[實用新型]基于石墨烯的表面等離子體極化波可變傳播寬度波導

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201220007940.X
• 申請日: 2012-01-10
• 公開（公告）號: CN202487734U
• 公開（公告）日: 2012-10-10
• 發(fā)明（設計）人: 陸衛(wèi)兵;朱薇;許紅菊;董正高
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H01P3/18
• 分類號: H01P3/18
• 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

本實用新型涉及一種使用石墨烯實現(xiàn)的表面等離子體極化波可變傳播寬度波導，尤其是此基于石墨烯的表面等離子體極化波可變傳播寬度波導的傳播寬度可以通過施加不同的偏置電壓來改變。?

背景技術

自2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，引起了人們強烈的研究興趣。Ashkan?Vakil和Nader?Engheta教授于2011年提出了基于石墨烯的表面等離子體極化波(SPP波)波導(“Transformation?optics?using?graphene，”Science?332(6035)，1291-1294，2011)。現(xiàn)在，我們提出一種基于石墨烯的SPP波可變傳播寬度波導，它不僅具有石墨烯SPP波波導損耗小，介電常數(shù)可調(diào)的優(yōu)點，同時還具備它的傳播寬度也具備可調(diào)性的優(yōu)點。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(shù)，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(shù)，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(shù)，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(shù)。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(xiàn)在一片石墨烯上的不同區(qū)域有不同的化學勢(“Transfromation?Opticas?Using?Graphene，”Science?332(6035)，1291-12932011)。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(shù)，t是sio₂襯底的厚度。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(shù)。迄今為止，尚無人應用石墨烯來設計表面等離子體極化波可變傳播寬度波導。?

實用新型內(nèi)容

本實用新型提供一種基于石墨烯的表面等離子體極化波可變傳播寬度波導，它不僅具有石墨烯表面等離子體極化波波導損耗小，重量輕，易于集成的優(yōu)點，同時還具有傳播寬度可以隨著偏置電壓的改變而改變的特點。?

本實用新型采用如下技術方案：?

一種基于石墨烯的表面等離子體極化波可變傳播寬度波導，包括：疊合在一起的硅襯底和二氧化硅襯底，在硅襯底上設有階梯形帶狀突起，在二氧化硅襯底上設有與階梯形突起相配合的階梯形凹槽，且所述階梯形帶狀突起嵌入階梯形帶狀凹槽中，在二氧化硅襯底上設有石墨烯層。?

本實用新型最下面的是硅襯底，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(qū)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(qū)域的石墨烯所感應到的化學勢不同，所以，不同區(qū)域上的石墨烯具有不同的介電常數(shù)。硅襯底一部分條帶區(qū)域上對應的石墨烯介電常數(shù)的實部為正值——不能支持表面等離子體極化波(SPP波)傳播，硅襯底另一部分條帶區(qū)域上對應的石墨烯的介電常數(shù)為負值——可以支持表面等離子體極化波(SPP波)。當施加不同的偏置電壓時，可以傳播表面等離子體極化波的石墨烯條帶總數(shù)會改變，從而可以實現(xiàn)表面等離子體極化波波導傳播寬度可調(diào)的目的。?

與現(xiàn)有技術比，本實用新型具有以下優(yōu)點：?

1、本實用新型首次實現(xiàn)了基于石墨烯的表面等離子體極化波可變傳播寬度波導。?

2、本基于石墨烯的表面等離子體極化波可變傳播寬度波導，通過設計硅襯底各個區(qū)域的厚度和合適的偏置電壓，此器件可以工作于多個頻點。?