CN110441926B - 一种中红外波段双通道多信息手性可调谐的石墨烯超构材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中红外波段双通道多信息手性可调谐的石墨烯超构材料，属于电磁波和电磁超构材料领域。本发明材料采用“金属‑石墨烯‑介质”三层的结构，结构最上层是在金的表面挖出一个非对称环的负结构，最下层是介质层，金属与介质层之间是一层石墨烯非对称开口谐振环，超构材料结构具有二维手性性质。本发明将石墨烯制成一定的结构并嵌入至设计好的超构材料中，将圆偏光倾斜入射至此超构材料上，不仅可以实现对圆偏光的双通道传输与多信息的探测，而且可以实现圆二向色性，圆的双折射现象以及非对称传输现象，并且都可以通过调节石墨烯的费米能级来对这些现象进行动态调控。本发明设计的结构简单，大大降低了加工的难度，应用前景广阔。

Description

一种中红外波段双通道多信息手性可调谐的石墨烯超构材料

技术领域

本发明涉及一种中红外波段双通道多信息手性可调谐的石墨烯超构材料，属于电磁波和电磁超构材料领域。

背景技术

超构材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能，如负折射、完美透镜、隐身斗篷等。超构材料在最近几十年的时间里被各个行业广泛关注，越来越多的研究人员开始研究超构材料及其相关应用，并且有很多科研成果伴随着超构材料不断被提出。超构材料最早以左手材料(LHM)和负折射材料(NIM)而著名。手性超构材料是一种其自身的结构与其镜像不能通过旋转、平移而相互重合，只能通过翻转才能互相重合的人工材料。当电磁波入射到这种手性结构材料上时，电场与磁场会发生交叉耦合，从而实现圆二向色性，圆的双折射现象等光学现象。虽然地球上的某些物质也具有手性，但是手性很弱而且难以控制，所以通过超构材料来实现较强的手性性质并通过某些手段实现圆二向色性及圆的双折射现象的可调谐。值得注意的是，不仅手性材料可以实现手性性质，通过某些手段非手性材料也可以实现手性的性质。

为了控制超构材料的光学特性，设计者们通过改变超构材料的长度，厚度，半径大小等来实现目的。但是，设计者们发现当超构材料已经制作出来之后，再来通过这些方法来调制特定的电磁现象是非常的不方便的，也不现实。所以如何动态的调控超构材料的光学特性成了人们研究的热点。目前，可以通过在超构材料上附加二氧化钒、钇-氢化物、硫化玻璃、石墨烯等材料来实现对超构材料的动态调控。其中，石墨烯就可以很好的实现对超构材料的动态调控。石墨烯是只有一层碳原子的单层石墨，碳原子呈正六边形排列，碳-碳角为120°，键长为0.142mm，可以通过氧化还原法，化学气相沉积法，有机合成等方法来得到石墨烯。在2016年南开大学的李占成将石墨烯与超构材料结合，实现了石墨烯在中红外波段对非对称传输现象的动态调控。随后，国防科技大学光电科学与工程学院Zhao Junyang在石墨烯薄层上挖空了一个G形，从而制作出一种手性石墨烯超构材料。通过圆偏光入射到该超构材料上，该超构材料就能实现非对称传输现象。通过将石墨烯费米能级从0.4eV增加到0.8eV，实现了对非对称传输系数强度以及频率的调谐。

通过调节石墨烯的外置电压就可以在很宽的一段频率范围内调节石墨烯的费米能级，从而调节超构材料的电磁特性。这种调节方式非常便于控制，但是并没有将石墨烯与超构材料结合，来实现对圆偏光的双通道传输与多信息探测的超构材料。

发明内容

本发明的目的是为了将石墨烯与超构材料结合，来实现对圆偏光的双通道传输与多信息探测而提供一种中红外波段双通道多信息手性可调谐的石墨烯超构材料。

本发明的目的是这样实现的：材料采用“金属-石墨烯-介质”三层的结构，且最上层是在金的表面挖出一个非对称环的负结构，最下层是介质层，中间层是石墨烯非对称开口谐振环，且石墨烯非对称开口谐振环位于非对称环的负结构中。

本发明还包括这样一些结构特征：

1、所述超构材料结构具有二维手性性质。

2、石墨烯非对称开口谐振环上环状结构的左右两端设置两个开口，且两个开口的大小不等。

3、石墨烯非对称开口谐振环的两个开口分别为：左边开口角度为10°，右边开口角度为40°。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

将圆偏光倾斜入射至此超构材料上，本发明实现了对圆偏光的双通道传输，对透射和反射都具有很高的传输效率，可以实现很强的圆二向色性和圆的双折射现象。本发明结构本身是平面二维手性结构，将圆偏光垂直入射到此超构材料上时，对左旋圆偏光和右旋圆偏光实现了非对称传输现象。本发明设计的结构更为简单，大大降低了加工的难度。本发明在结构中加入了结构石墨烯材料，不需要改变超构材料的几何尺寸，通过调节石墨烯的外置电压就可以便捷地调控超构材料的光学特性。本发明可以利用对圆偏光的双通道传输和非对称传输来进行多信息探测。

也即本发明将石墨烯制成一定的结构并嵌入至设计好的超构材料中，不仅可以实现对圆偏光的双通道传输与多信息的探测，而且可以实现圆二向色性，圆的双折射现象以及非对称传输现象，并且都可以通过调节石墨烯的费米能级来对这些现象进行动态调控。

附图说明

图1是所设计石墨烯超构材料结构单元图，(a)图是金表面挖出非对称开口环的结构图，(b)图是在金属层和介质层之间填充的石墨烯材料结构图，(c)图是金属与石墨烯组合后结构图；

图2是在超构材料整体两端加上外置电压的示意图；

图3是圆偏光入射示意图，(a)图是圆偏光沿45°倾斜方向入射示意图，(b)图是圆偏光沿垂直方向入射示意图；

图4是不同费米能级下非对称传输系数，(a)图是不同费米能级下左旋圆偏光透射的非对称传输系数，(b)图是不同费米能级下右旋圆偏光透射的非对称传输系数；

图5是不同费米能级旋光效应效果图，(a)图是反射圆二向色性示意图，(b)图是透射圆二向色性示意图，(c)图是反射圆的双折射现象示意图，(d)图是透射圆的双折射现象示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明公开了一种中红外波段双通道多信息手性可调谐的石墨烯超构材料，通过圆偏光倾斜入射到此超构材料上来实现外致手性，实现对圆偏光透射和反射的双通道传输，实现圆二向色性及圆的双折射现象；同时，当圆偏光垂直入射到该手性超构材料上时，由于所设计超构材料本身具有二维手性性质，也可以实现对左旋圆偏光和右旋圆偏光的非对称传输现象。通过双通道传输和非对称传输来进行多信息的探测。并且将设计好结构的石墨烯材料嵌入在超构材料中，能够在一定的太赫兹频率范围内实现对圆二向色性，圆的双折射现象及非对称传输现象的可调谐。这一发明具有结构简单、易于制作等特点，不同于之前的发明仅可以实现圆二向色性及圆的双折射现象，或是仅能实现非对称传输现象，本设计不仅可以实现对圆偏光的双通道传输，而且可以实现非对称传输现象，都可以便捷地通过调节石墨烯材料的费米能级来实现对这些现象的动态调控。还可以通过双通道传输与非对称传输来进行多信息的探测。

为了实现上述发明的目的，本发明采用了“金属-石墨烯-介质”三层的结构。结构中最上层是在金的表面挖出一个非对称环的负结构，最下层介质层。在金属与介质层之间加了一层石墨烯非对称开口谐振环，可以通过改变石墨烯的费米能级来实现圆二向色性，圆的双折射以及非对称传输的可调谐的现象进行动态的调控。由于本发明所设计的超构材料结构具有二维手性性质，所以当平面电磁波垂直入射到超构材料上时，就可以实现非对称传输现象，但是此结构本身并没有三维手性性质，若将平面电磁波垂直入射到该结构上时，并不会有圆二向色性及圆的双折射现象的发生。所以为了实现目的，需要将圆偏振光倾斜入射到所发设计的超构材料上，从而实现外致手性的性质，这样就可以实现对圆偏光的双通道传输，产生圆二向色性及圆的双折射现象。要想实现对圆二向色性，圆的双折射现象以及非对称传输现象进行动态调节，就要实现对石墨烯的费米能级的调节，需要在石墨烯两端加上不同的偏置电压以实现其可调谐的特性。

所设计的可调谐石墨烯超构材料实现圆二向色性，圆的双折射现象以及非对称传输现象是在中红外波段。

该手性超构材料结构中左右两端的开口角度会影响非对称传输现象，当左边开口角度为10°，右边开口角度为40°时，有最佳的非对称传输系数。

当入射光垂直入射到该手性超构材料上时，该结构可以对左旋圆偏光和右旋圆偏光表现出非对称传输现象，非对称传输系数最大可以达到0.14，随着石墨烯的费米能级从0.3V增大到0.9eV，非对称传输系数的极值频率蓝移了5THz左右，非对称传输系数基本不变。

圆偏光以45°角倾斜入射到该手性超构材料上，结构中无石墨烯时，在44.5THz处，反射的圆二向色性能超过0.6，透射的圆二向色性约为0.38；在45THz处，反射的圆的双折射能超过20°，透射的圆的双折射强度可以超过40°；在45THz此手性超构材料对右旋圆偏光的吸收约为0.37，对左旋圆偏光的吸收超过10％。

当所设计的可调谐的石墨烯超构材料中石墨烯的费米能级从0.3eV-0.9eV变化时，每当石墨烯的费米能级增加0.2eV时，谐振频率都会蓝移1.75THz。

图1是所设计墨烯超构材料结构单元图。图1中(a)图是金表面挖出非对称开口环的结构图，(b)图是在金属层和介质层之间填充的石墨烯材料结构图，(c)图是金属与石墨烯组合后结构图。图2是在超构材料整体两端加上外置电压的示意图，可以根据对外致电压的调控来实现对石墨烯的费米能级的调控。图3中(a)图中圆偏光倾斜方向入射，其中入射角度γ为45°，图中小圆圈为手性有机分子，入射一束圆偏光，可以根据圆二向色性及圆的双折射现象来对手性有机分子进行探测；(b)图圆偏光垂直方向入射，可以根据对圆偏光的非对称传输来对手性有机分子进行探测。图4是不同的费米能级不同费米能级下非对称传输系数，其中(a)图不同费米能级下左旋圆偏光透射的非对称传输系数，(b)图是不同费米能级下右旋圆偏光透射的非对称传输系数。图5是不同费米能级旋光效应效果图，其中(a)图反射圆二向色性，(b)图是透射圆二向色性，(c)图是反射圆的双折射现象，(d)图是透射圆的双折射现象。

下面结合具体参数给出本发明的实施例：

针对现有超构材料难以对各种光学现象进行动态调控的问题，本发明设计了一种中红外波段双通道可调谐的手性石墨烯超构材料。在本例中，所设计的超构材料结构单元尺寸为，开口环的开口角度α为150°，β为160°，θ为40°。介质层的厚度为200nm，金的厚度为50nm，石墨烯的厚度为1nm，工作温度为300K，弛豫时间为0.7ps，费米能级为0.7eV。本发明结构可以实现对圆偏光的双通道传输，透射和反射都具有很好的效果，实现圆二向色性及圆的双折射现象；结构本身具有二维手性性质，可以实现对圆偏光的非对称传输现象。这些现象都可以通过石墨烯的费米能级进行调谐。并且可以利用双通道传输与非对称传输现象进行多信息的探测。

综上，本发明设计了一种中红外波段双通道多信息手性可调谐的石墨烯超构材料，该手性超构材料结构最上层是挖出非对称环结构的金，最下层是介质层，在金属与介质层之间加了石墨烯非对称开口谐振环结构。本发明所设计的石墨烯超构材料可以实现对圆偏光的双通道传输，即透射与反射都可以传输；而且该设计本身具有二维手性性质，当圆偏振光垂直入射到该超构材料上时，可以实现对左旋圆偏光和右旋圆偏光的非对称传输现象，所以可以根据双通道传输与非对称传输来进行多信息的探测。当圆偏振光倾斜入射时，实现外致三维手性，可实现圆二向色性及圆的双折射现象，并且也可以通过调节石墨烯的费米能级来对非对称传输现象，圆二向色性以及圆的双折射现象进行调谐。

Claims (1)

1.一种中红外波段双通道多信息手性可调谐的石墨烯超构材料，其特征在于：材料采用“金属-石墨烯-介质”三层的结构，且最上层是在金的表面挖出一个非对称环的负结构，最下层是介质层，中间层是石墨烯非对称开口谐振环，且石墨烯非对称开口谐振环位于非对称环的负结构中；所述超构材料结构具有二维手性性质；石墨烯非对称开口谐振环上环状结构的左右两端设置两个开口，且两个开口的大小不等；石墨烯非对称开口谐振环的两个开口分别为：左边开口角度为10°，右边开口角度为40°。

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