CN208060893U - 一种中红外波段可调谐法诺共振谐振器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种中红外波段可调谐法诺共振谐振器，属于中红外技术领域的谐振器件，利用了石墨烯表面等离子体特性。该谐振器件为三维周期性结构，其结构组成为：顶层为石墨烯圆盘层，中间层为二氧化硅介质，底层以材料硅作为基底，由上往下堆叠而成的三层结构。本实用新型主要通过有限元方法计算模拟出中红外波段谐振器的谐振光谱，对谐振器结构进行优化，具有在中红外频段激发出法诺共振的能力，并可以有效调谐法诺共振的线形和谐振频率。本实用新型结构简单、紧凑合理，便于加工。

Description

一种中红外波段可调谐法诺共振谐振器

技术领域

本实用新型涉及一种基于石墨烯材料的可调谐法诺共振谐振器，属于石墨烯材料在中红外波段谐振器件应用领域。

背景技术

法诺共振于1961年由乌戈·法诺发现，它的光谱表现出典型的非对称线形共振。法诺共振可以在电介质和等离子体激元系统被容易地观察到，由于它在宽范围从微波到光范围延伸电磁频谱的潜在应用，已经获得了广泛的关注。与在常规的谐振器所产生的传统的洛伦兹共振不同，法诺共振在谐振光谱上表现出的分散和非对称的线形，在制作映射领域器件具有巨大的潜力，比如传感器、慢光装置、等离激元切换器等等。从物理原理上讲，法诺共振非对称线型产生的原因是离散状态与连续状态的破坏性干涉引起的。近几年，在一些等离子体纳米结构中观察到法诺共振。在这样的等离激元纳米结构中，法诺共振起源于两种电磁模式的耦合，被称为宽带超辐射和窄带亚辐射等离子体模式。通常，两种电磁模式分别表征为偶极和高阶等离子体模式。与简单的偶极子模式相比，基于非对称法诺共振的等离子体激元器件具有窄的线宽和大的局部近场增强，可用于折射率检测，激光，滤光器和慢光器件。

中红外的频率主要是15～150THz(2μm～20μm)范围的光谱，中红外光谱在环境监测，传感和天文检测等各个领域具有非常巨大的潜力，因为许多材料的指纹落在该光谱区域。尤其是在传感领域，很多分子指纹分布在中红外波段内，这些分子指纹可以通过传感器非常精准地判断出来，这种特性让中红外波段传感器在近几年受到广泛的关注。但是，传统的传感器一般运用金属和半导体材料，具有较大的欧姆和辐射损耗，性能会受到严重的损耗，质量因子和灵敏度普遍较低。为了在中红外区域减少的损耗，等离子体激元共振(PFR)应当表现出高质量因子。该特征对于表面增强红外吸收(SEIRA)具有很强的作用，由于中红外指纹区域中的材料特异性振动吸收，可以提供分子信息。而法诺共振作为等离子体激元中一种共振形式，在中红外波段表现出了超高质量因子和高灵敏度，这表明了其在传感领域具有巨大的潜力。

由于石墨烯具有很高的电子迁移率、可调和对称的费米能级等特性，可以通过外加偏置电压来改变石墨烯的费米能级，当石墨烯上加上非零偏置电压时，电源将基底中的电子引向石墨烯，使其费米能级偏离中心点，使其电导率急剧增加，石墨烯表现金属性质，因此可以激发出表面等离激元。本谐振器通过偏置调整单层石墨烯的费米能，可以很容易地实现明显的光谱偏移，使得光学共振与分子振动指纹重叠。作为新型的石墨烯材料，其加工技术也得到了广大科研工作者的研究变得日趋的成熟，最常用的加工技术是CVD法。因此本实用新型具有重要的科学意义和实际应用价值，在中红外谐振领域实际应用中也有着一定的前景。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、能够中红外波段激发法诺谐振、并实现方便地调谐法诺谐振的谐振频率和谐振线型的中红外波段可调谐法诺共振谐振器。

考虑到了结构难易等要求，本实用新型提出了一种基于单层石墨烯的中红外波段法诺共振谐振器，可以为石墨烯等离子体激元结构的可调机制和高灵敏度器件的设计(例如，传感器，调制器和天线)提供重要前提。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案为：一种中红外波段可调谐法诺共振谐振器，其结构组成为以材料硅作为基底，顶层为圆盘形石墨烯，圆盘形石墨烯中有圆形刻孔，圆盘形石墨烯与硅基底之间以二氧化硅介质隔开。

本技术方案中的中红外波段可调谐法诺共振谐振器件以石墨烯材料为基础，可以通过氧化石墨还原法来制作，器件的加工还包括光刻及刻蚀技术。本实用新型所述的石墨烯材料选用的费米能级在0.1eV～1.0eV之间，这在实验上通过加入偏置电压是很容易实现的。

顶层为周期性的带圆形刻孔的圆盘形石墨烯，厚度为1nm，每个单元的圆盘形石墨烯半径为40nm，圆形刻孔半径为15nm，圆形刻孔的偏移量为15nm。

衬底层为二氧化硅介质，其厚度为50nm，周期单元面积为100nm*100nm。

基底层以材料硅作为基底，其厚度为100nm，周期单元面积为100nm*100nm。

电极材料为金，其厚度为10nm，周期单元的面积为20nm*100nm。

与现有的技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本谐振器结构简单紧凑，能够在中红外波段激发出效果优异的法诺共振；

(2)本谐振器激发出的法诺共振谐振峰跟谷较为尖锐，证明激发出了良好的法诺共振，这种结构为制作基于法诺共振的传感器等应用于中红外波段的器件提供了必要的理论前提与基础；

(3)本谐振器激发出的法诺共振可以根据外加偏置电场的大小来调节谐振强度及谐振频率，具有灵活可调的特点。

附图说明

图1为该谐振器单元结构示意图；

图2为该谐振器顶层圆盘形石墨烯俯视图；

图3为该谐振器在不同偏置电压下法诺共振调谐吸收谱；

图4为该谐振器在不同偏置电压下法诺共振调谐透射谱；

以上图片中含有：px＝py＝100nm；d＝50nm；h＝100nm；R1＝40nm；R2＝15nm；L＝15nm；x2＝100nm；y2＝20nm；d2＝10nm。

附图标记说明：1-圆盘形石墨烯；2-二氧化硅介质；3-基底；4-圆形刻孔；5-金电极；6-金电极。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于该实施例。

附图1为中红外波段可调谐法诺共振谐振器件的一个单元结构示意图。采用长和宽为px与py，厚度为h的硅作为基底，在基底上叠加一层厚度为d的二氧化硅介质作为衬底层，在二氧化硅介质上面叠加一层厚度为1nm半径为R1的圆盘形石墨烯，然后在圆盘形石墨烯上刻蚀半径为R2、偏移为L的圆形刻孔，圆盘形石墨烯结构如附图2所示。在顶层圆盘形石墨烯和基底上加两个长和宽为x2与y2，厚度为d2的金电极，用于加入偏置电压调节石墨烯的费米能级。

该谐振器的工作原理或工作过程可通过如下内容来解释。由于石墨烯材料的电可调特性和非常高的电子迁移率特性，当石墨烯添加正向电压时，基底硅上的电子通过导线被引向石墨烯，大大增强了石墨烯层上的电导率，使其呈现金属的性质，与二氧化硅介质和空气介质作用激发出表面等离子体共振。在这里可以采用氧化石墨还原法制作一层厚度为1nm的石墨烯薄膜，再转移到二氧化硅介质层上，通过掩膜光刻法得到圆盘形石墨烯阵列。在圆盘形石墨烯和衬底上制作金电极，用于加入偏置电压调节石墨烯的费米能级来改变石墨烯的物理性质。在中红外波段，当中红外电磁波垂直入射到圆盘形石墨烯表面时，可以激发圆盘形石墨烯的表面等离子体激元(SPPs)，产生局域表面等离子体谐振，增强对电磁波的约束。通过对圆盘形石墨烯进行激光刻蚀，刻蚀出半径为R2、偏移量为L的圆形刻孔，破坏圆盘形石墨烯原来的结构对称性，使得圆盘形石墨烯的外边缘与圆形刻孔所在的内边缘同时被激发，并且外边缘与内边缘为反相模式，此时整个结构激发出亮态宽带模式与暗态窄带模式，这正是激发法诺共振的典型模式，它们之间的近场耦合产生了法诺共振。

附图3与附图4是在不同偏置电压下谐振器的吸收光谱与透射光谱。随着偏置电压的提高，附图3中的谐振峰高度与附图4中的谐振谷深度变大，证明了法诺共振的谐振强度增强，谐振频率也随着化学势的提高逐渐变大，从21-24THz移动到29-32THz，进一步提高了在中红外频段中的激发频率。

Claims (4)

1.一种中红外波段可调谐法诺共振谐振器，其特征在于：结构组成为以材料硅作为基底，顶层为圆盘形石墨烯，圆盘形石墨烯中有圆形刻孔，圆盘形石墨烯与基底之间以二氧化硅介质隔开。

2.根据权利要求1所述的一种中红外波段可调谐法诺共振谐振器，其特征在于：二氧化硅介质厚度d为50nm，基底厚度h为100nm。

3.根据权利要求1所述的一种中红外波段可调谐法诺共振谐振器，其特征在于：圆盘形石墨烯的半径为40nm，圆形刻孔的半径为15nm，圆形刻孔偏移L为15nm。

4.根据权利要求1所述的一种中红外波段可调谐法诺共振谐振器，其特征在于：圆盘形石墨烯采用氧化石墨还原法来制作，圆盘形石墨烯中圆形刻孔通过激光刻蚀来制作。