CN110780369A - 基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器 - Google Patents

Abstract

基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器，具有周期性结构，一个周期的结构由石墨烯层G和两种介质层A、B交替沿z轴分布而成，表示为(GAB)^N，N为周期数目，石墨烯设置在A和B的分界面上；具体地，一个周期的结构中，各材料层依次为，一层石墨烯层G、一层介质层A、一层石墨烯层G、一层介质层B。本发明设计的复合结构，利用一维光子晶体特有的传输特性，极大地增强了电磁波与石墨烯作用的次数和时间，提高了吸收率，扩大了吸收带宽。通过调节结构参数，把吸收谱调节到可见光范围。石墨烯的界面效应又能使吸收谱对光波入射角度不敏感，具有宽角度吸收特性。本发明实现可见光全波段宽角度吸收器，为设计太阳能吸收器提供重要参考。

Description

基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器

技术领域

本发明涉及光波吸收器件，具体涉及一种基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器。

背景技术

光波吸收器件是指把入射的光波电磁能量转化为热能或其它形式能量的一种结构，它在太阳能收集、热电转换、传感、红外探测、热辐射调制等领域有着广泛的应用。考虑到容易加工，基于金属和介质组成的一维层状结构是常见的电磁波吸收器的构型。但普遍存在吸收效率低，对入射方向敏感等问题。近年来石墨烯由于具有非常独特的电学和光学性质，被广泛应用于各种光电子器件的研究当中。但由于石墨烯的厚度极薄，小于1nm，这使得其光吸收率很低，从而限制了石墨烯在光吸收领域的应用。最近有研究发现，当石墨烯位于光子晶体表面时，石墨烯和间隔层在光子晶体表面构成了表面缺陷，从而导致光的局域化。这种局域化将使得由石墨烯能带间跃迁所导致的可见光光吸收被增强大约4倍13。进一步地，已有研究利用基于石墨烯的双曲型超材料结构实现了电磁波的完美吸收。但上述研究中的完美吸收都是针对特定的频率范围。从太阳能电池的实际应用来看，可见光全波段和宽角度吸收的器件更有应用价值。目前的研究还没有在这方面有所突破。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器

基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器，所述可见光全波段吸收器具有周期性结构，所述一个周期的结构由石墨烯层G和两种介质层A、B交替沿z轴分布而成，表示为(GAB)^N，N为周期数目，石墨烯设置在A和B的分界面上；

具体地，所述一个周期的结构中，各材料层依次为，一层石墨烯层G、一层介质层A、一层石墨烯层G、一层介质层B。

进一步地，所述介质层A的折射率为n_A＝1.5，厚度为d_A＝167nm。

进一步地，所述介质层B的折射率为n_B＝1.5，厚度为d_B＝100nm。

进一步地，所述的整个周期性结构放置在折射率为3.4的背景介质C中。

进一步地，所述周期性结构发生布拉格散射，使得光波在石墨烯层G表面的反射和透射次数增加，增强石墨烯的吸收。

本发明达到的有益效果为：设计石墨烯和一维光子晶体复合结构，在一维光子晶体周期单元每一层的表面都镀上石墨烯材料，该结构的设计利用一维光子晶体特有的传输特性，极大地增强了电磁波与石墨烯作用的次数和时间，提高了吸收率，扩大了吸收带宽。通过调节结构参数，把吸收谱调节到可见光范围。石墨烯的界面效应又能使吸收谱对光波入射角度不敏感，具有宽角度吸收特性。本发明实现了可见光全波段宽角度吸收器，为设计太阳能吸收器提供了重要参考。

附图说明

图1为本发明所述的全波段吸收器的机构示意图。

图2为本发明所述的石墨烯表面的过渡边界示意图。

图3为本发明所述全波段吸收器在正入射条件下不同周期数目结构的反射谱、透射谱和吸收谱。

图4为本发明所述全波段吸收器在正入射条件下级联结构(GA₁B₁)³⁰的反射谱、透射谱和吸收谱。

图5为本发明所述全波段吸收器在正入射条件下级联结构(GA₁B₁)³⁰(GAB)¹⁶⁰的反射谱、透射谱和吸收谱。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

石墨烯的性质主要由其电导率来决定，可采用Kubo模型来描述整个波段的大小分布，其表面电导率大小表示为：

式中ω是入射光角频率，e是电子的电量，h是简约普朗克常数，k_B是波尔茨曼常数，T是温度，E_f是费米能，τ是电子弛豫时间。石墨烯是单层原子结构，其厚度小于一个纳米。对单层石墨烯结构，电磁波入射到石墨烯表面经历的反射和透射行为与普通介质层明显不同，所以必须采取特殊的分析方法。目前已有研究人员提出从麦克斯韦方程组所要求的电磁场边界条件出发，借助传输矩阵方法推导出电磁波在石墨烯表面的传输规律。本发明利用同样的原理研究石墨烯与一维光子晶体的复合结构对光波的吸收规律。

基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器，所述可见光全波段吸收器具有周期性结构，所述一个周期的结构由石墨烯层G和两种介质层A、B交替沿z轴分布而成，表示为(GAB)^N，N为周期数目，石墨烯设置在A和B的分界面上。

具体地，所述一个周期的结构中，各材料层依次为，一层石墨烯层G、一层介质层A、一层石墨烯层G、一层介质层B。

所述介质层A的折射率为n_A＝1.5，厚度为d_A＝167nm。

所述介质层B的折射率为n_B＝1.5，厚度为d_B＝100nm。

所述的整个周期性结构放置在折射率为3.4的背景介质C中。

所述周期性结构发生布拉格散射，使得光波在石墨烯层G表面的反射和透射次数增加，增强石墨烯的吸收。

入射面为xz平面。对H极化电磁波，磁场只有y分量，在任一介质层内电磁波是正反两个方向平面电磁波的叠加，表示为：

其中k_x表示波矢的切向分量，在传输过程中保持不变。由麦克斯韦方程可以推导对应的电场为x分量，表示为：

当电磁波在两种普通介质的界面过渡，电场和磁场在切向(x,y方向)的分量均保持连续，用矩阵表示：

其中

于是有：

其中称过渡矩阵。

在图1所示的结构中，由于石墨烯的厚度小于1nm,故可以把它看作没有厚度的界面。当电磁波从j层经过石墨烯过渡到i层时，由于石墨烯存在表面电流，导致磁场的切向不再连续，如图2所示，边界过渡条件变为：

于是(4)式变形为：

此时过渡矩阵

与不存在石墨烯的情况完全不同。在图2结构中，电磁波前后界面处的入射场H_in、反射场H_r和透射场H_t的关系可以通过以下矩阵计算：

由此得到结构透射率t，反射率r和吸收率A计算公式：

A＝1-t-r (11)

为了实现结构在可见光波段的高吸收，经过多次尝试，最后结构参数优化如下：d_A＝167nm,d_B＝100nm,n_A＝1.5,n_B＝1.5,电子驰豫时间τ＝10^-14s，费米能E_f＝0.1eV。先考虑正入射情况，θ＝0°，在周期N＝20,40,80,160的条件下，结构的反射谱、透射谱和吸收谱如图3所示。在频段350THz-850THz出现通带，在此通带范围，反射率很小，出现较大的吸收谱值。说明结构的吸收必须在通带范围，因为只有这样，电磁波才能进入结构内部，与石墨烯发生相互作用，产生能量转换。在周期数较小时，通带范围内反射谱出现较大的振荡，随着周期的增加，振荡幅度逐渐减小，但在带隙的中间600THz附近出现一个逐渐增大的反射峰。该反射峰对吸收不利，但因为带宽很窄，对吸收器影响不大，后面分析其产生原因。对透射谱，在周期数较小时，通带范围内透射谱也出现较大的振荡，随着周期的增加，透射率和振荡幅度均逐渐减小。反射谱和透射谱的性质决定了吸收谱的分布特征。只有在通带范围内，电磁波在透射过程中才能与石墨烯发生充分的相互作用，产生较大的吸收。在周期数较小时，通带范围内吸收谱也出现较大的振荡，随着周期的增加，吸收率逐渐增加，振荡幅度均逐渐减小。599THz处出现一个吸收率的下降峰，但范围很小。于是在整个可见光390THz-790THz频段产生较大的吸收效应。图中599THz附近反射峰产生的原因是由于结构的布拉格反射。A和B层光学厚度均为或接近250nm，光通过入射和反射光程差为500nm，正好等于599THz对应的波长，从而产生反射叠加，干涉增强效应。在周期数较小时，反射增强效应不明显，随着周期数的增加，在该频率处产生孤立的反射峰。这个孤立的反射峰导致吸收谱在该位置产生突然下降，对吸收器的性能是不利的，但由于频带很窄，对吸收器的整体性能影响不大。

为了进一步增加吸收率，进一步增加周期数目。但结果发现，周期数目达到150吸收率就达到饱和，于是把周期数选定在N＝160。石墨烯一个重要特点是可调制性，即它的化学势可以通过外加电压来改变。石墨烯的吸收属性主要取决于它的电导率。在上述结构参数条件下，计算不同化学势下电导率的实部和虚部，结果表示，在300THz到900THz频谱范围内电导率σ_g对费米能E_f在小于0.5eV的条件下实部和虚部变化很小，因此在这个范围结构的吸收率基本不发生变化。但在E_f大于0.5eV后，电导率σ_g实部和虚部变化明显，此时吸收谱可以得出，随着费米能的增加，吸收谱在低频段出现下降，且下降的范围逐渐向高频移动，但在高吸收谱段，吸收率没有明显的变化。因此，作为可见光吸收器的设计，费米能要控制在较小的范围内。

作为吸收器，对入射光的角度响应也是很重要的。为此，在图3结构的基础上计算了结构的吸收频谱随入射角度的变化，结果显示，随着角度的增加，吸收谱的下降峰向高频移动，吸收谱有整体右移趋势，但低频段移动较小，高频段移动较大。但在整体高吸收频段，吸收率变化不大。因此，本发明设计的吸收器有很好的角度响应，能在可见光范围宽角度范围实现较高的吸收。究其原因，石墨烯的界面效应使该结构的能带属性对入射角度不敏感，从而入射方向的变化没有对吸收谱产生较大的影响。

因为上述结果在599THz处还存在吸收下降峰的问题，所以还不能严格地说在可见光全波段的高吸收。为了解决这个问题，首先要搞清楚产生吸收下降峰的原因。前面分析已经指出，在599THz处由于布拉格散射产生反射光干涉加强效应，从而形成很窄的反射峰。在此频率的电磁场由于高反射无法进入与石墨烯发生作用。但因为光子晶体传输谱和结构尺寸具有同比例缩放的属性，如果将设计的结构每层同比例缩小，则反射峰的位置将会偏离599THz。因此，设计一个级联的光子晶体的结构，也就是在图3结构的基础上级联一个按比例缩放的同样的光子晶体结构，总的结构表示为(GA₁B₁)^N1(GAB)^N,其中介质层A₁和B₁的厚度表示为d_A1＝sd_A,d_B1＝sd_B,s是比例系数。对前半段(GA₁B₁)^N1反射峰不在159THz，这样159THz附近的电磁波被有效地吸收。但(GA₁B₁)^N1本身又会产生新的反射峰，造成可见光波段吸收谱的不完整。此时可适当减小它的周期数N₁。经过精心选择N₁和s的取值，可将整体结构在可见光波段的吸收实现完美的优化。图4是N₁＝30,s＝1.05结构(GA₁B₁)^N1的结果，可见此结构反射峰偏离599THz，出现在569THz,且幅度很小。图5是级联结构的传输谱和吸收谱。可见只有在569THz和599THz两个频率处吸收率为0.7和0.66，形成2个极小的吸收下降峰值。其中569THz的下降峰值是前半段结构反射产生的，599THz的下降峰值还是原结构反射的原因，但现在其反射将被前半段有效吸收。因此通过级联结构，原结构在特定频率造成的吸收下降得到有效的抑制。除了这两个特殊频率，在整个可见光波段(380～790THz)吸收率均在0.88左右，形成了理想的吸收平带。

同样观察图5的级联结构吸收对入射角度的响应，得出在0度、20度和40度入射条件下的吸收谱。可以得出，整体吸收谱随角度的增加向高频移动，吸收带在低频移动较慢，吸收带仍完全包含可见光频率。两个吸收下降峰值也向高频移动，下降峰变得更低。但在其他频率，吸收率不仅没有减小，反而有逐渐增加的趋势。与一般光子晶体传输谱随入射角改变变化较大相比较，设计的结构具有对入射角度不敏感的特征。

本文用数值方法研究了石墨烯和一维光子晶体的复合结构对光波的吸收属性，结构能在可见光全波段实现宽角度高效率的吸收。这样的结构为设计太阳能吸收器提供了重要参考。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (5)

1.基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器，其特征在于：

所述可见光全波段吸收器具有周期性结构，所述一个周期的结构由石墨烯层G和两种介质层A、B交替沿z轴分布而成，表示为(GAB)^N，N为周期数目，石墨烯设置在A和B的分界面上；

具体地，所述一个周期的结构中，各材料层依次为，一层石墨烯层G、一层介质层A、一层石墨烯层G、一层介质层B。

2.根据权利要求1所述的基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器，其特征在于：所述介质层A的折射率为n_A＝1.5，厚度为d_A＝167nm。

3.根据权利要求1所述的基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器，其特征在于：所述介质层B的折射率为n_B＝1.5，厚度为d_B＝100nm。

4.根据权利要求1所述的基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器，其特征在于：所述的整个周期性结构放置在折射率为3.4的背景介质C中。

5.根据权利要求1所述的基于石墨烯和一维光子晶体复合结构的可见光全波段吸收器，其特征在于：所述周期性结构发生布拉格散射，使得光波在石墨烯层G表面的反射和透射次数增加，增强石墨烯的吸收。

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