CN110441842A - 一种基于vo2及石墨烯混合超材料的多功能器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于VO₂及石墨烯混合超材料的多功能器件，涉及光电技术领域，包括若干个单元结构，单元结构包括二氧化钒层、石墨烯层、介电层和金属反射层，所述金属反射层的上端设置有所述介电层，介电层的上端设置有石墨烯层，在石墨烯层设置有一个凹槽，所述凹槽深入至介电层，在所述凹槽底部上端设置有二氧化钒层，所述二氧化钒层与所述石墨烯层之间留置介电层区域；通过调节所述石墨烯层的费米能级进行电磁波偏振转换，以将所述多功能器件在完美吸收器与偏振转换器之间功能转变；可以在高温环境下工作，并且随着温度的升高，吸收器对电磁波的吸收效果不会减弱，反而会得到增强；偏振转换器展示了超薄、宽频带和高效率等优点。

Description

一种基于VO2及石墨烯混合超材料的多功能器件

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种基于VO₂及石墨烯混合超材料的多功能器件。

背景技术

中红外器件由于其独特的中红外区域特性而受到越来越多的关注，该区域与太赫兹范围有相似之处。目前，完美吸收器和偏振转换器已成为中红外波段的研究热点。宽带吸收器和偏振转换器作为光学器件的两个重要分支，在成像器件、热发射器、传感器、调制器和伪装器件等方面有着重要的应用。

然而，传统的宽带完美吸收器和偏振转换器是通过超平面薄膜堆叠实现的，该超平面薄膜由金属/介电薄膜的交替层组成，其总厚度远大于工作波长。这些庞大的设计显然违反了缩小光子和光学器件的趋势，不利于进一步的科学研究和工业集成。更重要的是，传统的微纳光子器件只能实现单一功能；

例如，Xu和Wu等人报道了使用多层石墨烯带制作的可调谐的超宽带太赫兹吸收器。Guo 等人研究的超宽带红外超表面吸收器。但是，上述这些完美吸收器在很大程度上依赖于复杂的石墨烯结构，这导致器件制造比较困难。同样，使用金属纳米结构来控制电磁波的偏振态，例如金属纳米颗粒，金属纳米槽等。这些提出的结构只能通过改变结构的几何参数来调整，使得结构的应用受到限制，并且需要对光谱响应进行主动控制。

发明内容

本发明针对背景技术的问题提供一种基于VO₂及石墨烯混合超材料的多功能器件，实现完美吸收和偏振转换的功能。

为了实现上述目的，本发明提出一种基于VO₂及石墨烯混合超材料的多功能器件，包括若干个单元结构，所述单元结构包括：二氧化钒层、石墨烯层、介电层和金属反射层，其中，所述金属反射层的上端设置有所述介电层，所述介电层的上端设置有石墨烯层，在所述石墨烯层设置有一个凹槽，所述凹槽深入至介电层，在所述凹槽底部上端设置有二氧化钒层，所述二氧化钒层与所述石墨烯层之间留置介电层区域；

通过调节所述石墨烯层的费米能级进行电磁波偏振转换，以将所述多功能器件在完美吸收器与偏振转换器之间功能转变。

优选地，所述石墨烯层设置有一个凹槽，具体为：在所述石墨烯层的中央位置设置一个矩形凹槽。

优选地，所述凹槽底部上端设置有二氧化钒层，具体为：在所述凹槽底部中心位置的上端设置有圆形二氧化钒层。

优选地，所述若干个单元结构周期性排列。

优选地，所述若干个单元结构周期性排列，具体为：若干个单元结构的边长相等。

本发明提出一种基于VO₂及石墨烯混合超材料的多功能器件，当温度调节到340K时， VO₂的电导率随温度的升高而增加，在这种情况下，VO₂具有金属性质，因此由VO₂和石墨烯组成的器件可以实现完美吸收；吸收器的优点是它可以在高温环境下工作，并且随着温度的升高，吸收器对电磁波的吸收效果不会减弱，反而会得到增强。其次，在室温下，VO₂层处于绝缘态，对电磁波几乎是高透射的，因此通过调节石墨烯的费米能级可以实现电磁波的偏振转换，该偏振转换器在中红外区域能够将线性偏振态旋转换成正交偏振态，同时，本发明中的偏振转换器展示了超薄、宽频带和高效率等优点。这项工作揭示了在中红外波段中，通过引入温度相变超材料实现可调谐吸收和电磁偏振操纵，从而实现超薄中红外器件的新应用；

该器件可以实现宽带吸收(频率在44THz至52THz时，最大吸收率达99.415％)和中红外范围内的高效率偏振转换器(＞99.89％)，这比其他单功能器件具有很大的优势。本发明实验结果证明了多功能器件在发射器、传感器、空间光调制器、红外伪装、热光电技术和无线通信中有广泛的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种实施例中多功能器件的结构示意图；

图2为本发明一种实施例中子单元结构图；

图3为本发明一种实施例中子单元结构俯视图；

图4为本发明一种实施例中多功能器件在不同VO₂电导率下的正入射光谱，其中，图(a) 为反射率，图(b)为吸收率；

图5为本发明一种实施例中VO₂不同电导率下的介电常数，其中，图(a)为VO₂的介电常数实部，图(b)为VO₂的介电常数虚部；

图6为本发明一种实施例中沿x方向偏振的正入射电磁波多次反射示意图；

图7为本发明一种实施例中电场强度分布示意图，其中，图(a)为48.0781THz时空气和VO₂薄膜界面处电场强度分布，图(b)为48.0781THz时VO₂和介质层界面处电场强度分布，图(c)为 48.0781THz时xoz平面切割处电场强度分布，图(d)为48.0781THz时xoz平面切割处的磁场强度分布；

图8为本发明一种实施例中不同偏振角和入射角的吸收性能示意图，其中，图(a)为入射角 0°到40°变化的TM模式，图(b)为入射角0°到40°变化的TE模式，图(c)为正入射下偏振角在0°至90°范围内变化；

图9为本发明一种实施例中PCR和相位差作为费米能级和频率的函数示意图，其中，图(a) 在垂直入射下在不同费米能级的PCR，图(b)费米能级E_F＝0.95eV时的反射系数R_xx，R_xy和PCR；

图10为本发明一种实施例中偏振转换器的场强分布示意图，其中，图(a)为13.4177THz时空气和VO₂薄膜在xoy界面处电场强度分布，图(b)为13.4177THz时VO₂和介质层在xoy界面处电场强度分布，图(c)为13.4177THz时xoz平面切割处电场强度分布，图(d)为13.4177THz时石墨烯与介质层在xoz界面处的磁场幅度分布；

图11为本发明一种实施例中使用法布里-珀罗模型来解释电磁波的宽带线性偏振调制示意图，其中，图(a)为线性偏振入射和反射光的分解示意图，图(b)为沿v轴和u轴偏振光的反射率，图(c)为沿v轴和u轴偏振光的相位；

标号说明：

单元结构-1、二氧化钒层-101、石墨烯层-102、介电层-103、金属反射层-104、凹槽-105；

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，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作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。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

近年来，随着相变材料的发展，发现VO₂相变材料的光学性质随温度而变化。因此，逐渐将VO₂材料应用于超材料完美吸收器结构，实现吸收器的动态可调谐。VO₂相变通常被认为是绝缘体-金属相变，其中包括绝缘体状态，金属状态和它们之间的过渡态。当VO₂的温度从低温升到高于相变温度(68℃)的过程中，VO₂的晶格会由绝缘态的单斜相结构扭曲变为金属态的金红石四方相结构，这种扭曲变化是可逆的，并伴随着VO₂能带结构的改变。虽然VO₂的相变过程非常短，但也存在着一个渐变过程，在这个过程中VO₂的电磁性质会发生显着的变化。

石墨烯作为一种可调谐的光学材料，石墨烯中存在着类似相对线性的能量色散，电子以比光速小100倍的费米速度传播，这是它独特的电子和光学特性。在通用光学中，石墨烯的电导率为其中是约化普朗克常数，e为电子电荷。石墨烯是一种类金属，没有金属那么多的自由电荷，但是，石墨烯可以通过化学掺杂或偏置电压控制来改变自由电荷浓度。因此，石墨烯的类金属性质允许通过电压调节费米能级，这是传统金属无法做到的。

本发明提出一种基于VO₂及石墨烯混合超材料的多功能器件；

本发明实施例中，如图1所示，包括若干个单元结构1，所述若干个单元结构1周期性排列，即若干个单元结构1的边长相等，如图2所示，所述单元结构1包括：二氧化钒层101、石墨烯层102、介电层103和金属反射层104，其中，所述金属反射层104的上端设置有所述介电层103，所述介电层103的上端设置有石墨烯层102，在所述石墨烯层102设置有一个凹槽105，所述凹槽105深入至介电层103，在所述凹槽105底部上端设置有二氧化钒层101，所述二氧化钒层101与所述石墨烯层102之间留置介电层区域；优选地在所述石墨烯层102 的中央位置设置一个矩形凹槽105；在所述凹槽105底部中心位置的上端设置有圆形二氧化钒层101；

本发明实施例中，如图2和图3所示，每个单元的周期、中间介质层的厚度和金反射镜的厚度分别是p，d和t。顶部VO₂层厚度和直径分别是h和D；同时，在石墨烯表面上挖出 l_x×l_y大小的矩形孔；

本发明实施例中，表1是完美吸收器和偏振转换器的参数比较，假设入射电磁波的偏振方向沿x轴并且垂直于超表面入射；

表1.吸收器和偏振转换器的参数比较

本发明实施例中，通过调节所述石墨烯层102的费米能级进行电磁波偏振转换，以将所述多功能器件在完美吸收器与偏振转换器之间功能转变。

本发明实施例中，通过使用在电介质上沉积VO₂薄膜可以实现中红外频段的完美吸收。 VO₂经历从低于68℃的绝缘体到高于该温度的金属相变，这种相变导致VO₂在中红外波段的光学性质发生显着变化。对于VO₂绝缘体材料，假设其介电常数为ε_d，其中存在随机金属颗粒，其介电常数为ε_m。当金属颗粒的体积分数V相对较大时(大于20％)，金属颗粒之间的间距相对较小，因此不能忽略颗粒之间的相互作用。

因此，VO₂的介电常数可以用简单的Bruggeman理论表示：

对于VO₂材料中金属态组分，介电常数可由Drude模型表示：

式中，ε_∞＝12是高频介电常数，ω_p(σ)是依赖于电导率的等离子体频率，γ是阻尼频率；另一方面，ω_p(σ)和σ与自由载流子密度成正比；因此，处于电导率σ处的等离子体激元频率可近似表示为当σ₀＝3×10⁵S/m时，相应的ω_p(σ₀)＝1.4×10¹⁵rad/s，γ＝5.75×10¹³rad/s；

此外，本发明还展示了基于石墨烯的偏振转换，在偏振转换状态，衬底金的介电常数采用Drude模型：

ε_Au＝ε_∞-ω_p/(ω²+iωΓ) (3)

其中，ω_p＝1.3×10¹⁶rad/s是等离子体频率，Γ＝1.11×10¹⁴rad/s是阻尼常数，ε_∞＝1.53；而单层石墨烯的表面导电率σ(ω)则由Kubo公式给出：

由Kubo公式可知，石墨烯表面电导率取决于动量弛豫时间τ，入射波长λ(角频率ω)，温度T和化学势E_F。散射率可以用Γ＝τ^-1表示。在室温下T＝300K，k_bT≈0.0259eV，对于中红外波长，石墨烯的表面电导率可以近似用Drude公式表达：

本发明实施例中，基于VO₂的可调谐超材料吸收器，具体技术内容如下：

在340K的温度下，VO₂晶格将从低温的绝缘体状态单斜相结构扭曲成金属态的金红石四方相结构，与此同时，VO₂将从绝缘态转变为金属态。此外，在中红外范围区域，掺杂石墨烯中存在Pauli阻挡现象，光导率比较小，导致石墨烯在中红外波段的吸收率小于2.3％。因此，在中红外吸收状态下，可以忽略掺杂石墨烯对器件吸收的影响，本发明证明了利用温度改变相变材料VO₂的电导率可以实现中红外可调谐完美吸收。

为了证明VO₂电导率可调谐的吸收特性，本发明实施例中利用有限差分时域(FDTD) 方法研究了器件的吸收性能。通过改变VO₂的温度从而来改变其电导率，将VO₂的电导率从 10Ω^-1cm^-1增加到3000Ω^-1cm^-1。根据基尔霍夫定律，透射率T，反射率R和吸收率A之和应等于1(A+T+R＝1)。由于底部Au材料的厚度大于其最大趋肤深度δ＝λ/[2πIm(n_Au)]≈28nm，因此在中红外频率，透射系数T≈0，吸收则可近似为A＝1-R。

如图4所示，模拟结果显然表明，随着电导率的增加，反射率和吸收率值会发生明显的变化。图4中图(a)显示反射光谱随着VO₂的电导率的增加而降低。图4中图(b)与反射光谱相反，吸收光谱随着VO₂电导率的增加而增加。从图4中图(b)可以看出，当VO₂的电导率取为 3000Ω^-1cm^-1时，吸收率达到99.415％，这是因为在金属态VO₂和介电层之间存在场干涉，从而实现了完美吸收。从吸收光谱可以看出，当σ＝3000Ω^-1cm^-1时，吸收峰的半波全宽为14.39 THz，中心频率为48.078THz。随着VO₂电导率的变化，可以看出VO₂电导率对所设计器件的吸光性能有显著的影响，从而实现了一种理想的中红外温度可调超材料吸收器。在温度接近340K时，VO₂经历了从绝缘体到金属的相变，相变导致VO₂的电导率发生几个数量级的变化，其结构也从低温单斜相到四方金属相的结构转变，因此导致VO₂光学性质也发生了强烈的变化。图5解释了造成这种现象的主要原因是由于VO₂介电常数的变化，当VO₂电导率从10Ω^-1cm^-1变化到3000Ω^-1cm^-1时，VO₂导电率的实部和虚部在0到5THz范围内迅速增大，从而导致了VO₂发生了从绝缘体到金属的光学转变。VO₂的电导率越大，其金属性能越好，吸收率也越高。

本发明实施例中，使用F-P理论来解释VO₂超材料完美吸收器，这种结构的器件通常可以看作是由部分反射镜和全反射镜组成的法布里-珀罗谐振腔，图6显示了这种F-P谐振器中的光学耦合。电磁波沿x轴偏振方向垂直入射。假设入射电磁波幅度为E_inc，反射电磁波幅度为E_ref，则在空气-界面界面处可写为

式中，r₁₂和r₂₁是反射波与入射波复电场振幅的比值，反射界面分别是空气-介质层和介质层-空气。同样地，t₁₂和t₂₁分别是从空气透射到介质层和介质层到空气的透射率。金属镜的反射系数r₂₃＝-1，δ＝k₀n₂dcosγ是介质腔的积累相位，k₀是自由空间波数，β＝2πn₂/λ₀是传播常数，n₂是介电层的折射率。根据A＝1-R，当R＝0时，吸收率达到最大值，满足临界耦合条件。

本发明实施例中，为了进一步研究所提出的吸收器的吸收性质，我们观测了频率在 48.0781THz时垂直入射下的电场强度(|E|)分布，如图7所示。图7中图(a)和图7中图(b)分别是空气和介电层与VO₂薄膜在xoy平面上的电场强度(|E|)分布。图7中图(c)和图7中图(d) 是频率在48.0781THz时，单元结构xoz平面的电场强度(|E|)和磁场强度(|H|)的分布。从图7 中图(a)、图(b)和图(c)中可以看出，频率在48.0781THz时，由于周期性的VO₂薄膜产生局域表面等离子体共振，使得大部分电场分布于VO₂薄膜弯曲边缘附近，从而使得VO₂表现出较强的电场约束，产生较高的吸收，此时吸收率达到最大值99.415％。

本发明实施例中，偏振无关性和大角度入射不敏感是实际应用中需要考虑的重要因素。为了研究完美吸收器的偏振独立性和大角度入射不敏感性，我们分别仿真了不同偏振角和入射角的吸收性能。从图8中图(a)和图8中图(b)可以看出，当入射角在0°到40°之间变化时，仍然可以实现谐振频率下接近100％的吸收。如图8中图(c)所示，由于高度对称性的结构，偏振角在0°到90°的变化时，吸收曲线基本上不发生变化。因此，我们可以认为这种可调谐吸收器是偏振无关的，具有大角度入射不敏感的，这将使得这种完美吸收器在实际应用中得到广泛应用。

本发明实施例中，基于石墨烯的可调谐超材料偏振转换器，具体技术内容如下：

在室温(300K)下，VO₂处于绝缘状态，相对介电常数为9，而绝缘状态下的导电率小于 200S/m。在这种情况下，可以通过调节石墨烯的费米能级来实现电磁波的偏振转换操作，从而将器件由完美吸收器变为偏振转换器。石墨烯费米能级主要通过调节偏置电压来实现，石墨烯起到栅电极的作用。当施加偏置电压时，石墨烯的载流子浓度和费米能级可以动态控制。费米能级E_F与偏置电压V_g之间的关系表达式可以近似为：

式中，v_f是费米速度(1.0×10⁶m/s)，ε₀,ε_r,V_g分别是真空介电常数，电介质层介电常数和偏置电压。

设计的偏振转换器可以在宽波段获得较高的偏振转换率。通过采用时域有限差分法进行了全波数值仿真。在仿真中，沿x方向偏振入射的平面波垂直入射到周期性结构上。x和y 偏振反射波的反射系数分别定义为共极化反射R_xx和交叉极化反射R_xy(R_ij分别表示来自i偏振入射的j偏振反射)。偏振转换率定义为R_xx和R_xy之间的反射相位差定义为 可以取[-π,π]之间任意值。

PCR和相位差作为费米能级和频率的函数分别如图9中图(a)和图9中图(b)所示。石墨烯的费米能级从0.45eV提高到0.95eV，计算其偏振转换率PCR。如图9中图(a)所示，当费米能级为0.95eV时，在6至22THz的频率范围内，偏振转换率最大值可达99.89％；

图10中的图(a)、图(b)、图(c)和图(d)中通过分析电场强度E_xoy的分布，提出的石墨烯交叉偏振转换器的物理机制，可以看到频率在13.4177THz时，电谐振主要集中在每个矩形石墨烯孔的角上，表明相邻石墨烯孔之间存在强耦合；

本发明实施例中，仍然使用法布里-珀罗模型来解释电磁波的宽带线性偏振调制。将偏振沿x方向入射的电磁波分解为沿u，v方向的两个垂直分量，它们分别对应于谐振器的短轴和长轴(图11中图(a))。仿真的反射幅度和相位如图11中图(b)和图11中图(c)所示。当入射电场仅在x方向上线性偏振时，旋转的石墨烯矩形孔可以激发垂直的有一定相位延迟的正交电偶极子，其由电偶极子由沿u轴和v轴的电场分量激发。在半波片工作的波长范围内，正交电偶极子的反射系数的振幅几乎相同。同时，相对相位差几乎达到π，导致90°偏振旋转。而高偏振转换率归因于底部Au平面和顶部石墨烯形成的法布里-珀罗腔内的部分交叉极化 (共极化)反射场的叠加，导致相长干涉(相消干涉)和几乎完美的(零)交叉极化(共极化)反射；

综上所述，本发明证明了基于由VO₂和石墨烯阵列组成的电介质超表面设计的新型器件，可以通过调节温度来实现多种功能。在吸收状态下，通过温度调节VO₂的电导率，可以实现动态调节吸收，仿真结果表明在44至52THz范围内吸收率均在90％以上，最大吸收率可达到99.415％。实验结果还表明，这种超材料完美吸收器具有偏振角不敏感和0℃-40℃大角度入射的优点。在偏振状态下，偏振转换器可以实现宽带中红外偏振转换，偏振转换率(PCR) 达到99.89％，通过调节石墨烯的费米能级，可以容易地调节PCR的工作带宽和幅度。此外，由于连续局域等离子体共振的激发，偏振转换器也对偏振角不敏感。总之，该多功能器件具有宽频带、高FWHM、高PCR和偏振角不敏感等特点，可广泛应用于智能吸收器、光伏器件和可调偏振转换器等领域。在某种程度上，我们相信这种VO₂和石墨烯阵列组成的多功能器件可以大大节省制造成本，同时使器件的制造变的更容易、更方便快捷。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于VO₂及石墨烯混合超材料的多功能器件，其特征在于，包括若干个单元结构，所述单元结构包括：二氧化钒层、石墨烯层、介电层和金属反射层，其中，所述金属反射层的上端设置有所述介电层，所述介电层的上端设置有石墨烯层，在所述石墨烯层设置有一个凹槽，所述凹槽深入至介电层，在所述凹槽底部上端设置有二氧化钒层，所述二氧化钒层与所述石墨烯层之间留置介电层区域；

通过调节所述石墨烯层的费米能级进行电磁波偏振转换，以将所述多功能器件在完美吸收器与偏振转换器之间功能转变。

2.根据权利要求1所述的完美吸收器，其特征在于，所述石墨烯层设置有一个凹槽，具体为：在所述石墨烯层的中央位置设置一个矩形凹槽。

3.根据权利要求1所述的完美吸收器，其特征在于，所述凹槽底部上端设置有二氧化钒层，具体为：在所述凹槽底部中心位置的上端设置有圆形二氧化钒层。

4.根据权利要求1所述的完美吸收器，其特征在于，所述若干个单元结构周期性排列。

5.根据权利要求4所述的完美吸收器，其特征在于，所述若干个单元结构周期性排列，具体为：若干个单元结构的边长相等。