CN202486453U - 基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器 - Google Patents
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Abstract
一种基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器，包括：硅衬底，在硅衬底的上表面设有环形槽，且环形槽的内侧面为圆柱面、外侧面为多棱柱面，在硅衬底的上表面上覆盖有二氧化硅衬底，在二氧化硅衬底的下表面设有与硅衬底的环形槽相适配的环形突起，在二氧化硅衬底的上表面设有石墨烯层。偏置电压源的一极加在硅衬底上，另一极加在石墨烯上。通过设计不同区域硅衬底的厚度和合适的偏置电压，本实用新型可以在多个频点实现把表面等离子体极化球面波分成若干束特定方向的表面等离子体极化平面波。本实用新型结构简单，重量轻，易于集成，在成像和通信领域有着广泛的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种使用石墨烯实现的表面等离子体极化波分束器，尤其涉及一种基于石墨烯可以做为ENZ材料的特性来设计的表面等离子体极化波分束器。此器件可以把一个球面表面等离子体极化波分成许多束平面表面等离子体极化波。
背景技术
近些年，介电常数的实部趋于零的材料(ENZ材料)引起了人们极大的关注，ENZ材料可以将一个给定的入射波的等相位面，通过设计ENZ材料出射面的外形，将出射波等相位面的形状变换成所需要的任意形状，而无需考虑入射波的波前。该技术在成像和通信领域有着广泛的应用前景。在红外和光波段，一些低损耗的贵金属，如金和银，半导体和一些极性电解质，在它们的等离子体频率附近可以用作ENZ材料。但是，由于它们的色散性质，这些ENZ材料只能工作于它们的离子体频率附近。自2004年发现石墨烯以来，引起了人们强烈的研究兴趣。G.W.Hanson教授提出，石墨烯的电导率可以由Kubo公式表示为(“Dyadic Green’sfunctions and guided surface waves for a surface conductivity model ofgraphene，”J.Appl.Phys.103(6)，064302，2008)。
其中-e为电子电量，
为普朗克常数，fd(ε)＝1/(1+exp[(ε-μc)/(kBT)])是费米狄拉克分布，kB为波尔兹曼常数，ω为角频率，μc为化学势，Γ表示散射率，T表示温度。由上述公式可知，石墨烯的电导率是随着化学势的变化而变化的。不同的电导率又对应着不同的介电常数，它们的对应关系为：Re(εg，eq)＝-σg，i/ωΔ+ε0≈-σg，i/ωΔ，Im(εg，eq)＝σg，r/ωΔ。所以，我们可以通过改变石墨烯的化学势来得到我们想要的介电常数。在多个频率点，通过选择适当的化学势，就可以使石墨烯的介电常数的实部趋近于零。例如，在频率为50THz，温度为3K，化学势为0.12155eV时，石墨烯的介电常数为ε＝2.28e-4+i0.2178，它的介电常数的实部趋近于零，因此可以作为一种ENZ材料。A.Vakil教授和N.Engheta教授提出，可以使用uneven ground plane(凹凸不平的地平面)技术来实现在一片石墨烯上的不同区域有不同的化学势(“TransfromationOpticas Using Graphene，”Science 332(6035)，1291-1293 2011)。石墨烯化学势与门电压的关系为：
其中，ε0，εr分别表示空气和sio2的介电常数，t是sio2层的厚度。所以我们可以通过改变门电压来改变石墨烯的化学势从而改变石墨烯的介电常数。迄今为止，尚无人使用石墨烯来设计表面等离子体极化波分束器。
实用新型内容
技术问题：为了解决利用金属等材料ENZ特性制作的分束器只能工作在其等离子体频率附近的限制，本实用新型提出了一种基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器，此分束器可以把一个球面表面等离子体极化波分成若干束平面表面等离子体极化波。在成像和通信领域有着广泛的用途。
本实用新型采用如下技术方案：
一种基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器，其特征在于，包括：硅衬底，在硅衬底的上表面设有环形槽，且环形槽的内侧面为圆柱面、外侧面为多棱柱面，在硅衬底的上表面上覆盖有二氧化硅衬底，在二氧化硅衬底的下表面设有与硅衬底的环形槽相适配的环形突起，在二氧化硅衬底的上表面设有石墨烯层。
本实用新型最下面的是硅衬底，硅衬底上面铺二氧化硅衬底，二氧化硅衬底上面再铺石墨烯层，偏置电压源的一极加在硅衬底上，另一极加在石墨烯上。不同区域硅衬底的厚度不同，不同厚度的硅衬底导致了不同厚度的二氧化硅衬底，从而在同一个偏置电压下，不同区域的石墨烯所感应到的化学势不同。所以不同区域上的石墨烯具有不同的介电常数。当硅衬底环形槽区域对应的石墨烯区域的介电常数的实部趋近于零，硅衬底其它区域对应的石墨烯介电常数的实部为负数时，就可以实现表面等离子体极化波分束器的功能。
与现有技术比，本实用新型具有以下优点：
1，本实用新型首次实现了基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器。
2，本基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器通过设计硅衬底不同区域的厚度和偏置电压，可以工作于多个频点，克服了现有ENZ材料只能工作于其等离子体频率附近的限制。
3，本基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器结构简单，重量轻，易于集成，在成像和通信领域有着广泛的应用前景。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；图中包括硅衬底1，二氧化硅衬底2，石墨烯3。偏置电压源4的一极加在硅衬底上，另一极加在石墨烯上。
图2是图1中硅衬底1的结构示意图，其中区域5和区域6的厚度不一样，区域6上面对应区域的石墨烯介电常数的实部趋于零，可用作ENZ材料，区域5上面对应区域的石墨烯的介电常数的实部为负，可以传播表面等离子体极化波(SPP波)。
图3是图1中二氧化硅衬底的结构示意图，突起区域9对应于图2中的区域6。区域10对应于图2中的区域5。
图4是仿真示意图，根据设计，石墨烯区域7部分介电常数的实部为负，区域8部分介电常数的实部趋近于零。
图5是在不同频率下，石墨烯介电常数的实部随化学势的变化关系，由图中可以看出，在40T，50T，70T，80T，100T时，石墨烯介电常数的实部在特定的化学势下都可以在零附近。
图6是仿真结果图，由图中可以看出通过设计石墨烯介电常数为零的区域，可以使一个球面波分成若干束平面波。
具体实施方式：
一种基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器，包括：硅衬底1，在硅衬底1的上表面设有环形槽6，且环形槽6的内侧面为圆柱面、外侧面为多棱柱面，在硅衬底1的上表面上覆盖有二氧化硅衬底2，在二氧化硅衬底2的下表面设有与硅衬底1的环形槽相适配的环形突起9，在二氧化硅衬底2的上表面设有石墨烯层。
偏置电压源4的一极加在石墨烯上，另一极加在硅衬底上。在硅衬底的不同区域刻蚀了不同的厚度，这样铺在硅衬底上面的二氧化硅在对应的区域就有不同的厚度。根据公式：
以及石墨烯门电压与二氧化硅厚度的公式：
我们就可以设计硅衬底的厚度，施加一定的门电压，使得石墨烯一部分区域上的介电常数的实部趋近于零，石墨烯另一部分区域可以支持表面等离子体极化波(SPP波)传播。根据以上所述，便可实现本基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器的实用新型。
Claims (1)
1.种基于石墨烯的表面等离子体极化波分束器，包括：硅衬底（1），在硅衬底（1）的上表面设有环形槽（6），且环形槽（6）的内侧面为圆柱面、外侧面为多棱柱面，在硅衬底（1）的上表面上覆盖有二氧化硅衬底（2），在二氧化硅衬底（2）的下表面设有与硅衬底（1）的环形槽相适配的环形突起（9），在二氧化硅衬底（2）的上表面设有石墨烯层（3）。
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