CN210401901U - 基于石墨烯等离激元的磁场增强结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及亚波长光子学技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯等离激元的磁场增强结构，包括石墨烯结构以及基底，所述石墨烯结构设置在所述基底上，所述石墨烯结构为微纳结构。用具有微纳结构的掺杂石墨烯来实现磁场增强，相比于传统的金、银等贵金属，石墨烯作为新型材料，环保且来源丰富，有可能实现廉价大规模生产，从而有效降低成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及亚波长光子学技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯等离激元的磁场增强结构。
背景技术
在外界电磁波的激励下，金属颗粒中的自由电子与光子耦合产生集体震荡并表现出奇异的光学特性，这就是所谓的局域等离激元共振特性。表面等离激元共振能够将光约束在金属颗粒表面几十纳米甚至更小的范围，从而形成很强的局域电磁场。然而金属中的欧姆热效应导致等离激元具有很高的损耗，不利于基于表面等离激元场增强光电子器件的设计。
新型二维材料——石墨烯(graphene)的成功制备为解决这些难题找到了突破口。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化形成的呈六角形晶格排布的单层平面薄膜，其独特的晶体结构赋予石墨烯非凡的电学和光学性能，比如石墨烯具有良好的导电性，可以维持很强的电流密度等，这使得石墨烯成为优秀的等离子体材料。与传统贵金属表面等离激元相比，石墨烯等离激元具有高度主动可调控性、电磁场的极端局域性等优势。基于石墨烯等离激元的局域电场增强效应已经得到了充分的研究，然而，关于磁场增强的相应研究仍然十分的缺乏。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了实现基于中红外表面等离激元的磁场增强效应及其高效调控，提供一种配置简单的石墨烯微纳结构，来解决现有基于等离激元的磁场增强相关研究的不足的问题。
本实用新型为实现上述目的，采用以下技术方案：一种基于石墨烯等离激元的磁场增强结构，其特征在于：包括石墨烯结构以及基底，所述石墨烯结构设置在所述基底上，所述石墨烯结构为微纳结构。
优选地，所述石墨烯结构为单层石墨烯。
优选地，所述基底为300nm厚的二氧化硅和硅。
优选地，在石墨烯结构的一侧镀上金属电极，将栅压在金属电极和基底之间。
优选地，所述石墨烯的形状为由两个顶点相交的石墨烯正三角形与石墨烯带连接形成。
本实用新型的有益效果是:1.用具有微纳结构的掺杂石墨烯来实现磁场增强，相比于传统的金、银等贵金属，石墨烯作为新型材料，环保且来源丰富，有可能实现廉价大规模生产，从而有效降低成本。2.利用石墨烯的电场效应，可以实现对石墨烯有效调控。3.本实用新型配置简单，易于加工，为应用于以磁场增强为基础的太阳能电池或磁性传感器等领域提供了理想的亚波长微纳器件。
附图说明
图1是本实用新型实施例的结构示意图；
图2是本实用新型实施例的实现磁场增强原理图；
图3是本实用新型实施例在特定条件下的光学响应图；
图4是本实用新型实施例中石墨烯特征尺寸对磁场增强的影响图。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本实用新型的具体实施方式。如图1-2所示，一种基于石墨烯等离激元的磁场增强结构，由两层结构构成，从上至下依次为石墨烯结构1和基底2。所述基底为300nm厚sio2和具有一定厚度的硅或有着较高介电常数的材料。石墨烯结构为微纳结构，即石墨烯结构在其所在平面内至少一个方向上的特征尺度为数纳米到数微米之间。为降低损耗，所述石墨烯可为机械剥离的单层石墨烯，转移到基底上，通过聚焦离子束(focused ion beam,FIB)对石墨烯进行微纳结构加工。在石墨烯上远离结构的位置镀上金属电极3，将栅压加在金属电极和基底之间，利用石墨烯良好的可调性，能够灵活调节石墨烯微纳结构的等离激元共振。
石墨烯的厚度为0.34nm。石墨烯形状为空竹结构，可以认为是由两个顶点相交的石墨烯正三角形与石墨烯带连接形成。当外加电磁场的电场方向沿图中x方向时，石墨烯中的载流子在间隙中流动从而形成电流，根据安培定律，在间隙处会有磁热点产生。
中红外光源4通过分束器5和偏振片6获得偏振光照射到空竹结构，即入射的电场方向沿图中x方向时，石墨烯中的载流子在间隙中流动从而形成电流，根据安培定律，在间隙处会有磁热点产生如图2所示。利用石墨烯的可调谐性，将栅压加在金属电极6和基底5之间，可以调控石墨烯的费米能级，从而有效调控石墨烯微纳结构所支持的等离激元模式及磁场增强效应。
本实用新型基于以下两方面原理：1.当入射光照射到具有微纳结构的掺杂石墨烯上时，可以在特定的共振波长激发石墨烯表面等离激元，从而将光的能量局域在石墨烯微纳结构附近。激发出来的石墨烯表面等离激元性质与石墨烯的费米能级有关，通过场效应对石墨烯进行掺杂改变石墨烯的费米能级，可以有效地调控石墨烯等离激元，从而实现对局域场增强响应的控制。2.以由两个石墨烯三角形组成的蝴蝶结结构为例，由于其尖端处的电荷聚集效应，在空气间隙处会产生巨大的电场增强，因此被认为在表面增强拉曼、超灵敏传感等领域具有应用前景。用石墨烯纳米带作为导线将蝴蝶结空气间隙连通，可称之为石墨烯空竹结构。根据巴比涅原理和安培定律可知，对于石墨烯空竹结构，由于传导电流的产生，在间隙处将会产生磁场增强。
不失一般性，本实用新型采用的参数是：两个三角形的顶角固定在60o，每个三角形的宽度设置为40nm，因此石墨烯空竹结构的总长度保持在68nm。石墨烯带，即石墨烯空竹结构的特征尺寸为W。石墨烯化学势EF取0.6eV，载流子迁移率取10000cm2/Vs。采用有限元法，导入石墨烯电导率参数对本实施例磁场增强结构进行了模拟仿真，为简单起见，假设石墨烯处于悬浮状态。图2所示为石墨烯带宽度W取8nm时，石墨烯空竹结构的消光截面和平均磁场增强因子随入射光频率变化图。由图3可见，当入射光的频率为26.1THz时，石墨烯空竹结构与入射电磁波发生共振，图3中的插图表示在共振频率下的磁场分布。且归一化消光截面和磁场增强具有一致的峰值频率，这表明磁热点源于石墨烯结中的等离激元共振激发，通过结中的传导电流引起较强磁场增强，共振时平均磁场增强因子的最大值可以达到9。
图4为石墨烯带的宽度W为5nm——15nm时，本实用新型具体实施方式中石墨烯空竹结构特征尺寸W对磁场增强的影响，从图4可以看出，当W从5nm增加到15nm时，平均磁场增强因子从12减小到5，这表明较小的特征尺寸可以诱导更大的磁场增强。此外，等离激元模式的共振频率位置随着间隙宽度的增加而发生蓝移。
本实用新型公开一种基于中红外石墨烯等离激元的磁场增强结构，除改变结构特征尺寸外，利用石墨烯具有电可调的特性，通过施加偏置电压也能改变石墨烯的电导率，进而可以实现对表面等离激元及磁场增强的调控。本实用新型兼具结构配置简单和易于调控的优点，是一种极具潜力的基于磁场增强的光子学微纳器件。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于石墨烯等离激元的磁场增强结构，其特征在于：包括石墨烯结构以及基底，所述石墨烯结构设置在所述基底上，所述石墨烯结构为微纳结构；在石墨烯结构的一侧镀上金属电极，将栅压在金属电极和基底之间；所述石墨烯的形状为由两个顶点相交的石墨烯正三角形与石墨烯带连接形成。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯等离激元的磁场增强结构，其特征在于：所述石墨烯结构为单层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯等离激元的磁场增强结构，其特征在于：所述基底为硅。
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| CN113371671A (zh) * | 2021-05-26 | 2021-09-10 | 华南师范大学 | 一种通过磁场调控微纳米平板近场辐射传热的方法及装置 |
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