基于圆环-半环对耦合结构的石墨烯传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于圆环‑半环对结构的石墨烯电磁超材料耦合传感器，属于石墨烯材料在传感器件领域上的应用。该传感器为三维周期性结构，其结构组成为二氧化硅衬底上沉积出的石墨烯图案阵列，其子结构采用一个石墨烯环与石墨烯半环对进行耦合以产生类电磁诱导透明现象。本发明专利技术主要通过有限元法模拟计算出该结构在不同石墨烯化学势，不同圆环偏移距离，不同介质折射率下的透射光谱，并在模拟计算结果的指导下对结构进行进一步优化，使之具有在中红外频段不同位置均能激发出类电磁诱导透明现象的能力，具有良好的灵敏度与可调谐性。本发明专利技术结构简单，便于加工制造。

【技术实现步骤摘要】
基于圆环-半环对耦合结构的石墨烯传感器
本专利技术涉及一种基于圆环-半环对结构的石墨烯电磁超材料耦合传感器，属于石墨烯材料在传感器件领域上的应用。
技术介绍
电磁超材料是指由人工设计的具有非同寻常电磁特性的材料，其物理结构尺寸一般为亚波长尺度。研究发现，经过精心设计的超材料结构，有着很多非常奇妙的电磁学现象，典型的有负折射率、电磁诱导透明、左手材料和非对称传输等等早在1988年，Kocharovslaya和Khanin就提出了电磁诱导透明的初步概念，而电磁诱导透明现象首次在实验中真正被发现是在1991年由Harris完成，并在之后撰文详细阐述了其理论和实验。研究人员随后发现在电磁诱导透明中，不仅电磁波的吸收由于干涉相消效应被减弱，同时其非线性光学响应能得到增强，其机理可以用三能级原子跃迁模型加以描述。从电磁诱导透明的实现方式来看，用表面超材料结构来模拟EIT现象一般有两种耦合模型，即亮暗模耦合(即明态-暗态耦合)和束缚模谐振(即明态-明态耦合)。这两种模型在具体实现方式上是有区别的，其中亮暗模耦合模型要求暗模式无法被入射场直接激发，只能通过亮模式来实现间接被激发。而亮模式则与入射场有着强烈的直接耦合效应。同时，亮模式与暗模式之间的品质因子需要保持一定差距，但它们之间拥有较为接近的共振频率。束缚模谐振模型则完全不同，它要求两者均能与入射场产生强烈的直接耦合效应，同时有着接近的品质因子，而其共振频率却只是接近而不完全相同。电磁诱导透明现象使得介质在较宽的吸收线谱中出现了一个吸收减弱甚至无吸收的透明窗口，但与此同时却拥有极强的色散效应，这使得电磁波的群速度得到显著降低，这个特性在应用中具有重要意义。常见的应用有慢光器件，光传感器、光开关等等。过去的电磁超材料结构大多基于金属来实现，缺点在于一旦制造完成，则物理尺寸已经固定，器件的性能也随之确定，这在实践中的缺点在于缺乏可调谐性。所以，我们在结构中引入了可调谐的石墨烯材料来构建电磁超材料。石墨烯作为一种二维材料，有着较高的电子迁移率，在不同的条件下能具有半导体和导体的性质。而它的电导率又随着费米能级的变化而改变，通常我们可以通过掺杂或者施加电场的方式来改变石墨烯的费米能级，这比起调节物理结构，无疑会更加方便。这种可调谐性在应用上的潜力在于，可以通过动态调节石墨烯的化学势来移动电磁超材料的透射线谱，使之与目标检测物的固有频段相重合。因此本专利技术有着重要的科学研究意义和实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供一个尺寸较小，结构简单，便于调谐的基于石墨烯的圆环-半环对耦合结构传感器。考虑到结构难易等要求，本专利技术提出了一种基于石墨烯的圆环-半环对耦合结构，为基于石墨烯的可调谐传感器技术的发展提供了重要帮助。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于石墨烯的圆环-半环对耦合结构传感器，该传感器为三维周期性结构，其子结构采用一个石墨烯环与石墨烯半环对进行耦合以产生类电磁诱导透明现象；其特征在于：二氧化硅衬底上沉积一层石墨烯层，其平面图案为周期性排布的石墨烯环与石墨烯半环对。本技术方案中的圆环-半环对结构以石墨烯材料为基础，可以通过化学气相沉淀法来制作，本专利技术所述的石墨烯材料选择的费米能级在0.1eV～1eV之间，这个费米能级通过掺杂或者施加电场，可以较为容易地实现。本专利技术所述的有效增益是：(1)本传感器结构简单，便于制造，能在中红外频段实现类电磁诱导现象。(2)本传感器激发的类电磁诱导透射窗口较窄，作为传感器有着很高的灵敏度。(3)本传感器激发出的类电磁诱导现象可以通过掺杂或者施加电场来调节石墨烯的费米能级，从而调节谐振频率和强度，以应对不同的检测需求。(4)本传感器激发出的类电磁诱导现象可以通过改变物理结构来调节透射窗口的宽度，从而检测不同特征线谱宽度的目标物(5)通过在本传感器结构的上方放置不同折射率的介质，可以得到不同的透射线谱，从而实现对不同物质的检测。附图说明图1为该传感器单元结构示意图图2为该传感器石墨烯图案阵列的结构与尺寸图图3为该传感器在不同石墨烯费米能级下的类电磁诱导透明调谐透射谱图4为该传感器在不同中心圆环偏移距离下的可调窗口宽度透射谱图5为该传感器在上侧放置折射率不同的待检测物时的透射谱以上图片中含有：Px＝Py＝140nm；h＝60nm；R1＝R3＝30nm；R2＝19nm；R4＝21.6nm；S1＝5nm；S2＝2nm；附图标记说明：1-二氧化硅衬底层；2-待检测物质；3-石墨烯圆环；4-石墨烯半环对具体实施方式以下是本专利技术的具体实施例并结合附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术并不限于该实施例。附图1为基于石墨烯的圆环-半环对耦合结构的一个单元结构示意图。其长度与宽度均为140nm，二氧化硅衬底与被检测物质的厚度均为60nm，石墨烯图案阵列的厚度为1nm。附图2为单个石墨烯图案的具体尺寸。其中石墨烯圆环的外径为30nm，内径为21.6nm，石墨烯半环对的外径为30nm，内径为19nm，半环对距离中间圆环的最外侧的距离为2nm，中间圆环偏离平衡位置的距离为5nm。该传感器的工作原理可通过如下内容来进行解释。二维材料石墨烯具有非常高的电子迁移率，我们通过施加外电场，或者对石墨烯进行掺杂，可以方便地改变石墨烯的费米能级，从而使其逐渐呈现出金属的性质，并在入射场的作用下激发出表面等离子体共振。从简化工艺角度考虑，我们可以通过化学气相沉淀法来完成结构的石墨烯图案制作。我们先用化学气相沉淀法沉积出一个石墨烯圆环，使其在31.6THz附近可以被x方向极化的入射场直接激发出强烈的等离子体共振，再用同样的方法沉积出石墨烯半环对结构，与石墨烯圆环不同，石墨烯半环对无法被x方向极化的入射场直接激发，而只能通过与石墨烯圆环结构的耦合来被动激发出等离子体共振。在这个耦合结构中，圆环作为明态模，半环对则作为暗态模。当这两个结构被组合在一起的时，即被激发出类电磁诱导透明线形，在29.68THz与31.7THz处，出现了两个明显的透射率较低的共振峰，而在30.36THz处，由于相消干涉的存在，出现了一个透射率较高的透射窗口，通过调整石墨烯的化学势，我们可以使透射窗口往低频或者高频移动。通过调整中部圆环离开平衡位置的距离，我们可以调整透射窗口的宽度。在传感器上方放置不同折射率的介质后，透射谱会随着折射率参数的变化而变化，从而达到检测物体成分的功能。附图3是该结构在不同石墨烯费米能级Ef下的透射光谱，我们通过施加电场或者进行掺杂的方式来调节石墨烯的化学势，使之分别取值0.92eV(0.92电子伏特)、0.96eV(0.96电子伏特)和1eV(1电子伏特)，随着石墨烯化学势的增加，谐振强度随之增加，谐振频率也随之增加，透射窗口也从29.4THz移动到30.36THz。附图4为石墨烯费米能级取值1eV(1电子伏特)时，不同中心圆环偏移距离下的透射光谱。圆环偏移距离分别取值5nm、10nm和15nm，随着偏移距离的增加，透射窗口逐渐变宽，两处共振谷之间的频率差也从2THz增加到5THz。附图5为石墨烯费米能级为1eV(1电子伏特)时，当在传感器上侧放置折射率不同的待检测物时，结构透射谱的变化。待检测物的折射率分别取值为1、1.1、1.2。可以看到本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于石墨烯的中红外波段可调谐类电磁诱导透明传感器，其特征在于：二氧化硅衬底上沉积一层石墨烯层，其平面图案为周期性排布的石墨烯环与石墨烯半环对耦合结构。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯的中红外波段可调谐类电磁诱导透明传感器，其特征在于：二氧化硅衬底上沉积一层石墨烯层，其平面图案为周期性排布的石墨烯环与石墨烯半环对耦合结构。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的中红外波段可调谐类电磁诱导透明传感器，其特征在于：二氧化硅衬底层厚度与待检测介质的厚度h均为60nm。3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的中...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖丙刚，祝嵇锋，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33