CN111273383B - 一种实现石墨烯对圆偏振光高效率吸收的方法及吸波装置 - Google Patents

一种实现石墨烯对圆偏振光高效率吸收的方法及吸波装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现石墨烯对圆偏振光高效率吸收的方法及吸波装置，属于光电探测与微纳光机电系统领域。所述装置的结构从上到下依次由石墨烯方片周期性阵列、介质薄膜层和金属反射镜构成，其中石墨烯方片位于元胞中心位置，介质薄膜层用来分隔石墨烯和金属反射镜，金属反射镜为一块厚度大于入射光波长趋肤深度的金属薄片。针对本发明装置激发的石墨烯等离子体共振，利用Fabry‑Pérot理论可以准确估算吸收峰位置；通过调控石墨烯的费米能级可以动态选择增强吸收通道；通过在元胞中集成多个不同边长的石墨烯方片，可以获得多个高效率的吸收通道。

Description

一种实现石墨烯对圆偏振光高效率吸收的方法及吸波装置
技术领域
本发明涉及一种实现石墨烯对圆偏振光高效率吸收的方法及吸波装置，属于光电探测与微纳光机电系统领域。
背景技术
旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称为圆偏振光，它在诸多领域有重要应用。例如，在量子信息处理中，基于圆偏振光和量子点-腔系统的相互作用可以提高远距离量子通信的安全性和保真度；在通信领域，圆偏振激光因其自身的旋转对称性，使系统的性能不受通信终端相对运动的影响，特别适用于移动通信终端；在光电探测领域，通过借助金属等离子体手性超材料，可以选择左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的吸收效率，进而可以实现基于偏振态调控的光电探测；此外，圆偏振发光材料近年来受到广泛关注，圆偏振光反映出手性发光材料的激发态信息，在光信息存储与光信息处理中发挥重要作用。
石墨烯(Graphene)作为一种新型二维材料，其独特优异的光电特性引起了纳米材料、凝聚态物理以及工程学界的极大兴趣，并且在新能源材料、超级电容器和高速晶体管等领域具有潜在应用价值。尤其是，在中红外到太赫兹波段，石墨烯和金属等离子体材料类似，可以产生光场高度局域的石墨烯等离子体共振，可以有效提升光与石墨烯的相互作用。近年来，圆偏振光与石墨烯的相互作用逐渐受到人们关注，主要集中在以下几方面：一是通过构建不对称的石墨烯微结构图案，可以对入射的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光获得不同的传输效率；二是通过将石墨烯和金属等离子体手性超材料相结合，可以控制左旋圆偏振光和右旋圆偏振光的透射率，并由此获得不同的圆二色性。此外，采用石墨烯手性超材料结构，通过激发石墨烯微结构图案中的等离子体共振模式，可以对入射的圆偏振光实现振幅、相位和偏振态的调控，进而实现圆偏振光与线偏振光和椭圆偏振光的传输转换。然而，当前利用石墨烯实现对圆偏振光吸收增强的研究很少，极少数研究虽然涉及石墨烯对圆偏振光的选择性吸收，但是吸收效率低，共振吸收峰位置难以有效估算，也没能够获得基于圆偏振光的多个高效率吸收增强通道，这限制了石墨烯在中红外到太赫兹波段对圆偏振光吸收增强的应用。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种实现石墨烯对圆偏振光高效率吸收的方法及吸波装置。
本发明提供一种实现石墨烯对圆偏振光高效率吸收的装置，石墨烯对圆偏振光的高效率吸收本质源于石墨烯等离子体共振，当圆偏振光入射到石墨烯方片时，在圆偏振光两个正交方向电场的激发下，电荷在石墨烯方片的边缘积累形成石墨烯等离子体共振，电场在石墨烯方片附近被高度局域并显著增强，进而实现石墨烯对圆偏振光的高效率吸收；所述装置由结构元胞构成，所述元胞从上到下依次由石墨烯方片、介质薄膜层和金属反射镜构成。
在本发明的一种实施方式中，所述介质薄膜层用来分隔石墨烯和金属反射镜；所述金属反射镜的厚度大于入射光波长趋肤深度。
在本发明的一种实施方式中，所述金属反射镜材料采用金，石墨烯方片的边长L＝0.32μm；二氧化硅厚度d＝2.2μm，结构元胞的周期P＝0.8μm，圆偏振光从上方垂直入射至器件表面。
本发明提供了一种吸波装置的制备方法，采用电子束蒸发镀膜、或磁控溅射镀膜等方式将金属沉积到光学基底上，得到一定厚度的金属反射镜；在此基础上，采用热蒸发镀膜或电子束蒸发镀膜等方式将介质层薄膜均匀沉积到金属反射镜的表面；然后，采用转移方法或化学气相沉积等方法在介质层表面沉积石墨烯；最后，通过电子束直写或聚焦离子束刻蚀或激光直写等方式制备石墨烯方片周期性阵列。所述吸波装置由结构元胞构成，所述元胞从上到下依次由石墨烯方片、介质薄膜层和金属反射镜构成。
在本发明的一种实施方式中，所述石墨烯的电导率σg可由Kubo公式确定，它为石墨烯带内跃迁电导率σintra和带间跃迁电导率σinter之和，可以表达为：
Figure BDA0002388625820000021
Figure BDA0002388625820000022
其中，
Figure BDA0002388625820000023
为约化普朗克常数，T为开尔文温度(室温下T＝300K)，e为电子电荷量，ω为入射光的角频率，kB为玻尔兹曼常数，τ＝0.5ps为动量弛豫时间，EF＝0.56eV为石墨烯的费米能级，ε0是真空介电常数。在中红外到太赫兹波段，石墨烯带间跃迁电导率σinter对σg的贡献很小，可以忽略，此时石墨烯的电导率呈现出和金属Drude模型类似的特征，可以简化为：
Figure BDA0002388625820000024
相应石墨烯的介电常数为：εg＝1+iσg/(ε0ωΔ)，其中Δ为石墨烯厚度，大小为1nm。
本发明提供一种基于石墨烯等离子体共振，并采用F-P(Fabry-Pérot)共振理论有效估算圆偏振光吸收峰位置的方法，所述方法包括：采用FDTD计算石墨烯取不同边长时所对应的补偿相位，然后进行线性拟合，进而估算石墨烯取其他边长时所对应的补偿相位，对应的共振吸收波长λr与石墨烯方片边长L满足：
Figure BDA0002388625820000031
其中，λr是圆偏振光的共振吸收波长，m为共振模式数，L为石墨烯方片的边长，
Figure BDA0002388625820000032
是补偿相位；Re(neff)为石墨烯等离子体有效折射率的实部，它可以通过求解“石墨烯-介质-金属”结构中石墨烯等离子体模式的有效折射率获得，其大小与石墨烯方片的边长、介质薄膜层的介电常数和厚度有关；
根据上式估算出石墨烯边长对应的共振吸收波长λr，即可得到吸收峰位置。
本发明提供一种动态调控石墨烯对圆偏振光吸收通道的方法，通过对石墨烯施加外加电压改变石墨烯的费米能级EF，进而改变石墨烯等离子体对应的共振波长，实现石墨烯对圆偏振光吸收通道的动态选择。
在本发明的一种实施方式中，通过增加石墨烯费米能级EF，石墨烯对圆偏振光的吸收波长发生蓝移，吸收峰向短波方向移动。
本发明提供一种实现石墨烯对圆偏振光高效率多通道增强吸收的方法，由F-P模型可知，椭圆偏振光的增强吸收通道与石墨烯方片的边长L有关，石墨烯方片的边长L越大，对应的吸收波长也越大，因此可以通过在一个元胞中集成多个不同边长的石墨烯方片，进而获得对圆偏振光的多个吸收增强通道。
在本发明的一种实施方式中，通过在元胞中分别集成2个和3个不同边长的石墨烯方片，分别获得2个和3个圆偏振光的增强吸收通道。
本发明提供一种动态调控石墨烯对圆偏振光吸收通道的方法，通过激发石墨烯方片的表面等离子体共振增强对圆偏振光的吸收效率，该方法适用的波段为可以激发石墨烯等离子体共振的中红外至太赫兹波段。
在本发明的一种实施方式中，在石墨烯等离子体共振对应的吸收波长处，石墨烯对圆偏振光的吸收效率最高达到100％。
本发明有益效果是：
(1)采用本发明的装置，在圆偏振光两个正交方向(x、y方向)电场的激发下，在特定波长处石墨烯方片的等离子体共振模式被激发，电荷在石墨烯方片的边缘积累形成石墨烯等离子体共振，并沿着石墨烯方片的x和y方向产生F-P共振，进而显著增强石墨烯对圆偏振光的吸收效率，最高光吸收效率达100％。
(2)由于石墨烯方片的边长L与共振波长λr存在一一对应关系，不同边长石墨烯方片的吸收峰位置可以通过本发明方法进行准确估算。此外，通过调节石墨烯方片的边长，可以改变石墨烯方片对应的F-P共振波长，进而可以选择不同的光吸收波长。
(3)由于石墨烯费米能级EF可以通过施加外加电压调控，不同费米能级下石墨烯对应不同的吸收波长，因此可以通过改变费米能级EF动态选择圆偏振光的吸收通道。
(4)由于不同边长的石墨烯方片对应不同长度的F-P腔，对应的光吸收波长也不同，因此在元胞中集成多个不同边长的石墨烯方块，可以获得多个具有高吸收效率的吸收通道。
附图说明
图1为实施例1的吸收装置微结构的元胞示意图。
图2为实施例1的石墨烯方片的吸收光谱图。
图3(a)为实施例1的在吸收波长位置(λr＝22.25μm)石墨烯方片表面(x-y平面)的电场分布图；图中：电场截取位置在空气-石墨烯分界面，对应的z坐标数值为z＝2.2μm；箭头代表电场方向。
图3(b)为实施例1的在吸收波长位置(λr＝22.25μm)石墨烯方片侧面(x-z平面)的电场分布图；图中：电场截取位置为石墨烯方片中心，对应的y坐标数值为y＝0.4μm；箭头代表电场方向。
图4为实施例2中F-P理论与FDTD仿真的吸收峰位置比对图。
图5为实施例3中不同费米能级EF下的石墨烯方片的吸收光谱图。
图6(a)为实施例4中在元胞中集成2个不同边长石墨烯方块的吸收光谱图；图中：每个石墨烯方片位于四分之一元胞面积的中心，其中L1＝0.20μm，L2＝0.32μm。
图6(b)为实施例4中在元胞中集成3个不同边长石墨烯方块的吸收光谱图；图中：每个石墨烯方片位于四分之一元胞面积的中心，其中L1＝0.20μm，L2＝0.26μm，L3＝0.35μm。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一：利用石墨烯方片实现对圆偏振光的完美吸收装置
如图1所示，为吸收装置的周期性微结构的元胞示意图，微结构的周期为P，其中背景为空气，该元胞从上到下依次由石墨烯方片、介质薄膜层和金属反射镜构成；其中石墨烯方片位于元胞的中央，边长为L；介质薄膜层用来分隔石墨烯和金属反射镜，其厚度为d；金属反射镜为一块厚度大于入射光波长趋肤深度的金属薄片(通常大于100nm)，借助金属反射镜的高反射效应有利于增加石墨烯对圆偏振光的吸收效率。当圆偏振光入射到石墨烯方片时，在圆偏振光两个正交方向(x、y方向)电场的激励下，在特定波长处石墨烯方片的等离子体共振模式被激发，电荷在石墨烯方片的边缘积累形成石墨烯等离子体共振，电场在石墨烯方片附近被高度局域并显著增强，使得石墨烯对圆偏振光的吸收效率急剧增强。尤其是，被圆偏振光电场激发形成的石墨烯等离子体将沿着x和y方向传播形成F-P共振模式，极大提升石墨烯对入射圆偏振光x和y方向光场能量的束缚，使得在共振波长处石墨烯可以对入射的圆偏振光实现完美吸收。
在本实施例中，所选取的设计波段为中红外波段，在该波段的入射光波可以激发石墨烯等离子体共振；所选用的介质层材料是二氧化硅(SiO2)，它在中红外波段的折射率为1.97；反射镜材料采用金(Au)，在中红外波段可以视为完美电导体；石墨烯方片的边长L＝0.32μm；二氧化硅厚度d＝2.2μm，微结构的周期P＝0.8μm，圆偏振光从上方垂直入射至器件表面。在上述参数条件下，可以看到在共振波长位置(λr＝22.25μm)，石墨烯对圆偏振光的吸收率达100％，石墨烯对圆偏振光实现了完美吸收，如图2所示。
为了进一步揭示石墨烯对圆偏振光的完美吸收机理，在上述参数条件下，研究结构中共振波长(λr＝22.25μm)在x-y平面和x-z平面的电场分布，分别如图3(a)和图3(b)所示。可以看到，在圆偏振光x和y方向正交电场的激励下，共振波长处石墨烯方片附近的电场取向沿x和y方向。此外，由于石墨烯等离子体共振效应，电场在石墨烯方片边缘被高度局域和增强，并在石墨烯方片的四个顶点形成电场热点，其对应的电偶极共振有效地增强了石墨烯方片对圆偏振光光场的捕获。
实施例二：利用F-P(Fabry-Pérot)理论估算石墨烯方片吸收峰位置的方法
在共振波长位置，在圆偏振光两个正交方向(x、y方向)电场的激发下形成的石墨烯等离子体共振，将沿着x和y方向上产生F-P共振，对应的光吸收波长λr与石墨烯方片边长L满足式(3)：
Figure BDA0002388625820000051
其中，λr是圆偏振光的共振吸收波长，m为共振模式数，L为石墨烯方片的边长，
Figure BDA0002388625820000052
是补偿相位；Re(neff)为石墨烯等离子体有效折射率的实部，它可以通过求解“石墨烯-介质-金属”结构中石墨烯等离子体模式的有效折射率获得，其大小与石墨烯方片的边长、介质薄膜层的介电常数和厚度有关。
基于实施例一，保持其它参数不变的情况下，可以依据式(3)估算出不同边长石墨烯方片对应的吸收波长位置。由于石墨烯方片的边长L发生改变时，对应的补偿相位
Figure BDA0002388625820000061
也将发生改变，因此在估算中补偿相位不可以被视为常数。在估算中，首先根据FDTD(时域有限差分法)的计算结果估算出起止石墨烯边长对应的相位补偿，然后采用线性拟合的方法估算出其他边长对应的相位，这样就可以依据式(3)估算出其他石墨烯边长对应的吸收波长位置。比如，当L＝0.2μm和L＝0.5μm时，计算得到二者对应的补偿相位
Figure BDA0002388625820000062
分别为0.3138和0.2750，基于线性拟合可以估算出当石墨烯方片边长分别为0.3μm和0.4μm时对应的补偿相位分别为0.2946和0.2898，进而采用式(3)估算出对应的吸收峰位置。如图4所示，采用F-P理论估算的吸收峰位置与FDTD计算结果非常吻合，因此可以采用F-P模型准确估算不同边长石墨烯方片的吸收峰位置。
实施例三：基于石墨烯费米能级EF动态调控吸收峰的方法
改变石墨烯的费米能级EF，可以改变石墨烯方片的吸收峰位置。具体的是，吸收峰波长随石墨烯费米能级的增加而减小，产生蓝移现象。同时，吸收率的变化较小，可以维持高效率的吸收性能。在应用中，通过施加外加电压可以改变石墨烯的费米能级EF，进而可以实现对圆偏振光吸收通道的动态调节。
基于实施例一，保持其它参数不变的情况下，改变石墨烯的费米能级EF，计算石墨烯方片吸波器对应的吸收光谱，得到图5。从图5可以看到，当费米能级由0.3eV增加到0.7eV，对应的窄带吸收峰发生蓝移，峰值位置由29.28μm移动至19.30μm。此外，在吸收峰蓝移过程中，峰值吸收率在费米能级为0.6eV时达100％，且在费米能级改变过程中吸收效率均高于60％，对圆偏振光的选择吸收性能良好。
实施例四：基于石墨烯方片实现高效率的多通道吸收增强的方法
由于不同边长的石墨烯方片对应不同长度的F-P腔，对应圆偏振光的吸收波长也不同，因此在元胞中集成多个不同边长的石墨烯方块，可以获得多个高吸收效率的通道。
基于实施例一，在结构参数不变的条件下，在元胞中集成2个和3个石墨烯方片，分别如图6(a)和图6(b)所示。可以看到，当增加石墨烯方片的数量时，吸收峰的数目也随之增加。当元胞中有两个石墨烯方片，边长分别为L1＝0.2μm、L2＝0.32μm，吸收光谱出现双吸收通道，吸收峰分别位于17.40μm和22.32μm，吸收率依次为82.50％和100％。当元胞中石墨烯方片的数量增加到三个，边长分别为L1＝0.20μm、L2＝0.26μm、L3＝0.35μm，可以获得3个增强吸收通道，吸收峰依次为17.96μm、21.24μm和26.27μm，吸收率分别为78.97％，76.70％和95.23％。可见，通过在元胞中集成多个不同边长的石墨烯方块，不仅可以增加圆偏振光吸收通道的数量，同时这些吸收通道均具有很高的吸收效率。
在实际应用中，由于金属反射镜为一块厚度大于入射光波长趋肤深度的金属薄片，一般大于100nm即可，它通常很薄，因此可以采用电子束蒸发镀膜、或磁控溅射镀膜等方式将金属沉积到诸如硅、或二氧化硅等常规光学基底上，得到一定厚度的金属反射镜；在此基础上，采用热蒸发镀膜或电子束蒸发镀膜等方式将介质层薄膜均匀沉积到金属反射镜的表面；然后，采用转移方法或化学气相沉积等方法在介质层表面沉积石墨烯；最后，通过电子束直写或聚焦离子束刻蚀或激光直写等方式制备石墨烯方片周期性阵列，最终完成石墨烯对圆偏振光高效率吸波器件的制作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于石墨烯等离子体共振估算圆偏振光吸收峰位置的方法，其特征在于，所述方法基于一种石墨烯对圆偏振光高效率吸收的吸波装置实现；所述装置由结构元胞构成，所述元胞从上到下依次由石墨烯方片、介质薄膜层和金属反射镜构成；所述介质薄膜层用来分隔石墨烯和金属反射镜；所述金属反射镜的厚度大于入射光波长趋肤深度；
所述方法包括：在圆偏振光两个正交方向电场的激发下，电荷在石墨烯方片的边缘积累形成石墨烯等离子体共振，采用FDTD计算石墨烯取不同边长时所对应的补偿相位，然后进行线性拟合，进而估算石墨烯取其他边长时所对应的补偿相位，对应的共振吸收波长λr与石墨烯方片边长L满足：
Figure FDA0003012316670000011
其中，λr是圆偏振光的共振吸收波长，m为共振模式数，L为石墨烯方片的边长，
Figure FDA0003012316670000012
/2π是补偿相位；Re(neff)为石墨烯等离子体有效折射率的实部；
根据上式估算出石墨烯边长对应的共振吸收波长λr，即可得到吸收峰位置。
2.一种动态选择石墨烯对圆偏振光吸收通道的方法，其特征在于，所述方法基于一种石墨烯对圆偏振光高效率吸收的吸波装置实现；所述装置由结构元胞构成，所述元胞从上到下依次由石墨烯方片、介质薄膜层和金属反射镜构成；所述介质薄膜层用来分隔石墨烯和金属反射镜；所述金属反射镜的厚度大于入射光波长趋肤深度；
所述方法在圆偏振光两个正交方向电场的激发下，电荷在石墨烯方片的边缘积累形成石墨烯等离子体共振，通过对石墨烯施加外加电压改变石墨烯的费米能级EF，进而改变石墨烯等离子体对应的共振波长，实现石墨烯对圆偏振光吸收通道的动态选择。
3.如权利要求2所述的一种动态选择石墨烯对圆偏振光吸收通道的方法，其特征在于，通过增加石墨烯费米能级EF，石墨烯对圆偏振光的吸收波长发生蓝移，吸收峰向短波方向移动。
4.一种实现石墨烯对圆偏振光高效率多通道增强吸收的方法，其特征在于，所述方法基于一种石墨烯对圆偏振光高效率吸收的吸波装置实现；所述装置由结构元胞构成，所述元胞从上到下依次由石墨烯方片、介质薄膜层和金属反射镜构成；所述介质薄膜层用来分隔石墨烯和金属反射镜；所述金属反射镜的厚度大于入射光波长趋肤深度；
所述方法在圆偏振光两个正交方向电场的激发下，电荷在石墨烯方片的边缘积累形成石墨烯等离子体共振，通过在一个元胞中集成多个不同边长的石墨烯方片，进而获得对圆偏振光的多个吸收增强通道。
5.如权利要求4所述的一种实现石墨烯对圆偏振光高效率多通道增强吸收的方法，其特征在于，所述在一个元胞中集成不同边长的石墨烯方片数量为2个或3个，分别获得2个和3个圆偏振光的增强吸收通道。
6.一种实现石墨烯对圆偏振光选择性吸收的方法，其特征在于，所述方法基于一种石墨烯对圆偏振光高效率吸收的吸波装置实现；所述装置由结构元胞构成，所述元胞从上到下依次由石墨烯方片、介质薄膜层和金属反射镜构成；所述介质薄膜层用来分隔石墨烯和金属反射镜；所述金属反射镜的厚度大于入射光波长趋肤深度；
所述方法通过激发石墨烯方片的表面等离子体共振增强对圆偏振光的吸收效率，该方法适用的波段为可以激发石墨烯等离子体共振的中红外至太赫兹波段。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在石墨烯等离子体共振对应的吸收波长处，石墨烯对圆偏振光的吸收效率最高达到100％。
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