CN113258295B - 一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法 - Google Patents

一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯‑介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法。利用电磁场耦合效应及石墨烯特殊的光电性能，设计了一种复合介质超表面以实现可调谐电磁感应透明现象。其结构分为上中下三层，底层为介质基底，中间层为周期排列的介质纳米柱和空心介质纳米柱，最上层为单层石墨烯覆盖在纳米结构上表面。通过基底和中间层纳米柱材料、结构尺寸等设计，能够在近红外波段实现可调谐的电磁感应透明效果灵活调控。改变结构的尺寸参数可以在保持透过率不变的情况下使电磁感应透明窗口实现红移或者蓝移。此外，通过施加电压调节石墨烯的费米能级可以对电磁感应透明窗口的强度进行调制，调制深度能够达到54%。

Description

一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明 的方法
技术领域
本发明属于电磁波调控领域，重点在于对近红外波段的电磁波进行高效、高性能及灵活的调控，尤其涉及一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法。
背景技术
电磁感应透明（EIT）是指在电磁场的耦合作用下，原本并不透明的介质能产生一个窄带透明窗口的现象。这种现象的产生是由于三能级系统中的量子相消干涉造成的。EIT效应允许光能够透过不透明的介质，并且在EIT现象产生的过程中，微纳结构与电磁波会产生强烈的相互作用，往往会产生一些独特的特性，最显著的表现为强色散性。这些特性使其在慢光设备、非线性光学、光学传感和光学存储等领域有着重大潜在应用价值。
石墨烯（Graphene）是一种以sp²杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料，单层厚度约为0.35nm。由于其独特的能带结构，石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在多个领域具有重要的应用前景。石墨烯的导电特性一般使用Kubo公式表示：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
Figure 641575DEST_PATH_IMAGE002
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 191636DEST_PATH_IMAGE004
分别由带间和带内的电子跃迁所决定。e代表电子电荷，
Figure 308496DEST_PATH_IMAGE005
表示玻尔兹曼常数，
Figure 941603DEST_PATH_IMAGE006
为温度，
Figure 527436DEST_PATH_IMAGE007
表示约化普朗克常量，
Figure 271401DEST_PATH_IMAGE008
为入射光的频率，
Figure 180452DEST_PATH_IMAGE008
为弛豫时间，
Figure 843514DEST_PATH_IMAGE009
表示石墨烯的费米能级。
早期对EIT现象的研究主要集中在气体介质方面，但这类研究对实验条件的要求十分严格，例如需要稳定的强激光、高压等条件，这使得相关器件开发难度大，并且几乎只能应用于实验环境。最近几年，科学家们利用超材料在常温下实现了EIT，并且不受这些实验条件的限制。但是由于这种方法使用金属等离子材料构造超材料，而金属由于其欧姆阻尼所带来的非辐射损耗是无法避免的，因此以这种方式得到的EIT窗的透射率及品质因素不高。为了克服以上缺点，低辐射损耗的高折射率介电超材料也被应用于EIT现象的研究。大量相关理论模拟和实验结果已经证明了使用介电超材料设计的特殊结构可用于实现高透过率、高品质因素的EIT窗。此外，光学响应的主动控制一直是超材料领域的研究热点，石墨烯由于其出色的载流子迁移率以及可调节的电导率在有源光学器件中有着广泛的应用，其能通过外加偏压或化学掺杂来控制其费米能级以实现对器件的调节，显示出强大的电磁可调性。对于全介电超材料，近年来也出现了使用石墨烯进行主动控制。
发明内容
本发明利用电磁场的耦合以及石墨烯特殊的光电性能设计一种超结构实现基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法。对于该结构，通过调节其尺寸参数、材料、石墨烯的费米能级等因素，使其能在近红外波段实现对光学响应的主动控制。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：本发明提供的一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法，其预设的超结构分为三层，从下至上包括：介质基底层、中间介质层以及顶层石墨烯层；具体表现为：底层为介质基底，放置在基底上的中间介质层为周期排列的圆柱型介质纳米柱和空心圆柱型介质纳米柱，二者的外半径及厚度相同，居中对称放置在结构单元上。最上层是石墨烯层，覆盖在纳米柱上表面。通过设计介质基底层和中间介质层可以实现电磁感应透明现象，顶层的石墨烯层将实现器件的可调谐性能。
优选地，基底的厚度为150nm-260nm。
优选地，基底的材料选择石英玻璃、蓝宝石等，也可以用其他折射率相近的材料代替。
优选地，圆柱型纳米柱的半径为170nm-240nm，厚度为150nm-260nm；空心圆柱型纳米柱的外半径为170nm-240nm（与圆柱型纳米柱的外半径相同），内半径为100nm-160nm，厚度为150nm-260nm（与圆柱型纳米柱的厚度相同）。
优选地，圆柱型纳米柱和空心圆柱型纳米柱轴心间的距离为450nm-650nm。
优选地，纳米柱的材料为硅、砷化镓等，也可以用其他折射率相近的材料代替。
优选地，石墨烯层选择单层石墨烯，石墨烯调节的费米能级范围为0ev-0.7ev。
在上述方案的基础上，通过优化的结构设计，使电磁感应透明窗口的透射率达到最大，并通过调节结构的尺寸、材料以及石墨烯的费米能级等因素使本结构的透明窗口能在近红外波段灵活调控。
本发明选择了简单的双圆柱周期结构（其中一个为空心圆柱），其创新点在于在圆柱上表面覆盖了一层单层石墨烯。相较于其他二维结构而言，本结构对光学响应的主动调控能力更强且调控手段更为丰富，可以更灵活的适应不同的应用环境。同时，本结构还具备优异的电磁性能，能观察到高透射率、高品质因素的电磁感应透明窗，并且通过调节石墨烯的费米能级实现电磁感应透明窗口强度的调制，最大调制深度能够达到54%。因此，本发明在近红外波段器件电磁响应等领域的应用具有重要现实价值和参考价值。
附图说明
图1为本发明实施例中的一种实施方式的结构示意图。
图2为本发明实施例的单元结构示意图（石墨烯层未画出）。
图3为本发明实施例的俯视图（石墨烯层未画出）。
图4为本发明实施例的单元结构前视图。
图5为本发明实施例在石墨烯费米能级为0.6电子伏特下，1370纳米到1470纳米处的两种实施方案透过率曲线谱。
图6为本发明实施例的周期P在一定范围内改变时的透射率曲线谱。
图7为本发明实施例的圆柱形纳米柱和空心圆柱形纳米柱的外半径r0在一定范围内改变时的透射率曲线谱。
图8为本发明实施例在近红外波段的透过率最大值与费米能级的关系图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例和/或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，并获得其他的实施方式。
下面以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明：
本发明提供的石墨烯-介质复合超表面，其结构从下至上包括：介质基底层、中间介质纳米柱以及石墨烯层；具体表现为：底层为介质基底，放置在基底上的中间介质层是周期排列的圆柱型介质纳米柱和空心圆柱型介质纳米柱，二者的外半径及厚度相同，居中对称放置在结构单元上。最上层为石墨烯层，覆盖在纳米柱上表面。通过设计基底层和中间介质层可以实现电磁感应透明。顶层的石墨烯层将实现器件的可调谐。图2为单元结构示意图，该单元结构在XY方向呈周期分布，为凸显中间层周期排列的结构，在图2中未画出石墨烯层。本发明采用周期结构，具体的周期可以根据实际情况进行选择，图1为8×8的实施结构示意图。
在图3和图4中，1代表圆柱型纳米柱，2代表空心圆柱型纳米柱，3代表基底，4代表石墨烯层。
图3中的p表示单元结构在XY平面沿X方向和Y方向的周期，d表示为两个纳米柱轴心间的距离，r0表示为圆柱型纳米柱的半径和空心圆柱型纳米柱的外径，r1表示为空心圆柱型纳米柱的内径。为了增强显示效果，在图3中未画出石墨烯层。
图4中的h代表介质基底和圆柱型及空心圆柱型结构的厚度。石墨烯层为单层石墨烯。
本实施例在电磁仿真软件CST中进行设计优化，选取电磁波的入射方向为Z轴方向，入射电磁波电磁的偏振方向为Y方向。
实施方案1：本实施例通过电磁仿真软件CST设计优化后得到一种可行的较为优秀的实施方案为：p=1500nm，d=530nm，r0=190nm，r1=130nm，h=190nm。基底材料选择石英，介电常数为2.19。圆柱型纳米柱和空心圆柱型纳米柱的材料选择为硅，介电常数为14。石墨烯层选择单层石墨烯。在上述条件固定的情况下，将费米能级调控至0.6ev时可以得到最佳结果，此时如图5（实施方案1）所示，当入射波的波长变化时，可以观察到一个明显的电磁感应透明窗，最大透过率达到98%。
实施方案2：在改变介质基底和/或圆柱形及空心圆柱形结构的材料的情况下，本实施例依然能够观察到明显的EIT电磁感应透明窗口。例如，在实施方案1的基础上，将介质基底的材料改变为介电常数为3.1的蓝宝石，将圆柱形及空心圆柱形结构的材料改变为介电常数为12.9的砷化镓，并在一定范围内调整尺寸参数，费米能级调控至0.6ev可以观测到的1370纳米到1470纳米透过率曲线谱如图5（实施方案2）所示，电磁感应透明窗依然存在，最大透过率达到97%，同样具有高透过率、高品质因素的特点。该特点将减少相关器件的加工难度，并扩展其实际应用范围。
通过改变结构的尺寸参数，将影响圆柱型纳米柱和空心圆柱型纳米柱的耦合强度，从而使电磁感应透明现象增强或减弱，并且往往伴随着电磁感应透明窗的红移或者蓝移。可以根据实际需要改变参数进行调控。在仿真过程中我们发现，参数在一定范围内的调控不会使电磁感应透明现象消失，这无疑增强了器件的实际应用能力。
在实施方案1其余条件不变的基础上，改变结构周期P所得到的透射曲线谱如图6所示。结构周期P取1450nm、1500nm、1550nm，随着结构周期P的增加，透射曲线谱将发生红移。随着结构周期P的减小，透射曲线谱将发生蓝移。在P增加或减小的情况下，电磁感应透明窗依然存在，并且EIT窗透射率都在96%以上。因此，改变结构周期P能够调节器件的使用波段，调节基底层和圆柱形纳米柱及空心圆柱型纳米柱的厚度h也有类似的结论。
在实施方案1其余条件不变的基础上，改变圆柱型纳米柱和空心圆柱形纳米柱的外半径r0所得到的透射率曲线谱如图7所示。外半径r0取188nm、190nm、192nm，随着外半径r0的增加，透射曲线谱将发生红移，EIT的透射率略微变大，但品质因素相应减小。随着外半径r0的减小，透射曲线谱将发生蓝移，EIT的透射率略微变小，品质因素相应变大。由于圆柱型纳米柱和空心圆柱形纳米柱的外半径r0的改变会直接影响二者之间的耦合强度，从而影响EIT效果。因此圆柱型纳米柱和空心圆柱形纳米柱的外半径r0在较小范围内的变化能够显著调节EIT效果。改变空心圆柱形纳米柱的内半径r1也有类似的结论。
为了能够灵活主动地调控EIT现象，可以通过掺杂或者外加偏压的方式调节费米能级。根据库伯公式：
Figure 41277DEST_PATH_IMAGE001
Figure 385671DEST_PATH_IMAGE002
可以得到EIT透明窗口随费米能级的变化规律。在上述理论的支撑下，将实施方案1的费米能级从0缓慢调整至0.7，仿真的结果如图8所示，纵坐标表示电磁感应透明窗的透射率最大值。可以发现在0-0.4ev范围内，透射率随费米能级变化不明显，而当费米能级大于0.4小于0.6时，透射率将随费米能级的增大而急速上升，之后趋于平缓，调制深度（调制深度=
Figure 962277DEST_PATH_IMAGE010
）能达到54%，这符合库伯公式所描述的变化规律。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出任何的修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法，其特征在于，利用电磁场耦合效应以及石墨烯特殊的光电性能设计一种超结构实现可调谐电磁感应透明现象，预设的超结构分为三层，底层基底层，中间介质层以及顶层石墨烯层，通过设计基底层和中间介质层可以实现电磁感应透明现象，顶层的石墨烯层在电压控制手段下通过调节石墨烯的费米能级实现电磁感应透明窗口强度的调制，进而实现器件响应效果的动态可调节性；
所述超结构具体为：底层为介质基底，放置在基底上的中间介质层是周期排列的介质纳米柱和空心介质纳米柱，居中对称放置在结构单元上，最上层为石墨烯层，覆盖在纳米柱上表面。
2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法，其特征在于，所述基底层的材料为石英玻璃、蓝宝石、碳化硅中的一种。
3.如权利要求1所述的一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法，其特征在于，所述基底层的厚度为150nm-260nm。
4.如权利要求1所述的一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法，其特征在于，中间介质层的形状为圆柱型纳米柱和空心圆柱型纳米柱。
5.如权利要求4所述的一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法，其特征在于，所述圆柱型纳米柱的半径为170nm-240nm，厚度为150nm-260nm；所述空心圆柱型纳米柱的外半径为170nm-240nm，内半径为100nm-160nm，厚度为150nm-260nm。
6.如权利要求5所述的一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法，其特征在于，所述空心圆柱型纳米柱的外半径和厚度与圆柱型纳米柱的半径和厚度均相同。
7.如权利要求1所述的一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法，其特征在于，所述中间介质层纳米柱的材料为硅或砷化镓。
8.如权利要求4-6任意一项所述的一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法，其特征在于，所述圆柱型纳米柱和空心圆柱型纳米柱轴心间的距离为450nm-650nm。
9.如权利要求1所述的一种基于石墨烯-介质复合超表面实现可调谐电磁感应透明的方法，其特征在于，石墨烯层为单层石墨烯，石墨烯的费米能级的调节范围为0ev-0.7ev。
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