[發明專利]一種用于提高單層石墨烯對可見光吸收效率的光學結構

在審

• 申請號: 201710032833.X
• 申請日: 2017-01-18
• 公開（公告）號: CN106711246A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發明（設計）人: 鄭改革;徐林華;卜令兵;鄒秀娟;張皓景
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: H01L31/0232
• 分類號: H01L31/0232;H01L31/18
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司32252
• 代理人: 戴朝榮

技術領域

本發明屬于光電技術領域，具體涉及一種用于提高單層石墨烯對可見光吸收效率的光學結構。

背景技術

光電材料的吸收性能對于光電器件性能有著重要的影響。光伏器件、光電探測器等光電器件，都是依賴于光電材料將吸收的光轉化為電能或者電信號來實現其功能的。在轉化效率一定的情況下，吸收的光越多，產生的電能或者電信號的強度就越大，光電器件的整體效率就越高。

相比于傳統的半導體光電材料，石墨烯在光電探測應用中具有獨特的優勢，比如其具有獨特的電學特性(如：高的載流子迀移速率2.5×10⁵cm²V^-1s^-1)、機械特性(高的楊氏模量1TPa)、熱學性能(高的熱導率>3000WmK^-1)、光學特性(如：太赫茲的自由載流子響應，近紅外、可見光的寬帶普遍吸收特性以及飽和吸收等非線性光學性質)、具有多種衍生物(如：氧化石墨烯、還原氧化石墨烯以及石墨烯和有機高分子的雜化材料等)和電學光學的可調控特性(如：門電壓、化學摻雜等方法)。然而，單層石墨烯厚度只有0.34nm，僅能吸收約2.3％的可見光和紅外光，這個值并不依賴入射光波長和材料本身，因此限制了石墨烯在可見、近紅外波段的應用。

為了增強石墨烯的光吸收，人們提出了利用諧振腔、表面等離激元共振、多層介質相干吸收、波導-光柵導模共振等方式，并取得了顯著的效果。其中，表面等離激元在增強光電材料的吸收方面尤為引人注目等。但傳統的表面等離激元材料主要是金、銀等貴金屬，這些材料成本較高，而且與傳統的半導體材料制作工藝不兼容，使得其在太陽能電池、光電探測器等光電器件中的應用受到很大限制。對于諧振腔結構，通常是在石墨烯的上下表面都形成合理的反射膜，這樣入射的光就會在上下鏡面膜層之間形成多次振蕩，進而使得光多次穿過石墨烯平面，大大增強石墨烯光學吸收。但是，此類諧振腔方法要求每層鍍膜的材料和厚度都必須根據所要使用的入射光波長去進行優化設計，這就使得吸收增強的波長范圍變小。

波導-光柵共振方法是將石墨烯器件平鋪在波導-光柵上，讓石墨烯和波導-光柵表面充分接觸。當在光柵結構中引入光后，滿足特定條件的光波能夠激發波導中導波模式，光就會與石墨烯充分作用，形成非常強的光學吸收。由于波導內光幾乎不損失，所以這種方法幾乎可以實現光的100％吸收。但是這種方法首先需要刻蝕工藝制備亞波長光柵結構，且多采用機械剝離的石墨烯和波導形式，工藝比較復雜、困難，因此不適合實際生產應用。另外更為重要的是，以上涉及的吸收增強方式及對應的光學結構均有著很強的偏振依賴性，通常只在某一偏振(橫電TE或者橫磁TM)狀態下有響應。

發明內容

針對現有技術存在的不足，本發明提供了一種用于提高單層石墨烯對可見光吸收效率的光學結構。通過在棱鏡表面涂覆兩層電介質薄膜結構，能夠使石墨烯與倏逝波充分相互作用，提高單層石墨烯的吸收效率，在可見光波段將單層石墨烯對電磁波的吸收率提高至100％。同時實現對單層石墨烯吸收特性的調控，拓展其在可調光譜選擇性探測等領域的應用。

為達到上述目的，本發明的技術解決方案是：

一種用于提高單層石墨烯對可見光光吸收效率的光學結構，自上而下依次是石墨烯層、波導層、光學透明層、棱鏡。

所述單層石墨烯起到吸收的作用，波導層起到的作用是增強倏逝波的傳播，光學透明層的作用是用于將棱鏡和覆蓋有石墨烯與光學透明層的玻璃片相貼合，并優化兩者貼合時由于折射率變化帶來的光傳播變化，三棱鏡的作用是供全反射。

進一步地，所述單層石墨烯為單層非摻雜石墨烯。

進一步地，所述波導層為石英片，是具有一定厚度的能夠轉移石墨烯的襯底材料，包括二氧化硅(SiO₂)、氧化鎂(MgO)、二氟化鎂(MgF₂)、二氧化鈦(TiO₂)、五氧化二鈮(Nb₂O₅)、二氧化鉿(HfO₂)中的一種。

進一步地，所述光學透明層包括透明氟樹脂(Cytop)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環烯烴聚合物(COP)、四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、氟乙烯丙烯中的一種。

進一步地，所述的棱鏡包括BK7/K9、熔融石英、氟化鈣(CaF₂)、氟化鎂(MgF₂)中的一種。