[發(fā)明專利]一種用于紅外波段的石墨烯雙周期光柵傳感器

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• 申請日: 2018-09-04
• 公開（公告）號: CN109164067A
• 公開（公告）日: 2019-01-08
• 發(fā)明（設計）人: 蒙紅云;王顯軍;劉帥;譚春華;黃旭光
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 江裕強

本發(fā)明提供一種用于紅外波段的石墨烯雙周期光柵傳感器，包括光耦合結構和側端柵電壓的調節(jié)裝置，所述側端柵電壓的調節(jié)裝置為周期性共面石墨烯納米條端部設置的電極，所述側端柵電壓的調節(jié)裝置用于施加電壓，形成回路；所述光耦合結構包括周期性共面石墨烯納米條對陣列和電介質襯底，所述周期性共面石墨烯納米條對陣列周期性排列在電介質襯底上，上方置于空氣中。

技術領域

本發(fā)明涉及石墨烯微納米光學器件領域，具體涉及一種用于紅外波段的石墨烯雙周期光柵傳感器。

背景技術

表面等離子體(SPs)是光學驅動局域在金屬-電介質界面處自由電子的集體震蕩。外界光子和表面等離子體之間的強耦合作用稱為表面等離子體極化，這種耦合作用將產生表面等離子體共振(SPR)，并且對金屬-電介質界面處介質環(huán)境的變化較為敏感，因此SPR技術常被運用于傳感分析和光學開關等領域。

石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶格結構的一種碳質新材料，其零帶隙能帶結構以及高的載流子遷移率，使其具有寬光譜和高響應速率。石墨烯基的納米結構可以支持高度受限的等離子體模，同時由于石墨烯的電導率可以通過摻雜和門控電壓改變費米能級的方法實現(xiàn)動態(tài)調節(jié)，使得石墨烯基傳感、光開關等器件具有廣泛的應用前景。

基于石墨烯納米帶陣列傳感器及光開關，實質上是在電介質層(石英襯底)中心排列石墨烯納米帶形成的雙周期光柵。本設計主要通過改變石墨烯層上下界面環(huán)境折射率以及調節(jié)石墨烯納米帶端電壓實現(xiàn)透射峰的移動，進而引申到石墨烯基傳感器及光開關的設計。

發(fā)明內容

有鑒于此，為解決上述現(xiàn)有技術中的問題，本發(fā)明提供了一種用于紅外波段的石墨烯雙周期光柵傳感器，具有較高的靈敏度，更快的響應時間，以及光學參數(shù)可調節(jié)等特點，同時耦合器件尺寸小，便于集成。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案如下。

一種用于紅外波段的石墨烯雙周期光柵傳感器，包括光耦合結構和側端柵電壓的調節(jié)裝置，所述側端柵電壓的調節(jié)裝置為設置在周期性共面石墨烯納米條端部的電極，所述側端柵電壓的調節(jié)裝置用于施加電壓，與光耦合結構形成回路；所述光耦合結構包括周期性共面石墨烯納米條對陣列和電介質襯底，所述周期性共面石墨烯納米條對陣列周期性排列在電介質襯底上，上方置于空氣中。

進一步地，所述周期性共面石墨烯納米條對陣列中的石墨烯納米條對按周期為400nm排列。

進一步地，所述周期性共面石墨烯納米條對陣列中周期性共面石墨烯納米條的寬度為90nm，石墨烯納米條的間距為60nm。

進一步地，所述電介質襯底的厚度為140nm，折射率為1.4～1.6。

進一步地，所述電介質襯底為石英材料制成的襯底。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點和技術效果：本發(fā)明的一種用于紅外波段的石墨烯雙周期光柵傳感器具有較高的靈敏度，更快的響應時間，以及光學參數(shù)可調節(jié)等特點，同時耦合器件尺寸小，便于集成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種用于紅外波段的石墨烯雙周期光柵傳感器的幾何示意圖。

圖2為本發(fā)明的一種用于紅外波段的石墨烯雙周期光柵傳感器的結構俯視圖。

圖3為本發(fā)明的電介質襯底折射率在1.45到1.75之間，TM偏振光的零級透射率隨波長變化的曲線。

圖4為本發(fā)明為本發(fā)明的電介質襯底折射率在1.02到1.08之間，TM偏振光的零級透射率隨波長變化的曲線。

圖5為本發(fā)明的一種用于紅外波段的石墨烯雙周期光柵傳感器的靈敏度參數(shù)。

圖6為本發(fā)明的一種用于紅外波段的石墨烯光開關的原理圖，其中單胞內左右石墨烯納米帶的費米能級數(shù)據(jù)圖。