CN110727126B - 一种基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电磁波吸收领域，并具体公开了一种基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器。该双窄谱带近红外吸收器包从上至下依次设置的一维金属光栅、第一电介质层、石墨烯、第二电介质层和金属基底，工作时电磁波照射到双窄谱带近红外吸收器表面，一维金属光栅激发临界耦合波导共振，第一电介质层和第二电介质层之间激发法布里‑珀罗共振，石墨烯置于第一电介质层和第二电介质层之间进行电调谐，从而在近红外波段实现双窄谱带吸收。本发明有效提高了吸收器对电磁波尤其是近红外波段的吸收率，实现了双窄谱带吸收，具有制造成本低、效率高的优势。

Description

一种基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器

技术领域

本发明属于电磁波吸收领域，更具体地，涉及一种基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器。

背景技术

实现高效、可调谐的光吸收在基础研究和潜在的器件应用中是必不可少的，并且有着巨大的需求。近年来，窄带吸收因其优异的光谱选择性而受到广泛关注，包括等离子体传感器、光学滤波器、光学开关、选择性热发射器和太阳能光伏电池等。研究人员在实现窄带吸收方面做了大量的工作，如Tamm等离子体极化激元、波导共振、Fano共振、局域表面等离子体共振、法布里-珀罗(法布里-珀罗)共振和磁共振等。

以往的窄带吸收结构大多需要复杂的多层或亚波长尺度的模式设计，这将不可避免地带来加工难度，大大增加制造成本。此外，与单波段窄带吸收相比，多波段窄带吸收的研究还没有得到广泛的关注，多波段窄带吸收在选择性传感器、调制器和光学检测设备中具有潜在的应用前景，因此实现多波段窄带吸收是很有必要的。

此外，为了实现光谱吸收的主动可调谐性，改变超材料的几何参数是最常用的方法之一。但是在实际应用中重新制造新结构具有成本高、耗时长的缺陷。因此，研究人员迫切需要解决结构设计极限所带来的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，其中通过对吸收器的结构进行优化，利用石墨烯对临界耦合波导共振和法布里-珀罗共振进行电调谐，能够在近红外波段实现双窄谱带吸收，因而尤其适用于电磁波吸收的应用场合。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，该吸收器包括从上至下依次设置的一维金属光栅、第一电介质层、石墨烯、第二电介质层和金属基底，工作时当电磁波照射到所述吸收器表面，所述一维金属光栅激发临界耦合波导共振，所述第一电介质层和第二电介质层之间激发法布里-珀罗共振，所述石墨烯置于所述第一电介质层和第二电介质层之间进行电调谐，从而在近红外波段实现双窄谱带吸收。

作为进一步优选地，所述一维金属光栅和金属基底采用金属银制成。

作为进一步优选地，所述一维金属光栅的脊背高度为10nm～30nm。

作为进一步优选地，所述一维金属光栅的槽宽为50nm～250nm。

作为进一步优选地，所述第一电介质层和第二电介质层的介电常数为3～6。

作为进一步优选地，所述第一电介质层和第二电介质层的总厚度为200nm～500nm。

作为进一步优选地，所述第一电介质层和第二电介质层的厚度比为0.2～5。

作为进一步优选地，对所述石墨烯上施加1.3V～107.5V的栅电压。

作为进一步优选地，所述电磁波的入射角为0度～20度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明利用一维金属光栅激发临界耦合波导共振，同时在第一电介质层和第二电介质层之间形成法布里-珀罗共振，并利用置于电介质层中间的石墨烯进行多次反射、衍射和吸收，以此进行电调谐，从而有效提高了吸收器对电磁波尤其是近红外波段的吸收率，实现了双窄谱带吸收，具有制造成本低、效率高的优势；

2.尤其是，本发明为保证基于石墨烯电调谐的双窄谱带吸收器在近红外波段具有优异的吸收性能，对吸收器中各参数的影响进行研究，相应优化了一维金属光栅的脊背高度和槽宽，第一电介质层和第二电介质层的介电常数，总厚度和厚度比，通过上述参数的相互作用，能够在近红外波段实现近乎完美的双窄谱带吸收调谐；

3.此外，本发明针对结构固定的石墨烯电调谐的双窄谱带吸收器，通过优化石墨烯的栅电压和电磁波的入射角，能够有效提高吸收率，获得较佳的近红外吸收效果。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例构建的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器的结构示意图；

图2是本发明提供的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器对TM极化波和TE极化波的吸收光谱，其中(a)为TM极化波，(b)为TE极化波；

图3是本发明提供的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器在TM极化波和TE极化波下横截面(x-z)的电场分布图，其中(a)为在TM极化波下峰值1(λ＝1.544μm)的电场分布图，(b)为在TM极化波下峰值2(λ＝1.354μm)的电场分布图，(c)为在TE极化波下峰值1(λ＝1.586μm)的电场分布图；

图4是本发明提供的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器中一维金属光栅的脊背高度对法向光谱吸收率的影响，其中(a)为TM极化波，(b)为TE极化波；

图5是本发明提供的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器中一维金属光栅的槽宽对法向光谱吸收率的影响，其中(a)为TM极化波，(b)为TE极化波；

图6是本发明提供的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器中第一电介质层和第二电介质层的介电常数对法向光谱吸收率的影响，其中(a)为TM极化波，(b)为TE极化波；

图7是本发明提供的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器中石墨烯位置对法向光谱吸收率的影响，其中(a)为TM极化波，(b)为TE极化波；

图8是本发明提供的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器中石墨烯在电介质中的位置d₂与峰值吸收率和半波全宽的关系，其中(a)为TM极化波，(b)为TE极化波；

图9是本发明提供的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器中石墨烯化学势与峰值吸收率和半波全宽的关系，其中(a)为TM极化波，(b)为TE极化波；

图10是本发明提供的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器的光谱吸收率在TM极化波和TE极化波下随入射角和波长的变化曲线图，其中(a)为TM极化波，(b)为TE极化波。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-一维金属光栅，2-第一电介质层，3-石墨烯，4-第二电介质层，5-金属基底。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提出了一种基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，该双窄谱带近红外吸收器包括从上至下依次设置的一维金属光栅1、第一电介质层2、石墨烯3、第二电介质层4和金属基底5，当电磁波照射到双窄谱带近红外吸收器表面时，一维金属光栅1激发临界耦合波导共振，第一电介质层2和第二电介质层4之间激发法布里-珀罗共振，石墨烯3置于第一电介质层2和第二电介质层4之间加强了电磁波的反射、衍射和吸收，从而在近红外波段实现双窄谱带吸收，因相比于其他的贵金属，采用由金属银制成的一维金属光栅1和金属基底5时，双窄谱带近红外吸收器的光谱吸收率在近红外波段范围内表现的更好，故一维金属光栅1和金属基底5采用金属银制成。

在本专利中，除非有具体描述，否则基本几何参数假设为：d₁＝20nm，d₂＝250nm，d₃＝50nm，a＝50nm，Λ＝600nm和μ_g＝0.3eV，其中a为一维金属光栅1的槽宽，d₁为脊背高度，d₂为第一电介质层2的高度，d₃为第二电介质层4的高度，Λ为周期，μ_g为石墨烯3化学势。一维金属光栅1和金属基底5均采用金属银制成，银的介电函数ε可以用德鲁德模型表述为

其中银的高频介电常数ε_∞＝3.7，等离子体频率ω_P＝9.1eV，散射率γ＝0.018eV，ω为频率，i表示虚部。在本专利中做一个理想的假设，即第一电介质层2和第二电介质层4的介电常数设置为ε_d＝5。石墨烯3在可见光和近红外区域的介电函数ε_g可以通过ε_g＝1+iσ_g/(ωε₀t_g)表示，其中ε₀为真空中的介电函数，石墨烯3厚度d_g＝0.34nm，σ_g＝σ_intra+σ_inter表示石墨烯3的表面电导率，它可以通过带间σ_intra和带内σ_inter分布之和得到，其分别可以表示为：

其中G(ξ)＝sinh(ξ/k_BT)/[cosh(μ_g/k_BT)+cosh(ξ/k_BT)]，e为单位电荷，

为截断普朗克常数，k_B为玻尔兹曼常数，T为石墨烯3温度，ξ为电子频谱带，τ_g＝μμ_g/ev_F ²为石墨烯3弛豫时间，μ_g为石墨烯3的化学势，v_F＝1.0×10⁶m/s为费米速度。

由于本吸收器中银基底的厚度足够厚，所以结构的透射率可以忽略不计，因此吸收器的吸收率A可以表示为A＝1-R，这里R为复合结构的反射率。本专利利用RCWA方法对吸收器的传播特性进行理论研究，为了验证RCWA方法计算的结果，使用时域有限差分法(FDTD)对混合结构中的光传播进行了数值验证，如图2所示二者的计算结果吻合较好。此外，为了计算复合结构中各部分的局部吸收率，可以得到功率耗散密度w为w(x,z)＝0.5ε₀ωε″(x,z)|Ε(x,z)|²，其中ε″(x,z)为介电函数虚部，Ε(x,z)为电场强度，然后吸收器中给定体积V的局域吸收率可以通过α＝∫∫∫w(x,z)dV/(0.5c₀ε₀|Ε_inc|²S_areacosθ)得到，其中c₀为光速，Ε_inc为入射电场强度，S_area为入射区域面积，分母是外部入射波以入射角θ投射面积S的能量。如图2中(a)、(b)所示，复合结构的光谱吸收率在TM和TE极化下都有明显的尖锐峰峰1，这种特殊的光谱特征可以看作是典型的法布里-珀罗共振响应。对于TM极化下的峰值1(λ＝1.544μm)，总吸收率达到87.14％，石墨烯3的吸收贡献是75.25％，另一部分的吸收贡献(一维银光栅和银基底)仅为11.89％。而对于TE极化下的峰值1(λ＝1.586μm)，总吸收率达到95.52％，石墨烯3的吸收贡献为82.61％，另一部分的吸收贡献仅为12.91％。因此，与单层石墨烯3相比，由于法布里-珀罗共振电介层内电场的大幅增加，使得在TM和TE极化下的峰值1处，石墨烯3的局域吸收率均有明显提高。然而，对于TM极化下的峰2(λ＝1.354μm)，如图2中(b)所示，由于激发了临界耦合波导共振，在峰值2处的总吸收率达到99.66％，银光栅的吸收贡献约为96.94％，而只有2.72％来自于石墨烯3的贡献。

为进一步了解法布里-珀罗共振和临界耦合波导共振，图3中(a)-(c)给出了TM和TE极化下峰值1和峰值2处吸收器x-z截面的电场分布。对于TM或TE极化下的峰值1，吸收器中的电场分布表明大部分光被捕获在电介质层中，这是法布里-珀罗共振的典型特征。银基底中的电场几乎可以忽略不计，银基底仅轻微吸收透射光，但主要提供强反射，与电介质层结合帮助形成法布里-珀罗腔。相比之下，图2中(b)所示的峰值2，谐振腔在光栅中被激发，强电场主要集中在光栅沟槽中，这是临界耦合波导共振的典型特征。在法布里-珀罗共振中，电场主要聚集的电介质层中；而在临界耦合波导共振中，电场主要聚集在光栅槽中。尽管只有单原子层厚度，在电介质层中石墨烯3作为耗散层能强烈的吸收入射光，因此在TM极化下石墨烯3的局域吸收率在峰1比在峰2处高。

进一步，一维金属光栅1的脊背高度对吸收器的光谱吸收率产生较大影响。如图4中所示，将一维金属光栅1的脊背高度从15nm增加到30nm，在TM极化下由临界耦合波导共振引起的峰值波长几乎保持不变，而由法布里-珀罗共振引起的峰值波长在TM和TE极化下都存在一个明显的蓝移，因此与临界耦合波导共振相比，法布里-珀罗共振对光栅脊背高度的变化更为敏感。为保证能够在近红外波段实现近乎完美的双窄谱带吸收调谐，避免峰值吸收率受到影响，一维金属光栅1的脊背高度优选为10nm～30nm。

进一步，一维金属光栅1的槽宽对吸收器的光谱吸收率具有较大影响。如图5中所示，将一维金属光栅1的槽宽从50nm增加到150nm，在TM极化下由临界耦合波导共振引起的峰值波长和由法布里-珀罗共振引起的峰值波长均有明显的蓝移，而在TE极化下由法布里-珀罗共振引起的峰值波长有明显的红移。因此为保证能够在近红外波段实现近乎完美的双窄谱带吸收调谐，一维金属光栅1的槽宽优选为50nm～250nm。

进一步，第一电介质层2和第二电介质层4组成的电介质层对吸收器的光谱吸收率具有较大影响。如图5所示，在相同的条件下，在TE极化下由法布里-珀罗共振引起的峰值波长比TM极化下的峰值波长要长，这是由于TE和TM模式分裂造成的。由于法布里-珀罗共振中大部分的光主要捕获在电介质层，所以电介质层对光谱吸收率有很大的影响，因此第一电介质层2和第二电介质层的总厚度优选为200nm～500nm，并且第一电介质层2和第二电介质层4的总厚度为300nm时效果最优，从而能够在近红外波段实现近乎完美的双窄谱带吸收。图6研究了在TM和TE极化下电介质层的介电常数对吸收器光谱吸收率的影响。将电介质层介电常数从4增加到5，在TM和TE极化下复合结构的峰值波长都有明显的红移，而峰值吸收率几乎保持不变，所以第一电介质层2和第二电介质层4的介电常数优选为3～6，能够在近红外波段实现双窄谱带吸收。

进一步，通过调节石墨烯3在电介质层中的位置即第一电介质层2的厚度，可以优化吸收器的峰值吸收率。如图7所示，在保持d₂+d₃＝300nm的情况下，无论d₂如何变化，吸收器的峰值波长位置都保持不变。图8给出了石墨烯3在不同位置时(即第一电介质层2厚度不同时)复合结构的峰值吸收率和半波全宽，当第一电介质层2的厚度为50nm～250nm时，复合结构可以实现近乎完美的吸收率调谐，因此第一电介质层2与第二电介质层4的厚度比优选为0.2～5。

进一步，石墨烯3的表面电导率可以通过施加栅电压进行调节，这为通过调节石墨烯3片上的栅电压来优化复合结构的吸收率提供了可能性。在这种情况下，表面电荷密度由C_dV＝en_s决定，其中C_d＝ε_dε₀/d₂为栅极电容，n_s和V分别为表面电子密度和栅电压，n_s与V的关系可以定义为n_s＝ε_dε₀V/(ed₂)，因此石墨烯3的化学势可以用表示

图9为吸收器中法向光谱吸收率在TM和TE极化下对石墨烯3化学势的依赖关系。结果表明，随着石墨烯3化学势的增加，复合结构的光谱吸收率峰值波长位置保持不变。对于图9中(a)所示的TM极化，由法布里-珀罗共振引起的吸收峰有明显的改善，系统的吸收率可由86.8％提高到95.11％。而由临界耦合波导共振所引起的吸收峰略有变化，如石墨烯3化学势为0.4eV时复合结构的最大吸收率为99.81％，而石墨烯3化学势为0.5eV时复合结构的最小吸收率为96.23％。相比之下，图9中(b)所示的TE极化，随着石墨烯3化学势的增大，复合结构的峰值吸收率减弱。此外，相应的半波全宽与峰值吸收率呈正相关。如上，当体系已经形成时，可以通过在石墨烯3片上施加栅电压来调节复合结构的吸收响应。石墨烯3上的栅电压优选为1.3V～107.5V，从而能够将石墨烯3的化学势在0.1eV-0.9eV范围内调整，进而优化复合结构的光谱吸收率。

通过结构参数进行的吸收率调整适用于特定的要求，但是一旦结构被制造出来，这种调整就不再有效。另一种方法是通过改变入射角来调节系统的吸收率，这可以使系统具有一定的可调性。然而，上述复合结构的光谱吸收响应仅基于法向入射，图10给出了吸收器在TM和TE极化时的波长和入射角的吸收光谱。在TM极化时，在入射角小于20度时存在两个吸收峰，由临界耦合波导共振引起的吸收峰有明显的蓝移，而由法布里-珀罗共振引起的吸收峰有红移。此外，当入射角大于20度时，会出现新的吸收峰，这是临界耦合波导共振的典型响应。在TE极化时，随着入射角的增大，复合结构的吸收峰发生了明显的蓝移，在法向入射时复合结构的峰值出现在1586nm左右，而当入射角达到70度时，复合结构的峰值出现在1440nm左右。此外，对于大的斜入射角度，复合结构的吸收率仍然很高。因此，吸收器的极化特性与斜入射下优越的吸收稳定性相结合可以被用来角度传感和极化检测。为保证可以在TM偏振下实现双谱带吸收，入射角优选为0度～20度。

本发明提供的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，基于法布里-珀罗结构激发的法布里-珀罗共振和一维金属光栅1激发的临界耦合波导共振，由于电场在结构中的大幅度增加，将石墨烯3置于电介质层中，使得电磁波在结构内部可以进行更强的多次反射、衍射和吸收，同时增加了石墨烯3对电磁波的吸收机会，更多的电磁波可以被复合结构所捕获，进而提高了石墨烯3的局域吸收率以及整个结构的吸收率。此外，通过调节一维银光栅的槽宽和脊背高度，电介质层介电常数，优化石墨烯3在电介质层中的位置，给石墨烯3施加的栅电压的方式改变石墨烯3的表面电导率，改变电磁波的入射角度，能够在近红外波段实现双窄带的完美吸收。此外，借助于此结构可以增强石墨烯3的局域吸收率，为高性能石墨烯3基光电器件的实现提供了广阔的前景。

本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，其特征在于，该双窄谱带近红外吸收器包括从上至下依次设置的一维金属光栅(1)、第一电介质层(2)、石墨烯(3)、第二电介质层(4)和金属基底(5)，工作时电磁波照射到所述双窄谱带近红外吸收器的表面，所述一维金属光栅(1)激发临界耦合波导共振，所述第一电介质层(2)和第二电介质层(4)之间激发法布里-珀罗共振，所述石墨烯(3)置于所述第一电介质层(2)和第二电介质层(4)之间进行电调谐，从而在近红外波段实现双窄谱带吸收，所述一维金属光栅(1)的脊背高度为10nm～30nm，所述第一电介质层(2)和第二电介质层(4)的厚度比为0.2～5。

2.如权利要求1所述的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，其特征在于，所述一维金属光栅(1)和金属基底(5)采用金属银制成。

3.如权利要求1所述的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，其特征在于，所述一维金属光栅(1)的槽宽为50nm～250nm。

4.如权利要求1所述的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，其特征在于，所述第一电介质层(2)和第二电介质层(4)的介电常数为3～6。

5.如权利要求1所述的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，其特征在于，所述第一电介质层(2)和第二电介质层(4)的总厚度为200nm～500nm。

6.如权利要求1所述的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，其特征在于，对所述石墨烯(3)施加1.3V～107.5V的栅电压。

7.如权利要求1～6任一项所述的基于石墨烯电调谐的双窄谱带近红外吸收器，其特征在于，所述电磁波的入射角为0度～20度。

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