基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器，包括金属电极、二氧化硅层、掺杂硅层、多条石墨烯纳米带和多片方形石墨烯片；其中二氧化硅层设置在掺杂硅层上，二氧化硅层的底面与掺杂硅层的顶面紧贴；多条石墨烯纳米带从左到右依次设置在二氧化硅层的顶面上，石墨烯纳米带之间为平行设置；多片方形石墨烯片设置在二氧化硅层的顶面上，其设置位置位于相邻的两条石墨烯纳米带之间，金属电极设置在二氧化硅层的顶面上，其设置方向与石墨烯纳米带的设置方向相垂直，金属电极与石墨烯纳米带电连接。

【技术实现步骤摘要】
基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器
本专利技术涉及微纳米光器件领域，更具体地，涉及一种基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器。
技术介绍
超表面结构是具有亚波长厚度的周期性结构，是体超材料的二维等效对应结构。由于其对振幅、相位和偏振态等的剪裁，表面或界面的反射和透射在研究者中引起了更广泛的兴趣。然而，传统的超表面结构是由周期性的金属-绝缘体或全介质结构组成，这些结构中的大多数不能支持中红外或更长波长的等离子体响应，并且它们的光学响应只能由结构的几何参数决定，这限制了他们的应用。自石墨烯问世以来，其独特的物理效应给新科学和新技术的发展带来了新的机遇。在光电子和光子学方向，掺杂的石墨烯被视为一种能够工作在中红外与太赫兹光谱窗口的理想等离子体材料。石墨烯的光学响应强烈依赖于掺杂水平或相对于狄拉克点的费米能级，而费米能级可以通过化学掺杂、施加静电或静磁场来控制。石墨烯的可协调性、极强的局部场增强、低传播损耗等独特特性，为许多应用开辟了新路线。石墨烯超表面结构更是由于其可协调的电磁特性，受到了研究人员的广泛关注。基于以上基础，在传统的超表面折射率传感器引入石墨烯已成为近年的研究热点。基于石墨烯超表面结构的折射率传感器相较于传统的超表面折射率传感器具有灵活的可协调性，但现有的石墨烯超表面结构折射率传感器还存在着一个不足，即折射率传感的灵敏度不够高。因此，现有的技术还需要改进和提高。
技术实现思路
鉴于上述技术的不足，本专利技术提供一种基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器。其具有高分辨率与灵活的可协调的特点，结构简单，降低了生产成本。为实现以上专利技术目的，采用的技术方案是：一种基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器，包括金属电极、二氧化硅层、掺杂硅层、多条石墨烯纳米带和多片方形石墨烯片；其中二氧化硅层设置在掺杂硅层上，二氧化硅层的底面与掺杂硅层的顶面紧贴；多条石墨烯纳米带从左到右依次设置在二氧化硅层的顶面上，石墨烯纳米带之间为平行设置；多片方形石墨烯片设置在二氧化硅层的顶面上，其设置位置位于相邻的两条石墨烯纳米带之间，金属电极设置在二氧化硅层的顶面上，其设置方向与石墨烯纳米带的设置方向相垂直，金属电极与石墨烯纳米带电连接。上述方案中，入射光垂直入射基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器的表面，入射光的偏振方向与石墨烯纳米带长度方向垂直。入射光会激发起石墨烯纳米带的表面等离子体激元，进而在折射率传感器的透射光谱可观察到一个透射谷，称为第一透射谷(对于反射光谱，则可观察到一个反射峰，称为第一反射峰)。第一透射谷对应的光的波长，即是使石墨烯纳米带的产生局域表面等离子激元的波长。同时，另一波长会使方形石墨烯片激发局域表面等离子激元，从而产生另一透射谷，称为第二透射谷(对于反射光谱，则可观察到一个反射峰，称为第二反射峰)。通过改变改变折射率传感器所处环境的折射率n，可改变基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器双谷的表面等离子激元的激发波长，因此，可以通过透射光谱/反射光谱的透射谷/反射峰的波长，得到所处环境的折射率n。另外，当通过金属电极调控电压或化学掺杂的方法，可改变石墨烯的费米能级Ef，从而改变两个透射谷/反射峰的位置，实现可协调性。优选地，所述的多条石墨烯纳米带中，任意相邻的两条石墨烯纳米带之间的距离为一定值。优选地，所述方形石墨烯片的设置方向与石墨烯纳米带的设置方向相平行，方形石墨烯片与左侧相邻的石墨烯纳米带的间距等于与右侧相邻的石墨烯纳米带的间距。优选地，所述石墨烯纳米带的宽度为75nm；方形石墨烯片的长度为150nm，宽度为75nm。优选地，所述相邻的两条石墨烯纳米带之间的间距内，沿石墨烯纳米带的长度方向依次设置有多片方形石墨烯片，多片方形石墨烯片设置在同一直线上。优选地，所述相邻的两条石墨烯纳米带之间的间距内沿石墨烯纳米带的长度方向依次设置的方形石墨烯片中，石墨烯纳米带长度方向上相邻的两片方形石墨烯片之间的间距为150nm。优选地，方形石墨烯片与左右两侧相邻的石墨烯纳米带的间距分别为45nm和105nm。优选地，所述二氧化硅层的厚度为40nm，所述掺杂硅层的厚度为10nm。优选地，所述金属电极的材质为金。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器具有纳米量级的尺寸，十分紧凑，方便技术人员进行集成化和阵列化。2)基于石墨烯超表面结构的可以通过外加栅极电压或化学掺杂的方式调节石墨烯的费米能级，从而调节不同波长的光透过率，因此本专利技术提供的折射率传感器可以依据不同需求进行灵活调制。3)基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器工作于远红外波段，弥补了现有技术在远红外波段的不足。4)性能优异，灵敏性高，传感器的折射率分辨率能达到10-7。附图说明图1为基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器的结构示意图。图2为基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器的折射率-透射比曲线图。图3为基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器的折射率-波长曲线图。图4为基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器的费米能级-透射比曲线图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步的阐述。实施例1本实施例提供了一种基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器1，如图1所示，其包括金属电极2、石墨烯纳米带3、方形石墨烯片4、二氧化硅层5、掺杂硅层6和栅极电压7。其中，石墨烯纳米带3的宽度为75nm；方形石墨烯片4的长度为150nm、宽度为75nm；二氧化硅层5的厚度为40nm；掺杂硅层6的厚度为10nm；石墨烯纳米带3、方形石墨烯片4的由五层石墨烯材料层叠而成；金属电极2的材质为金。掺杂硅层6设置在二氧化硅层5的下表面，且掺杂硅层6的上表面与二氧化硅层5的下表面紧贴。石墨烯纳米带3与方形石墨烯片4均位于二氧化硅层5的上表面。石墨烯纳米带3与方形石墨烯片4在长度方向互相垂直，且方形石墨烯片4与其相邻的两条石墨烯纳米带3的间距为固定值。金属电极2设置在石墨烯纳米带3上，且其设置的方向与石墨烯纳米带3与方形石墨烯片4在长度方向垂直。上述方案中，入射光垂直入射基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器1的上表面，入射光的偏振方向与石墨烯纳米带3长度方向垂直。入射光会激发起石墨烯纳米带3的表面等离子体激元，进而在折射率传感器的透射光谱可观察到一个透射谷，称为第一透射谷(对于反射光谱，则可观察到一个反射峰，称为第一反射峰)。第一透射谷对应的光的波长，即是使石墨烯纳米带3的产生局域表面等离子激元的波长。同时，另一波长会使方形石墨烯片4激发局域表面等离子激元，从而产生另一透射谷，称为第二透射谷(对于反射光谱，则可观察到一个反射峰，称为第二反射峰)。通过改变改变折射率传感器1所处环境的折射率n，可改变基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器1双谷的表面等离子激元的激发波长，因此，可以通过透射光谱/反射光谱的透射谷/反射峰的波长，得到所处环境的折射率n。另外，当通过金属电极2改变改变石墨烯纳米带3的栅极电压7或通过化学掺杂的方法改变方形石墨烯片4的掺杂浓度时，可改变石墨烯的费米能级Ef，从而改变两个透射谷/反射峰的位置，实现本文提出结构的可协调性。本专利技术提供的基于石墨烯超本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器，其特征在于：包括金属电极、二氧化硅层、掺杂硅层、多条石墨烯纳米带和多片方形石墨烯片；其中二氧化硅层设置在掺杂硅层上，二氧化硅层的底面与掺杂硅层的顶面紧贴；多条石墨烯纳米带从左到右依次设置在二氧化硅层的顶面上，石墨烯纳米带之间为平行设置；多片方形石墨烯片设置在二氧化硅层的顶面上，其设置位置位于相邻的两条石墨烯纳米带之间，金属电极设置在二氧化硅层的顶面上，其设置方向与石墨烯纳米带的设置方向相垂直，金属电极与石墨烯纳米带电连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器，其特征在于：包括金属电极、二氧化硅层、掺杂硅层、多条石墨烯纳米带和多片方形石墨烯片；其中二氧化硅层设置在掺杂硅层上，二氧化硅层的底面与掺杂硅层的顶面紧贴；多条石墨烯纳米带从左到右依次设置在二氧化硅层的顶面上，石墨烯纳米带之间为平行设置；多片方形石墨烯片设置在二氧化硅层的顶面上，其设置位置位于相邻的两条石墨烯纳米带之间，金属电极设置在二氧化硅层的顶面上，其设置方向与石墨烯纳米带的设置方向相垂直，金属电极与石墨烯纳米带电连接。2.根据权利要求1所述的基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器，其特征在于：所述的多条石墨烯纳米带中，任意相邻的两条石墨烯纳米带之间的距离为一定值。3.根据权利要求2所述的基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器，其特征在于：所述方形石墨烯片的设置方向与石墨烯纳米带的设置方向相平行，方形石墨烯片与左侧相邻的石墨烯纳米带的间距等于与右侧相邻的石墨烯纳米带的间距。4.根据权利要求3所述的基于石墨烯超表面结构的可协调折射率传感器，其特征在于：所述石墨烯纳米带的宽度为75nm；方形石墨烯片的长度为150nm，宽度...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢泽韬，倪枫超，马棋昌，赵官文，黄旭光，陶金，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：新型
国别省市：广东,44