基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器，包括周期性穿孔的石墨烯层、介质层和金属层；金属层作为反射层放置在底层，金属层上面就是中间的介质层，石墨烯层处于介质层上表面，电压加载在石墨烯表面用来调节石墨烯的化学势能。本发明专利技术能够几乎实现对共振波长处正入射光全部的吸收，实现对正入射光的极化角呈现出不敏感的状态、实现对大角度入射的光依然能够保持高的吸收率。由于该吸收器是由具有连续图案的石墨烯所组成的，因此对于石墨烯化学势能的调节，只需要加载一个外界电压在石墨烯表面即可。通过对参数的优化，该吸收器的最大吸收率可以达到99.9％，几乎实现了对光的全部吸收。该吸收器对环境折射率的敏感度达到了4753nm/RIU，FOM的值为23。

Perfect Absorber of Graphene Array Based on Circular Perforation

The invention discloses a perfect absorber of graphene array based on circular perforation, including periodically perforated graphene layer, dielectric layer and metal layer; the metal layer is placed on the bottom layer as a reflection layer, and the metal layer is the intermediate dielectric layer, the graphene layer is on the surface of the dielectric layer, and the voltage is loaded on the surface of the graphene layer to regulate the chemical potential energy of graphene. The invention can absorb almost all the normal incident light at the resonance wavelength, realize the state of insensitivity to the polarization angle of the normal incident light, and realize that the light incident at a large angle can still maintain a high absorption rate. Since the absorber is composed of graphene with continuous pattern, only one external voltage is needed to adjust the chemical potential energy of graphene. By optimizing the parameters, the maximum absorptivity of the absorber can reach 99.9%, which almost achieves the total absorption of light. The sensitivity of the absorber to environmental refractive index reaches 4753 nm/RIU and the FOM value is 23.

【技术实现步骤摘要】
基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器
本专利技术涉及光学特性
，具体涉及一种基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器。
技术介绍
完美吸收器由于在很多方面的应用例如检测、成像和调制器等等而越来越受到研究者们的青睐。基于多种材料和结构的完美吸收器已经被研究。完美吸收器对入射光的高度吸收的原理是将电磁场局限在损耗性的材料中。石墨烯作为一种特殊的二维材料，因独特的光学和电学特性，例如电导率的动态可调、低吸收率、高的载流子迁移率等等性质为完美吸收器设计提供了一种很好的材料选择。此外由前面的分析者可以知道，在中红外或者太赫兹波段，石墨烯能够像贵金属能够被外界光源激发出表面等离子体。由于表面等离子体在石墨烯表面产生了共振而导致了对于中红外或者太赫兹波段的特定波长的入射光产生强烈的吸收。一般来说，由金属作为最底下的反射层、介质层作为中间层和石墨烯作为最表层所组成的完美吸收器能够实现对特定波长的光的几乎全部吸收。同时由于石墨烯电导率通过外界加载电压实现动态可调从而使得完美吸收器的对光吸收率以及共振波长实现动态调控。因此，基于不同结构的石墨烯的完美吸收器已经被研究和证实，例如基于交叉的石墨烯阵列结构、圆盘的石墨烯阵列结构、条带的石墨烯结构和圆环的石墨烯阵列结构的完美吸收器。之前有人提出一种由双层具有图案的石墨烯共同组成的动态调节的太赫兹完美吸收器，其中一层石墨烯是具有渔网结构的石墨烯层，另外一层是具有条带结构的石墨烯。该吸收器对于共振波长处的入射光的吸收率都在90％-99％之间。但是这个吸收器在共振波长处仍然没有能够达到几乎完全的吸收。同时由具有复杂结构图案的石墨烯所组成的吸收器不仅给吸收器的制备带来极大的困难而且增加了吸收器的共振波长动态可调性的难度。这是因为复杂图案的石墨烯结构在石墨烯表面加载电压的时候带来了更大的难度进而造成了石墨烯电导率的难以有效的调节。此外，在实际应用领域，完美吸收器对不同偏振方向光的吸收率以及对不同角度入射光的吸收率也是重要的因素。因此，具有动态可调的、极化角度独立的、能够在共振处对入射光实现几乎完全吸收的以及实现对不同角度的入射光仍然能够实现高度吸收的吸收器仍然需要研究。
技术实现思路
有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本专利技术提出一种基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器。本专利技术通过以下技术手段解决上述问题：一种基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器，包括周期性穿孔的石墨烯层、介质层和金属层；金属层作为反射层放置在底层，金属层上面就是中间的介质层，石墨烯层处于介质层上表面，电压加载在石墨烯表面用来调节石墨烯的化学势能。进一步地，所述介质层为ZrO2介质层。进一步地，所述金属层为Au金属层。进一步地，所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器包括结构参数r、h、p和d，分别代表圆的半径、介质层的厚度、子单元结构的周期长度和金属层的厚度；且周期长度p＝2um，金属层厚度d＝1um，介质层的介电常数为4.41，金的电导率为σgold＝4.56×107s/m。进一步地，所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中结构参数对吸收率与共振波长的影响关系为：圆半径的变化使得共振波长产生了很大的移动，同时在共振波长处的吸收率也受到了很大的影响；共振波长随着介质层厚度的变化而变化很小，但是在共振波长处的吸收效率却变化比较大；共振波长主要是受到石墨烯图案的结构参数的影响，这是因为石墨烯表面产生了局域表面等离子共振的；通过对结构参数的优化几乎实现了对共振波长处正入射光的全吸收，其吸收率达到了99.9％。进一步地，所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中石墨烯化学势能对吸收效率与共振波长的影响关系为：随着化学势能增加在共振波长处的吸收率基本保持不变，而共振波长出现明显的蓝移，共振波长与石墨烯化学势能之间符合关系式λres∝(L/μc)1/2，其中L表示石墨烯图案的等效共振长度；由于石墨烯图案是连续的，因此使得石墨烯的化学势能更加容易调节，进而使得吸收器的共振波长以及吸收率实现动态调节；为了实现该完美吸收器的吸收效率以及共振波长的动态调节，只需要加载一个电压在石墨烯表面即可。进一步地，所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中入射光的极化角以及入射角对吸收率以及共振波长的影响关系为：对正入射光的极化角度的独立，即当入射光的极化角度改变时，其对应的吸收曲线几乎不变，这是因为该完美吸收器的石墨烯图案高度对称；当以不同入射角度的光入射到吸收器上时，结果表明当入射角度达到60°时，仍然能够对共振波长处的入射光实现高度的吸收。进一步地，所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中的电场分布关系为：强烈的电场局域导致了高的吸收率，当共振波长处的入射光入射到吸收器上时，电场几乎局限在石墨烯的边缘，这是因为在石墨烯表面激发的SPPs而导致局域表面等离子共振所导致的结果；当用低吸收率处的入射光入射时，石墨烯表明几乎没有电场的存在，几乎全部被反射回去。进一步地，所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器对环境折射率的敏感度关系为：共振波长与环境折射率之间符合关系式λres∝(ε1+ε2)，其中ε1代表石墨烯上层介质的介电常数即外界环境的介电常数，而ε2代表石墨烯下层介质的介电常数即介质层的介电常数，而ε1＝n2，其中n表示环境折射率；共振波长几乎随着折射率的增加而线性增加，该完美吸收器能够作为一个很好地折射率探测器，其灵敏度达到了4753nm/RIU，FOM值为23。与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：本专利技术的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器能够几乎实现对共振波长处正入射光全部的吸收，实现对正入射光的极化角呈现出不敏感的状态、实现对大角度入射的光依然能够保持高的吸收率。并且，由于该完美吸收器是由具有连续图案的石墨烯所组成的，因此对于石墨烯化学势能的调节，只需要加载一个外界电压在石墨烯表面即可。通过对参数的优化，该吸收器的最大吸收率可以达到99.9％，几乎实现了对光的全部吸收。在研究的过程中发现，当增加石墨烯化学势能时，共振波长表现出明显的蓝移，但是在共振波长处的吸收率几乎保持不变。当以共振波长处的光入射到吸收器上时，我们发现大部分电场局限在石墨的边缘。这是因为石墨烯表面所激发的表面等离子激元(SPPs)产生了局域表面等离子共振。最后我们探究基于单层石墨烯结构的完美吸收器对环境折射率的敏感度，发现该吸收器对环境折射率的敏感度达到了4753nm/RIU，FOM的值为23。这些研究或许对于完美吸收器以及多功能器件的设计带来帮助。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，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。图1(a)为完美吸收器的整个模型结构图。(b)为完美吸收器的子单元结构示意图，其中周期P＝2um，金属层厚度d＝1um。图2为当μc＝0.68eV，吸收器的结构参数对正入射的，极化角为0°(即电场沿着x方向)的入射光的吸收率以及共振波长的影响示意图。(a)当介质层厚度h＝4um,改变圆的半径r从0.51um到0.59um。(b)当圆的半径r＝0.53um,改变介质层厚度从2um到4um本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器，其特征在于，包括周期性穿孔的石墨烯层、介质层和金属层；金属层作为反射层放置在底层，金属层上面就是中间的介质层，石墨烯层处于介质层上表面，电压加载在石墨烯表面用来调节石墨烯的化学势能。

【技术特征摘要】
1.一种基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器，其特征在于，包括周期性穿孔的石墨烯层、介质层和金属层；金属层作为反射层放置在底层，金属层上面就是中间的介质层，石墨烯层处于介质层上表面，电压加载在石墨烯表面用来调节石墨烯的化学势能。2.根据权利要求1所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器，其特征在于，所述介质层为ZrO2介质层。3.根据权利要求2所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器，其特征在于，所述金属层为Au金属层。4.根据权利要求3所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器，其特征在于，所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器包括结构参数r、h、p和d，分别代表圆的半径、介质层的厚度、子单元结构的周期长度和金属层的厚度；且周期长度p＝2um，金属层厚度d＝1um，介质层的介电常数为4.41，金的电导率为σgold＝4.56×107s/m。5.根据权利要求1所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器，其特征在于，所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中结构参数对吸收率与共振波长的影响关系为：圆半径的变化使得共振波长产生了很大的移动，同时在共振波长处的吸收率也受到了很大的影响；共振波长随着介质层厚度的变化而变化很小，但是在共振波长处的吸收效率却变化比较大；共振波长主要是受到石墨烯图案的结构参数的影响，这是因为石墨烯表面产生了局域表面等离子共振的；通过对结构参数的优化几乎实现了对共振波长处正入射光的全吸收，其吸收率达到了99.9％。6.根据权利要求1所述的基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器，其特征在于，所述基于圆穿孔的石墨烯阵列的完美吸收器中石墨烯化学势能对吸收效率与共振波长的影响关系为：随着化学势能增加在共振波长处的吸收率基本保持不变，而共振波长出现明显的蓝移，共振波长与石墨烯化学势能之间符合关系式λres...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦中超，汪伟，毛敏，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东,44