[發明專利]基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器

有效

• 申請號: 201210005521.7
• 申請日: 2012-01-10
• 公開（公告）號: CN102566089A
• 公開（公告）日: 2012-07-11
• 發明（設計）人: 陸衛兵;許紅菊;朱薇;董正高
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G02F1/01
• 分類號: G02F1/01
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術領域

本發明涉及一種使用石墨烯實現的表面等離子體極化波分束器，尤其涉及一種基于石墨烯可以做為ENZ材料的特性來設計的表面等離子體極化波分束器。此器件可以把一個球面表面等離子體極化波分成許多束平面表面等離子體極化波。

背景技術

近些年，介電常數的實部趨于零的材料(ENZ材料)引起了人們極大的關注，ENZ材料可以將一個給定的入射波的等相位面，通過設計ENZ材料出射面的外形，將出射波等相位面的形狀變換成所需要的任意形狀，而無需考慮入射波的波前。該技術在成像和通信領域有著廣泛的應用前景。在紅外和光波段，一些低損耗的貴金屬，如金和銀，半導體和一些極性電解質，在它們的等離子體頻率附近可以用作ENZ材料。但是，由于它們的色散性質，這些ENZ材料只能工作于它們的離子體頻率附近。自2004年發現石墨烯以來，引起了人們強烈的研究興趣。G.W.Hanson教授提出，石墨烯的電導率可以由Kubo公式表示為(“Dyadic?Green’s?functions?and?guided?surface?waves?for?a?surface?conductivity?model?of?graphene，”J.Appl.Phys.103(6)，064302，2008)。

其中-e為電子電量，為普朗克常數，f_d(ε)＝1/(1+exp[(ε-μ_c)/(k_BT)])是費米狄拉克分布，k_B為波爾茲曼常數，ω為角頻率，μ_c為化學勢，Γ表示散射率，T表示溫度。由上述公式可知，石墨烯的電導率是隨著化學勢的變化而變化的。不同的電導率又對應著不同的介電常數，它們的對應關系為：Re(ε_g，eq)＝-σ_g，i/ωΔ+ε₀≈-σ_g，i/ωΔ，Im(ε_g，eq)＝σ_g，r/ωΔ。所以，我們可以通過改變石墨烯的化學勢來得到我們想要的介電常數。在多個頻率點，通過選擇適當的化學勢，就可以使石墨烯的介電常數的實部趨近于零。例如，在頻率為50THz，溫度為3K，化學勢為0.12155eV時，石墨烯的介電常數為ε＝2.28e^-4+i0.2178，它的介電常數的實部趨近于零，因此可以作為一種ENZ材料。A.Vakil教授和N.Engheta教授提出，可以使用uneven?ground?plane(凹凸不平的地平面)技術來實現在一片石墨烯上的不同區域有不同的化學勢(“Transfromation?Opticas?Using?Graphene，”Science?332(6035)，1291-1293?2011)。石墨烯化學勢與門電壓的關系為：

其中，ε₀，ε_r分別表示空氣和sio₂的介電常數，t是sio₂層的厚度。所以我們可以通過改變門電壓來改變石墨烯的化學勢從而改變石墨烯的介電常數。迄今為止，尚無人使用石墨烯來設計表面等離子體極化波分束器。

發明內容

技術問題：為了解決利用金屬等材料ENZ特性制作的分束器只能工作在其等離子體頻率附近的限制，本發明提出了一種基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器，此分束器可以把一個球面表面等離子體極化波分成若干束平面表面等離子體極化波。在成像和通信領域有著廣泛的用途。

本發明采用如下技術方案：

一種基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器，其特征在于，包括：硅襯底，在硅襯底的上表面設有環形槽，且環形槽的內側面為圓柱面、外側面為多棱柱面，在硅襯底的上表面上覆蓋有二氧化硅襯底，在二氧化硅襯底的下表面設有與硅襯底的環形槽相適配的環形突起，在二氧化硅襯底的上表面設有石墨烯層。

本發明最下面的是硅襯底，硅襯底上面鋪二氧化硅襯底，二氧化硅襯底上面再鋪石墨烯層，偏置電壓源的一極加在硅襯底上，另一極加在石墨烯上。不同區域硅襯底的厚度不同，不同厚度的硅襯底導致了不同厚度的二氧化硅襯底，從而在同一個偏置電壓下，不同區域的石墨烯所感應到的化學勢不同。所以不同區域上的石墨烯具有不同的介電常數。當硅襯底環形槽區域對應的石墨烯區域的介電常數的實部趨近于零，硅襯底其它區域對應的石墨烯介電常數的實部為負數時，就可以實現表面等離子體極化波分束器的功能。

與現有技術比，本發明具有以下優點：