一种实现石墨烯在可见光波段吸波方法及吸波装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种实现石墨烯在可见光波段吸波方法及吸波装置，属于光电探测与微纳光机电系统领域。本发明专利技术提供的多刻槽结构为周期性微结构，其结构的原胞(即结构的基本单元)由多个宽度相同、深度不同的窄金属刻槽构成，刻槽及其上方填充介质覆盖层，石墨烯沉积于介质覆盖层上方。针对TM偏振入射光波，由于刻槽的腔共振效应，不同深度的刻槽对应不同的石墨烯光吸收波长，多个不同深度刻槽的组合可以实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收。此外，该吸波器的吸收光谱对入射角变化不敏感，即便入射角发生显著变化，石墨烯仍然具备优良的宽带光吸收性能，在光调制器、太阳能电池、触摸屏以及生物传感等领域有应用前景。

A Wave Absorbing Method and Device for Graphene in Visible Wave Band

The invention discloses a method for realizing graphene absorbing in visible light band and a wave absorbing device, which belongs to the field of photoelectric detection and micro-nano optoelectronic system. The multi-groove structure provided by the invention is a periodic micro-structure. The cell of the structure (i.e. the basic unit of the structure) consists of a plurality of narrow metal grooves with the same width and different depth. The grooves and the above grooves are filled with a dielectric covering layer, and graphene is deposited on the top of the dielectric covering layer. For TM polarized incident light wave, due to the cavity resonance effect of grooves, grooves with different depths correspond to different graphene light absorption wavelengths. The combination of grooves with different depths can achieve broad band absorption of graphene in visible light band. In addition, the absorption spectrum of the microwave absorber is insensitive to the change of incident angle. Even if the incident angle changes dramatically, graphene still has excellent broad-band optical absorption performance, and it has application prospects in the fields of light modulator, solar cell, touch screen and biosensor.

【技术实现步骤摘要】
一种实现石墨烯在可见光波段吸波方法及吸波装置
本专利技术涉及一种实现石墨烯在可见光波段吸波方法及吸波装置，属于光电探测与微纳光机电系统领域。
技术介绍
石墨烯(Graphene)作为一种零带隙材料，其独特的光电特性引起了材料科学、凝聚态物理以及工程学界的极大兴趣。在太赫兹和中红外波段，由于石墨烯具有高载流子迁移率和可调电导率，可以支持表面等离子体激元的传输，在分界面对电磁场具有很强的束缚效应，能够形成极强的光与石墨烯的相互作用，因此石墨烯可以在共振波长处取得接近100％的光吸收效率。然而，在可见光至近红外波段，单层石墨烯光吸收效率由其精细结构常数α决定，对应的光吸收效率仅为2.3％，远小于传统光电探测材料的光吸收，极大限制了石墨烯光电探测器件的量子转换效率。近年来，可见光至近红外波段石墨烯吸波器的研究受到人们重视，针对这一问题先后开展了大量工作。然而，以往在可见光至近红外波段增强石墨烯光吸收率的方法，主要基于微纳结构的各类共振效应，比如导模共振、法布里-玻罗(Fabry–Pérot)共振、Fano共振、腔共振、衰减全反射、电偶极共振和磁偶极共振等。在实际应用中，为了提高光电探测器的光电转换量子效率，往往需要在较宽的波段内具有宽带吸收效应，并且其光吸收效率对入射角度的变化不敏感。上述方法获得的光吸收带宽往往较窄，光吸收效率对入射角度变化极其敏感；石墨烯对于光的吸收率较低。
技术实现思路
本专利技术提供了一种实现石墨烯在可见光波段吸波装置和方法，解决了如下至少一个技术问题：目前方法存在的光吸收宽带窄、光吸收效率低或者光吸收效率对于入射角度变化敏感。采用本专利技术的装置或方法，当入射角发生显著变化时，石墨烯仍然具备性能优良的宽带光吸收效应；其光吸收效率高，能够在较宽的波长范围内实现高效率的光吸收。本专利技术的第一个目的是提供一种实现石墨烯在可见光波段吸波装置，包括多刻槽结构，所述的多刻槽结构包括两个或两个以上的宽度相同、深度不同的窄金属刻槽；刻槽内及其上方填充介质覆盖层，石墨烯位于介质覆盖层上方。由于刻槽的腔共振效应，不同深度的刻槽对应不同的石墨烯光吸收波长，多个不同深度刻槽的组合能够实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收。所述的多刻槽结构是周期性微结构，所述的周期性微结构的原胞(即结构的基本单元)包括两个或两个以上的宽度相同、深度不同的窄金属刻槽，金属刻刻槽内及其上方填充介质覆盖层，石墨烯位于介质覆盖层上方。在一种实施方式中，所述的吸波装置的多刻槽结构包括五个窄金属刻槽。在一种实施方式中，所述的吸波装置的窄金属刻槽的宽度为w，刻槽深度为d1、d2、d3……等，刻槽宽度w和刻槽深度为d符合式(1)其中，λ是石墨烯光吸收波长，l为整数，di为刻槽深度；neff为刻槽的有效折射率，具体的是等效为金属-介质-金属(MIM)波导的模式折射率，其大小与金属和介质覆盖层的介电常数有关。在一种实施方式中，当入射光为TM偏振入射光，入射角为θc时，石墨烯的介电常数为εg＝1+jσg/ωε0t0，其中，t0＝0.34nm为单层石墨烯的厚度，ω为入射光的角频率，ε0为真空介电常数，σg为石墨烯电导率，它是带内跃迁和带间跃迁的电导率之和，即σg＝σintra+σinter，根据Kubo公式可表达为：其中，为约化普朗克常数，T为开尔文温度，e为电子电荷量，kB为玻尔兹曼常数，Γ＝1/2τ为载流子的散射率，τ＝0.5ps为动量弛豫时间，μc＝0.15eV为石墨烯的化学势。在一种实施方式中，所述的介质材料覆盖层的材料是甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，PMMA在可见光波段的折射率为1.49。在一种实施方式中，所述的多刻槽结构还包括基底；所述的基底是具有光滑表面的光学基片，作为支撑微结构，能够支撑周期性微结构。在一种实施方式中，所述的基底为二氧化硅(SiO2)基片。在一种实施方式中，所述的金属刻槽的金属材料是银(Ag)。在一种实施方式中，所述的周期性微结构应为亚波长结构，具体的是所述原胞的周期Λ小于400nm。在一种实施方式中，当所述的刻槽深度在20-90nm范围内时，石墨烯的光吸收波长可以覆盖可见光波段。在一种实施方式中，所述的原胞的周期Λ为300nm、石墨烯厚度t为5nm，刻槽宽度w为30nm，金属材料厚度D为100nm，刻槽深度d1为20nm，刻槽深度d2为35nm，刻槽深度d3为50nm，刻槽深度d4为80nm，刻槽深度d5为90nm，可以实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收。在一种实施方式中，所述的吸波装置在470-800nm波段内石墨烯的光吸收效率高于60％。本专利技术的第二个目的是提供一种基于单刻槽的实现石墨烯在可见光波段吸波装置，所述的装置包括一个金属单刻槽，所述的单刻槽符合式(1)；通过改变单刻槽结构中金属刻槽的深度，进而改变石墨烯光吸收通道的波长，实现对不同波长的选择性光吸收增强。本专利技术的第三个目的是提供一种采用上述装置实现石墨烯在可见光波段的吸波方法。在一种实施方式中，由于金属刻槽的腔共振效应，满足公式(3)时，石墨烯对特定波长λ的光吸收效率显著增强，由于不同深度的金属刻槽对应不同的光吸收波长，因此将多个不同深度的金属刻槽集成到一个原胞中，可以实现多个波长石墨烯光吸收效率的增强，进而实现宽带光吸收效应。在一种实施方式中，吸波装置的结构中金属材料存在光吸收效应，石墨烯的光吸收效率需要从结构对应的全部光吸收中区分出来，相应石墨烯的光吸收率表述为：Ag＝[Pup(λ)-Pdown(λ)]/Pin(λ)(4)，式中，Pin为波长为λ的入射光功率，Pup(λ)和Pdown(λ)分别为经过石墨烯层上方和下方平面对应的光功率，上述功率参数能够通过时域有限差分法(FDTD)场分布计算获得。本专利技术有益效果是：本专利技术提供一种基于单刻槽结构、动态调控石墨烯光吸收通道的装置及方法。针对TM偏振入射光，通过改变单刻槽结构中金属刻槽的深度，实现对石墨烯光吸收通道的动态调控。具体地，所谓的单刻槽结构，相比于多刻槽结构，其结构中一个原胞中只有一个金属刻槽。通过改变单刻槽结构中金属刻槽的深度，改变金属刻槽对应的腔共振条件，进而改变石墨烯光吸收通道的波长，实现对不同波长的选择性光吸收增强。本专利技术提供了一种基于多刻槽结构、实现石墨烯角度不敏感的宽带光吸收的装置及方法。由于刻槽的腔共振效应，不同深度的刻槽对应不同的石墨烯光吸收波长，多个不同深度刻槽的组合能够实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收；该装置吸波效率高，在470-800nm波段内，石墨烯的光吸收效率高于60％，相对于石墨烯的本征光吸收效率(2.3％)提高了26倍。本专利技术提供了一种基于多刻槽结构、实现石墨烯角度不敏感的宽带光吸收的装置及方法。由于石墨烯的光吸收增强源于窄金属刻槽中的腔共振，入射角变化对腔共振效应的影响甚小，因此当入射角发生显著变化时，石墨烯仍然具备性能优良的宽带光吸收效应。因此，本专利技术在光调制器、太阳能电池、触摸屏以及生物传感等领域有应用前景。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为本专利技术一种实施方式中多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现石墨烯在可见光波段吸波装置，其特征在于，包括多刻槽结构，所述的多刻槽结构为周期性微结构，周期性微结结构的原胞由两个或两个以上宽度相同、深度不同的窄金属刻槽构成，原胞是指结构的基本单元；刻槽内及其上方填充介质覆盖层，石墨烯位于介质覆盖层上方。

【技术特征摘要】
1.一种实现石墨烯在可见光波段吸波装置，其特征在于，包括多刻槽结构，所述的多刻槽结构为周期性微结构，周期性微结结构的原胞由两个或两个以上宽度相同、深度不同的窄金属刻槽构成，原胞是指结构的基本单元；刻槽内及其上方填充介质覆盖层，石墨烯位于介质覆盖层上方。2.根据权利要求1所述的吸波装置，其特征在于，针对TM偏振光，由于金属刻槽的腔共振效应，不同深度的金属刻槽对应不同的石墨烯光吸收波长，多个不同深度金属刻槽的组合可以实现石墨烯的宽带光吸收。3.根据权利要求1-2任一所述的吸波装置，其特征在于，所述的金属刻槽的宽度为w，刻槽深度为d1、d2、d3……等，刻槽宽度w和刻槽深度为d符合式(1)其中，λ是石墨烯光吸收波长，l为整数，di为刻槽深度；neff为刻槽的有效折射率，具体的是等效为金属-介质-金属波导的模式折射率，其大小与金属和介质覆盖层的介电常数有关。4.根据权利要求3所述的吸波装置，其特征在于，所述的介质材料覆盖层的材料是甲基丙烯酸甲酯，甲基丙烯酸甲酯在可见光...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑田，高健，尹欣，王啦，齐红龙，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32