CN112909565B - 一种混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合图案化金属‑石墨烯超表面的多波带吸收器，所述多波带吸收器是以薄金属板作为最底层的金属反射板，最上层超表面图案化金属‑石墨烯周期单元在中间介质夹层(二氧化硅)上周期性排列组成；每一个超表面图案化金属‑石墨烯周期单元是由石墨烯矩形环和位于石墨烯矩形环中心的金属圆盘组成，由此形成共层面；所述超表面图案化金属‑石墨烯周期单元位于结构的最上层，中间介质夹层位于结构中间层，金属反射板作为反射板位于结构最底层；本发明具有三个较高吸收率的吸收峰，可广角入射以及吸收可调节等特点同时该类型的吸收器尺寸小，厚度薄，便于集成与制作。
Description
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，具体涉及一种混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器。
背景技术
表面等离子共振(SPR)是一种电磁模式，它沿金属-介质界面传播。它是由金属表面的光场和集体电子振荡的耦合产生的。SPR的特性取决于纳米结构的几何形状，大小和组成。在亚波长范围内，表面等离子体共振为各种光电器件的设计提供了一个极好的平台。超材料是人为设计的具有亚波长尺寸的周期性阵列结构。它具有许多卓越的电磁特性，这对于纳米光子学的研究具有潜在的价值。超表面是由亚波长周期结构按照一定的规律排列组成的平面阵列，简单来说，超表面可以看成是超材料的二维平面结构。作为一种人为设计的平面光学微纳结构，超表面能在亚波长尺寸中以独特的方式有效操纵入射光束的波前，并在其透射和反射波中呈现出非均匀的相位分布。而基于石墨烯的吸收器具有可调谐的特征，因此吸收性能具有可调谐的石墨烯超表面吸收器的研究近年来发展迅速。
石墨烯是一种具有单分子碳原子层的二维材料，由于其独特的蜂窝晶格和电子能带结构而引起了人们对光子和电子研究的兴趣。与金属相比，当与入射电磁波相互作用时，石墨烯具有更出色的等离子体性能，因此石墨烯在光电子学领域具有许多潜在的应用。另外，可以通过静电掺杂调节化学势的方法或者侧端连接电压来连续调节石墨烯的表面电导率，从而改变石墨烯的费米能级，进而动态调谐吸收器的吸收峰，以实现吸收体的可调性能。这种独特的性能使石墨烯成为设计可调吸收器的极佳材料。基于这些特性，研究了具有近乎完美吸收性能的可调谐石墨烯吸收器。在许多实际应用中，基于多波带超材料吸收器的可以执行频率检测，而且可以减少环境干扰并具有较高的检测灵敏度和稳定性。然而，如何获得具有高灵敏度折射率传感的多波段石墨烯吸收器仍然是一个热点问题，值得我们的关注和研究。
发明内容
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，具有三个共振吸收峰，广角入射以及吸收水平可调节等特点，同时该耦合器件尺寸小厚度薄，结构简单易于集成与制作。
本发明通过以下技术手段解决上述问题：
一种混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，包括金属反射层、中间介质夹层和混合图案化金属-石墨烯结构；其中，混合图案化金属-石墨烯结构包括若干个超表面图案化金属-石墨烯周期单元；
若干个超表面图案化金属-石墨烯周期单元在中间介质夹层上表面周期性排列，形成共面层，金属反射层紧贴于中间介质夹层下表面；
太赫兹平面波光源垂直照射在混合图案化金属-石墨烯结构上，得到三个吸收峰，实现多波带吸收，通过改变侧端栅电压来调节混合图案化金属-石墨烯结构中石墨烯的费米能级，在侧端栅电压通电情况下，改变石墨烯的电导率大小，进而实现多波带吸收器吸收峰的动态调节。
进一步地，所述金属反射层的材料为金，其电导率为6.09×10^6S/m-6.45×10^6S/m，周期单元长度为1.9μm～2.1μm，周期单元宽度为1.9μm～2.1μm，周期单元厚度为0.2μm～0.5μm。
进一步地，所述中间介质夹层的材料为二氧化硅，其相对介电常数为3.9～4.5，周期单元长度为1.9μm～2.1μm，周期单元宽度为1.9μm～2.1μm，周期单元厚度为4.2μm～4.6μm。
进一步地，混合图案化金属-石墨烯结构中，相邻的超表面图案化金属-石墨烯周期单元之间的间隔距离为0.1μm-0.3μm。
进一步地，超表面图案化金属-石墨烯周期单元包括一个石墨烯矩形环和其中的金属圆盘；
其中，所述石墨烯矩形环的外环边长L为1.7μm～1.8μm；所述石墨烯矩形环的内环边长p为0.9μm～1.1μm；位于石墨烯矩形环中心的金属圆盘的半径R均为0.1μm～0.5μm，高度H为0.3μm-0.5μm。
进一步地，石墨烯的费米能级为0.5eV～0.8eV。
进一步地，石墨烯的表面电导率由Kubo公式描述，该公式同时考虑了带间阶跃和带内阶跃：
在太赫兹光谱波段下，高掺杂石墨烯的光学电导率σg用类Drude模型近似描述：
其中T、kB分别为是环境温度、Boltzmann常数；e为电子电荷，i表示虚数，为约化普朗克常数，ω为角频率，Ef为石墨烯的费米能级；/>为载流子的驰豫时间，其中μ为石墨烯载流子迁移率，νF为费米速率。
与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明提供的混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器具有三个较高的吸收率，可广角入射以及吸收峰频率可调节等特点，同时耦合器件尺寸小厚度薄，结构简单便于集成与制作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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获得其他的附图。
图1为本发明混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器的几何示意图；
图2为本发明超表面图案化金属-石墨烯周期单元的结构示意图；
图3为本发明混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器的吸收性能曲线图；
图4为本发明混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器在不同费米能级时吸收器吸收性能对比曲线图；
图5为本发明混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器对入射角度从0°增加至50°的吸收性能曲线图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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。
如图1所示，本发明提供一种混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，包括金属反射层4、中间介质夹层3和混合图案化金属-石墨烯结构；其中，混合图案化金属-石墨烯结构包括若干个超表面图案化金属2-石墨烯1周期单元；
若干个超表面图案化金属2-石墨烯1周期单元在中间介质夹层3上表面周期性排列，形成共面层，金属反射层4紧贴于中间介质夹层3下表面；
太赫兹平面波光源垂直照射在混合图案化金属-石墨烯结构上，得到三个高吸收峰，实现多波带吸收，通过改变侧端栅电压来调节混合图案化金属-石墨烯结构中石墨烯的费米能级，在侧端栅电压通电情况下，改变石墨烯的电导率大小，进而实现多波带吸收器吸收峰的动态调节。
本实施例中，所述金属反射层4的材料为金，其电导率为6.09×10^6S/m，周期单元长度为2μm，周期单元宽度为2μm，周期单元厚度为0.3μm。
本实施例中，所述中间介质夹层3的材料为二氧化硅，其相对介电常数为4.2，周期单元长度为2μm，周期单元宽度为2μm，周期单元厚度为4.4μm。
混合图案化金属-石墨烯结构中，相邻的超表面图案化金属2-石墨烯1周期单元之间的间隔距离为0.4μm。
如图2所示，超表面图案化金属2-石墨烯1周期单元由一个石墨烯矩形环1和其中心金属圆盘2组成。
本实施例中，所述石墨烯矩形环1的外环边长L为1.8μm；所述石墨烯矩形环1的内环边长p为1μm；石墨烯矩形环1四周中心的金属圆盘2的半径R均为0.36μm，高度H为0.3μm。
本实施例中，石墨烯的费米能级为0.6eV。如图1所示，是本实施例中混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器的几何示意图，在TE模式下平面波光源垂直照射在混合图案化金属-石墨烯结构上，激发超表面石墨烯等离子体共振吸收。
在如图1所示的几何结构下，本实施例中采用了法布里-珀罗干涉分析理论，计算了该TE偏振近太赫兹波段混合图案化金属-石墨烯结构光学特性。石墨烯是具有碳原子的二维蜂窝状二维平面材料。石墨烯在红外波段和太赫兹波段都支持表面等离振子共振(SPR)，而且具有高载流子迁移率和在一定区域或规则结构模式中掺杂的石墨烯，可以有效地增强光吸收。而且石墨烯的最重要特征之一是可以通过施加静电偏压后可以的自由调节其费米能级，实现可调谐的特性而无需改变几何结构或者重建新结构。
本实施例中，使用时域有限差分数值模拟方法(FDTD solutions)对混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器进行了建模分析，在FDTD solution软件中在频域中的三维模型结构中建立模型，并使用沿z轴垂直入射的太赫兹平面波。在x和y方向上采用周期性边界条件，在z方向上采用完全匹配层边界条件。在计算中，可以使用合适的非均匀网格来满足良好收敛结果的条件。在FDTD solution仿真中，描述的石墨烯的特性可以由有效的表面传导模型表征。石墨烯的表面电导率由Kubo公式描述，该公式同时考虑了带间阶跃和带内阶跃：
在太赫兹光谱波段下，高掺杂石墨烯的光学电导率σg可以用类Drude模型近似描述:
其中T、kB分别为是环境温度、Boltzmann常数；e为电子电荷，i表示虚数，为约化普朗克常数，ω为角频率，Ef为石墨烯的费米能级；/>为载流子的驰豫时间，其中μ为石墨烯载流子迁移率，νF为费米速率。本实施例中，分别取2000cm2/V·s和1×106m/s。
如图3所示，太赫兹平面波垂直照射，并调节电压使得带石墨烯的费米能级调节至Ef＝0.6eV并保持不变，就可以得到多波带吸收器，实现了吸收器在23.5μm，24.3μm和27.8μm处吸收率分别为96.4％，99.4％，99.8％的吸收峰。
图4给出了本实施例中的混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器在不同石墨烯费米能级时吸收器的吸收变化。可以通过在TE极化法向入射条件下改变石墨烯的费米能级来实现吸收体的动态可调性。可以看出，石墨烯的费米能级从0.5eV变为0.8eV，三个吸收峰明显发生了蓝移。随着吸收峰的波长移向较短的波长方向，第二个吸收峰和第三个吸收峰的吸收率没有明显变化。当石墨烯的费米能级为0.5eV时，第一个吸收峰的吸收率降至90％。石墨烯费米能级动态地调节吸收峰的移动，可以很好地保持三个吸收峰的吸收率。相较于基于传统贵金属等离子体吸收器相比，可调节和更小的结构尺寸的混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器更具有优势。
图5是本实施例中的混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器在不同入射角度对吸收器的吸收峰的影响。当太赫兹平面光源的入射角度从0度变化到50度时，吸收器依旧可以保持吸收水平超过90％的多波带吸收，并且吸收峰没有发生移动。结果表明本实施例中的混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器可广角入射。
综上所述，本发明提供的用于太赫兹波段混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，具有较高的吸收率的吸收峰，可广角入射以及吸收水平可调节等特点，同时该吸收器器件尺寸小，厚度薄，易于集成和制作。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，其特征在于，包括金属反射层、中间介质夹层和混合图案化金属-石墨烯结构；其中，混合图案化金属-石墨烯结构包括若干个超表面图案化金属-石墨烯周期单元；
若干个超表面图案化金属-石墨烯周期单元在中间介质夹层上表面周期性排列，形成共面层，金属反射层紧贴于中间介质夹层下表面；超表面图案化金属-石墨烯周期单元包括一个石墨烯矩形环和其中的金属圆盘；
太赫兹平面波光源垂直照射在混合图案化金属-石墨烯结构上，得到三个吸收峰，实现多波带吸收，通过改变侧端栅电压来调节混合图案化金属-石墨烯结构中石墨烯的费米能级，在侧端栅电压通电情况下，改变石墨烯的电导率大小，进而实现多波带吸收器吸收峰的动态调节；
石墨烯的表面电导率由Kubo公式描述，该公式同时考虑了带间阶跃和带内阶跃：
在太赫兹光谱波段下，高掺杂石墨烯的光学电导率σg用类Drude模型近似描述：
其中T、kB分别为是环境温度、Boltzmann常数；e为电子电荷，i表示虚数，为约化普朗克常数，ω为角频率，Ef为石墨烯的费米能级；/>为载流子的驰豫时间，其中μ为石墨烯载流子迁移率，νF为费米速率。
2.根据权利要求1所述的混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，其特征在于，所述金属反射层的材料为金，其电导率为6.09×10^6S/m-6.45×10^6S/m，周期单元长度为1.9μm～2.1μm，周期单元宽度为1.9μm～2.1μm，周期单元厚度为0.2μm～0.5μm。
3.根据权利要求1所述的混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，其特征在于，所述中间介质夹层的材料为二氧化硅，其相对介电常数为3.9～4.5，周期单元长度为1.9μm～2.1μm，周期单元宽度为1.9μm～2.1μm，周期单元厚度为4.2μm～4.6μm。
4.根据权利要求1所述的混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，其特征在于，混合图案化金属-石墨烯结构中，相邻的超表面图案化金属-石墨烯周期单元之间的间隔距离为0.1μm-0.3μm。
5.根据权利要求1所述的混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，其特征在于，
所述石墨烯矩形环的外环边长L为1.7μm～1.8μm；所述石墨烯矩形环的内环边长p为0.9μm～1.1μm；位于石墨烯矩形环中心的金属圆盘的半径R均为0.1μm～0.5μm，高度H为0.3μm-0.5μm。
6.根据权利要求1所述的混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，其特征在于，石墨烯的费米能级为0.5eV～0.8eV。
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