射光的入射角度、入射光的偏振等等因素都有着密切的关系。在本章节我们将探究吸收器的结构参数以及石墨烯的化学势能对正入射光的吸收效率的影响。同时,当改变入射光的入射角度或者极化角度发生改变时,吸收器对入射光吸收效率的研究。
1、结构参数对吸收率与共振波长的影响
根据前面的分析,石墨烯图案的结构参数对吸收器的吸收效率以及共振波长有着很大的影响。这是因为当入射光入射到石墨烯表面时,在石墨烯表面激发出的SPPs的产生了局域表面等离子共振,进而对共振波长处的入射光产生了吸收,而共振波长又与石墨烯的结构参数有关。同时介质层的厚度对吸收器的吸收率也有一定的影响。因此,首先我们研究石墨烯的结构参数与介质层的厚度对吸收器的共振波长以及吸收率的影响。如图2所示的是当石墨烯的化学势能μc=0.68eV,以极化角度为0°的光正入射到石墨烯表面,不同结构参数所对应的吸收谱线图。正如预期的所示,通过对结构参数的优化,吸收器对共振波长处的光的吸收效率达到了99.9%。从图2(a)可以得出,当介质层的厚度h=4um时,圆半径的变化使得共振波长产生了很大的移动,同时在共振波长处的吸收率也受到了很大的影响,其具体表现为当r=0.51um与r=0.53um时其所对应的共振波长相差了将近0.5um,在共振波长处吸收效率相差了7%。而从图2(b)固定r=0.53um,当介质层厚度从2um改变到4um时,共振波长几乎集中在25.6um附近,而最大的吸收率与最小的吸收率相差超过10%。这反映出共振波长随着介质层厚度的变化而变化很小,但是在共振波长处的吸收效率却变化比较大。这些研究结果反映出共振波长主要是受到石墨烯图案的结构参数的影响,这是因为石墨烯表面产生了局域表面等离子共振的。在设计一个完美吸收器时,调节结构参数来达到所需要的要求是有一定的作用的,但是一旦吸收器的结构固定了,我们将不可能通过这种办法来有效的调节吸收器的吸收效率以及共振波长。
2、石墨烯化学势能对吸收效率与共振波长的影响
在前面的章节中提到,当完美吸收器的结构参数固定时,将不可能通过调节结构参数来调节吸收率以及共振波长。基于石墨烯的完美吸收器的共振波长和吸收率不仅仅与结构参数有关,与石墨烯的材料参数也有着密切的关系,特别是石墨烯的电导率。前面的章节提到,根据KuBo方程,石墨烯的电导率可以通过改变石墨烯的化学势能来改变,而石墨烯的化学势能可以通过改变加载在石墨烯表面的电压来控制。因此调节电压来调节吸收器的吸收率与共振波长从而实现吸收器的动态可调。图3所示的是当介质层厚度h=4um,圆半径r=0.53um,入射光极化角入射光正入射时,改变石墨烯的化学势能所对应的吸收谱线示意图。该图显示,随着石墨烯的化学势能μc从0.68eV每隔0.02eV依次增加到0.74eV,在共振波长处的吸收率基本保持不变,而共振波长却从24.76um蓝移至23.74um。这是因为共振波长与石墨烯化学势能之间符合关系式λres∝(L/μc)1/2,其中L表示石墨烯图案的等效共振长度。相对于由分离的石墨烯图案组成的完美吸收器,我们提出的吸收器是基于连续图案的石墨烯,这样可以降低加载电压的难度。为了实现该完美吸收器的吸收效率以及共振波长的动态调节,我们只需要加载一个电压在石墨烯表面即可,如图1(a)所示。
3、入射光的极化角以及入射角对吸收率以及共振波长的影响。
在实际的应用领域,吸收器对入射光的极化角度和入射角θ的独立性是两个很重要的因素。为了研究入射光的极化角和入射角对吸收器的吸收效率以及共振波长的影响,我们将在石墨烯的化学势能uc=0.68eV,介质层厚度h=4μm和圆的半径r=0.53μm的条件下,研究入射光以不同的极化角和入射角θ入射到吸收器表面所产生的吸收谱线图。如图4(a)所示,当入射光正入射,将极化角以每次增加30°从0°增加到90°,吸收曲线一直保持不变。这是因为我们所设计的石墨烯图案的结构高度对称。从图4(b)可以得出,当入射光的极化角时,将入射角以每次增加15°从0°增加到60°时,吸收器仍然能够保持对共振波长处的入射光的高度吸收。因此,我们可以认为我们所设计的完美吸收器对正入射光的偏振角度不敏感,对大角度入射的共振波长处的光源能够达到高度的吸收,这些特性使得吸收器在实际应用领域得到广泛的使用。
4、完美吸收器的中的电场分布
为了进一步研究完美吸收器对光的吸收特性,我们将以特定波长的光正入射到该吸收器上来观察吸收器里面的电场幅度分布状况。当化学势能μc=0.68eV,介质层厚度h=4μm,圆的半径r=0.53μm,入射光的极化角时,不同波长的光正入射到吸收器上时,其对应的电场幅度在吸收器里面的分布示意图如图5所示。其中,图5(a)和(b)分别表示的是当入射波长为24.76um(对应于最大吸收率处,即共振波长处)时,所对应的在石墨烯表面的xoy平面和子单元结构的中间切面的xoz平面中的电场幅度分布图,而图5(c)显示的是当入射波长为25.76um(对应于低吸收率处的波长),其电场幅度在石墨烯表面的xoy平面的分布示意图。从图5(a)和(b)可以得出,非常强烈的电场局限在石墨烯的边缘,而在介质层几乎没有电场的分布。图5(c)表明,对于吸收率低的波长处的光入射,几乎没有电场分布在石墨烯上,基本全部被反射回去了。这些结果表明强烈的电场局域导致了高的吸收率。此外,大部分电场局限在石墨烯图案的边缘是因为局域表面等离子共振所导致的。
三、基于单层石墨烯结构的完美吸收器作为折射率探测器
基于单层石墨烯的机构不仅能作为完美吸收器对入射光的吸收,同时也可以作为折射率探测器实现对环境折射率的探测。为了简化研究的过程,我们只考虑圆半径r=0.53um,介质层厚度h=4um和石墨烯化学势能uc=0.68eV,入射光的入射角θ=0°极化角图6(a)所示的是随着环境折射率依次增加所对应的吸收曲线。从图中可以看出,环境折射率每次增加0.02,其对应的共振波长就向长波长区移动一定的距离。这是因为共振波长与环境折射率之间符合关系式λres∝(ε1+ε2),其中ε1代表石墨烯上层介质的介电常数即外界环境的介电常数,而ε2代表石墨烯下层介质的介电常数即介质层的介电常数,而ε1=n2,其中n表示环境折射率。从图6(b)中可以看出,共振波长几乎随着折射率的增加而线性增加。衡量一个折射率探测器的性能,灵敏度(S)和品质因数(FOM)是重要的参数,其中FOM=S/△λ,而△λ表示全半波宽。根据吸收曲线以及FOM的关系表达式可以计算出,这个折射率探测器的灵敏度达到了4753nm/RIU,FOM值为23。
四、小结
本发明基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,通过对结构参数的优化几乎实现了对共振波长处正入射光的全吸收,其吸收率达到了99.9%。由于石墨烯图案是连续的,因此使得石墨烯的化学势能更加容易调节。进而使得吸收器的共振波长以及吸收率实现动态调节。仿真结果表明随着化学势能增加共振波长出现明显的蓝移。此外,该完美吸收器表现对正入射光的极化角度的独立,即当入射光的极化角度改变时,其对应的吸收曲线几乎不变。这是因为我们设计的完美吸收器的石墨烯图案高度对称。当以不同入射角度的光入射到吸收器上时,结果表明当入射角度达到60°时,仍然能够对共振波长处的入射光实现高度的吸收。为了进一步的探究吸收器是如何对入射光的吸收,我们研究了吸收器的电场幅度分布,发现当共振波长处的入射光入射到吸收器上时,电场几乎局限在石墨烯的边缘。这是因为在石墨烯表面激发的SPPs而导致局域表面等离子共振所导致的结果。当用低吸收率处的入射光入射时,石墨烯表明几乎没有电场的存在,几乎全部被反射回去。最后我们又研究了基于单层石墨烯结构的完美吸收器对外界折射率的敏感度,结果表明,该完美吸收器能够作为一个很好地折射率探测器,其灵敏度达到了4753nm/RIU,FOM值为23。这些研究结果给动态可调节的完美吸收器或者多功能光子器件的设计带来帮助。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,其特征在于,包括周期性穿孔的石墨烯层、介质层和金属层;
金属层作为反射层放置在底层,金属层上面就是中间的介质层,石墨烯层处于介质层上表面,电压加载在石墨烯表面用来调节石墨烯的化学势能。
2.根据权利要求1所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,其特征在于,所述介质层为ZrO2介质层。
3.根据权利要求2所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,其特征在于,所述金属层为Au金属层。
4.根据权利要求3所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,其特征在于,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器包括结构参数r、h、p和d,分别代表圆的半径、介质层的厚度、子单元结构的周期长度和金属层的厚度;且周期长度p=2um,金属层厚度d=1um,介质层的介电常数为4.41,金的电导率为σgold=4.56×107s/m。
5.根据权利要求1所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,其特征在于,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中结构参数对吸收率与共振波长的影响关系为:
圆半径的变化使得共振波长产生了很大的移动,同时在共振波长处的吸收率也受到了很大的影响;
共振波长随着介质层厚度的变化而变化很小,但是在共振波长处的吸收效率却变化比较大;
共振波长主要是受到石墨烯图案的结构参数的影响,这是因为石墨烯表面产生了局域表面等离子共振的;
通过对结构参数的优化几乎实现了对共振波长处正入射光的全吸收,其吸收率达到了99.9%。
6.根据权利要求1所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,其特征在于,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中石墨烯化学势能对吸收效率与共振波长的影响关系为:
随着化学势能增加在共振波长处的吸收率基本保持不变,而共振波长出现明显的蓝移,共振波长与石墨烯化学势能之间符合关系式λres∝(L/μc)1/2,其中L表示石墨烯图案的等效共振长度;
由于石墨烯图案是连续的,因此使得石墨烯的化学势能更加容易调节,进而使得吸收器的共振波长以及吸收率实现动态调节;为了实现该完美吸收器的吸收效率以及共振波长的动态调节,只需要加载一个电压在石墨烯表面即可。
7.根据权利要求1所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,其特征在于,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中入射光的极化角以及入射角对吸收率以及共振波长的影响关系为:
对正入射光的极化角度的独立,即当入射光的极化角度改变时,其对应的吸收曲线几乎不变,这是因为该完美吸收器的石墨烯图案高度对称;
当以不同入射角度的光入射到吸收器上时,结果表明当入射角度达到60°时,仍然能够对共振波长处的入射光实现高度的吸收。
8.根据权利要求1所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,其特征在于,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中的电场分布关系为:
强烈的电场局域导致了高的吸收率,当共振波长处的入射光入射到吸收器上时,电场几乎局限在石墨烯的边缘,这是因为在石墨烯表面激发的SPPs而导致局域表面等离子共振所导致的结果;
当用低吸收率处的入射光入射时,石墨烯表明几乎没有电场的存在,几乎全部被反射回去。
9.根据权利要求1所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器,其特征在于,所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器对环境折射率的敏感度关系为:
共振波长与环境折射率之间符合关系式λres∝(ε1+ε2),其中ε1代表石墨烯上层介质的介电常数即外界环境的介电常数,而ε2代表石墨烯下层介质的介电常数即介质层的介电常数,而ε1=n2,其中n表示环境折射率;
共振波长几乎随着折射率的增加而线性增加,该完美吸收器能够作为一个很好地折射率探测器,其灵敏度达到了4753nm/RIU,FOM值为23。
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