[發明專利]一種基于強耦合效應增強單層石墨烯寬帶吸收的方法

有效

• 申請號: 201811450280.0
• 申請日: 2018-11-30
• 公開（公告）號: CN109254337B
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 胡國華;黃磊;鄧春雨;朱淵;陳博宇;惲斌峰;張若虎;崔一平
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 景鵬飛

本發明公開了一種基于強耦合效應增強單層石墨烯寬帶吸收的方法，該方法選用石墨烯納米條帶陣列作為吸收層，以金屬槽陣列作為襯底，并在金屬槽內設置相應填充介質，通過石墨烯納米條帶陣列激發石墨烯表面等離激元共振，通過金屬槽支持磁共振模式的激發，使兩個模式之間強耦合所產生的雜化場集中分布在石墨烯處，最終實現增強石墨烯的寬帶吸收效應；其中，使用的石墨烯納米條帶陣列僅與金屬梯形槽陣列的一邊緣接觸，滿足了激發強耦合效應要求較高品質因子石墨烯等離激元模的共振條件。本發明增強的吸收帶寬覆蓋在中紅外波段，具有高帶通、低波動、高速率等特性，可以在集成全光網絡中獲得應用。

技術領域

本發明涉及納米光子學技術領域，尤其涉及一種基于強耦合效應增強單層石墨烯寬帶吸收的方法。

背景技術

光吸收作為材料的一本征屬性，其大小對于各種先進的光子學器件設計起到至關重要的作用，譬如：調制器、探測器、太陽能電池等。然而，傳統的薄膜材料由于材料自身具有相對低的吸收與窄的參數空間，其微型化的發展在中紅外波段嚴重受阻。

與此同時，石墨烯作為一單原子層的薄膜材料，因其具有超高的載流子遷移率、卓越的調諧能力與非線性效應，已被廣泛的應用于各種功能化的光電子器件設計當中。更重要的是中紅外光子與石墨烯電子的相互作用可產生是石墨烯表面等離激元。相較于傳統的金屬表面等離激元，激發的石墨烯表面等離激元具有超高的局域場限定、較低的能量損耗、并且還具有卓越的調諧能力；這些對于發展未來的中紅外波段的微型化光子學器件都具有非常重要的意義。

雖然石墨烯具有以上所述的這些優勢，但是明顯低的中紅外吸收使得石墨烯在此波段的器件性能極度受限；雖然各種物理原理包括：干涉、阻抗匹配、臨界耦合、等離激元共振增強等已被提出用來提高石墨烯的吸收效率，但是這些理論只針對于窄帶吸收設計，對于實際需求的寬帶吸收應用還遠未達到要求。

目前基于石墨烯的寬帶吸收器已被提出，但是大多數的設計只在于提高整體器件的吸收性能，對于單層石墨烯的吸收性能是否改善尚未可知；利用多共振子結構是一種可增強寬帶單層石墨烯吸收的備選，但是所激發的中紅外波段的石墨烯等離激元共振相對較弱，且其相鄰共振子之間的耦合會引起不可避免的吸收波動，這些都不利于器件的實際應用。

發明內容

針對上述存在的石墨烯材料在中紅外波段低強度吸收且窄帶寬的問題，本發明利用了磁共振模與石墨烯等離激元共振模強耦合時所產生的雜化模場重分布的特性，提出了一種基于強耦合效應增強石墨烯寬帶吸收的方法。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案如下：一種基于強耦合效應增強單層石墨烯寬帶吸收的方法，該方法以石墨烯納米條帶陣列作為吸收層，以金屬槽作為襯底，金屬槽內設有填充介質，通過石墨烯納米條帶陣列激發石墨烯表面等離激元共振，通過金屬槽支持磁共振模式的激發，兩個模式之間強耦合所產生的雜化場集中分布在石墨烯處，最終實現增強石墨烯寬帶的吸收效應。

本發明提出的一種基于強耦合效應增強石墨烯寬帶吸收的方法，所述的金屬槽襯底上均勻分布有多個梯形的金屬槽，金屬槽的頂部槽間距小于底部槽間距，金屬槽內設有填充介質，石墨烯納米條帶陣列設置在金屬槽的上表面；其中石墨烯納米條帶陣列與金屬槽陣列單邊接觸；單邊接觸可導致激發的石墨烯表面等離子共振具有較小的本征損耗，從而保證了該體系強耦合效應的激發。

本發明所述的梯形金屬槽陣列；其中構建金屬槽的材料可選金、銀、銅、鋁中的一種；與此同時，所述的梯形金屬槽結構可由開口金屬球殼等具有相同物理效應的類似結構代替。選取梯形結構是由于極窄的頂部槽間距能夠使得槽兩臂有極強的耦合效應，進而使得限定在槽中的矢量場里主要沿著橫向方向，保證了放置在其中的石墨烯具有較強吸收能力；通過調節金屬梯形槽的幾何結構，可調控該體系所激發的兩個共振模式的耦合與解耦。此外，由于梯形槽頂部具有極強的場局域，可促使耦合所致的劈裂模式的雜化場具有較強的場束縛在石墨烯處，進而實現了寬帶石墨烯吸收