[發明專利]石墨烯表面等離激元器件、表面等離激元波導及光電器件

有效

• 申請號: 201910185384.1
• 申請日: 2019-03-12
• 公開（公告）號: CN109765648B
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 湯林龍
• 申請（專利權）人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00;G02B6/122;G02F1/01
• 代理公司: 北京元本知識產權代理事務所(普通合伙) 11308
• 代理人: 黎昌莉

本發明公開了一種石墨烯表面等離激元器件，其包括由導電周期性散射體?介電層?石墨烯層形成了類電容結構，從而通過導電周期性散射體，如一維/二維導電光柵來增大自由空間光的波矢，使之與石墨烯傳導型等離激元的波矢相匹配，以激發石墨烯傳導型等離激元；同時，可通過在石墨烯層和導電周期性散射體之間加載電壓，即可調節石墨烯的電子濃度，從而實現石墨烯表面等離激元的動態調控，即該導電周期性散射體不僅作為石墨烯等離激元的激發結構，還同時作為石墨烯電子濃度調控的一個電極，以實現對石墨烯表面等離激元的動態調控。相應地，本發明還提供了一種用于石墨烯表面等離激元波導及相應的光電器件。

技術領域

本發明涉及紅外光探測技術領域，具體涉及一種石墨烯表面等離激元器件及石墨烯表面等離激元波導、光電器件。

背景技術

等離激元學作為納米光子學的一個前沿分支，主要研究如何利用表面等離激元實現在納米尺度上對光信號的產生、傳導和操縱。表面等離激元(Surface Plasmon，SP)是在導體表面區域，電磁波和等離子體震蕩相互作用形成一種新的電磁模式。表面等離激元可存在于零維、一維和二維體系中：零維體系，如球形納米顆粒，中的表面等離激元收到x，y，z三個坐標方形的束縛，被稱為局域化表面等離激元；一維體系，如納米線，和二維體系，如金屬-電介質界面，中的表面等離激元則通常為傳導型表面等離激元，其電磁能量可以向某一方向定向傳播。十幾年來，關于等離激元的研究多數圍繞著金、銀等貴金屬體系在可見光和近紅外波段的光學響應，探討其支持的局域化或傳導型表面等離激元的光學性質，尤其是它們的激發條件、傳播和損耗特性、調控方法以及應用前景。大量調研表明，傳導型表面等離激元因其具有高頻電磁波屬性、亞波長局域尺度以及近場增強效應，能夠滿足當前光子器件小型化以及光電一體化集成對信號速度和局域尺度的需求。

由于電磁信號的穩定性及可調制性也決定著電光器件和光子集成芯片的可行性。一般地，有損材料中支持的電磁模式的局域化尺度和傳輸損壞之間存在著一個博弈關系：局域化尺度越小，傳輸損耗越大，反之亦然。目前，集成電子元件的特征尺度為幾十個納米，約為可見波長的十分之一。對于居于在如此之小尺度上的等離激元電磁模式，其傳輸損耗相應很大。如何有效減小表面等離激元的傳輸損耗已經成為等離激元學所面臨的一個亟待解決的問題。另一方面，對于金屬等離激元的動態調制完全依賴于與之相鄰的功能材料，如量子點、液晶等電光材料。然而，在納米尺度上集成這些功能材料不但會增加期間制備的難度，而且會增大體系的不穩定性。

石墨烯等二維材料的成功制備為解決表面等離激元學中的這些難題提供了突破口。首先，石墨烯等離激元具有高度局域性，能夠將紅外和太赫茲波局域在僅為百納米甚至幾十納米的范圍內。其次，石墨烯等離激元具有動態可調性，在石墨烯上加載電壓可調節石墨烯中電子的濃度，引起等離激元諧振頻率的變化，因此改變加載的電壓可實現石墨烯等離激元的諧振頻率的動態調控。此外，石墨烯具有高遷移率，可使石墨烯等離激元損耗非常低，所以理論上石墨烯等離激元還可實現具有高品質因素。正是石墨烯等離激元的這些優異特性，使得其在諸多領域具有重要的應用前景，例如表面紅外光譜增強，紅外和太赫茲探測，紅外太赫茲調制器等。

盡管石墨烯等離激元具有上述的優異性能，然而實際中這些優異性能并沒有發揮出來。這是因為石墨烯等離激元的波矢與自由空間中的光波矢差距懸殊，傳統的激發金屬等離激元的動量匹配方法(如棱鏡偶合法)已經不再適用于石墨烯等離激元的激發。對于石墨烯等離激元的光學激發主要有以下方法：1)入射光直接照射石墨烯微納結構激發石墨烯等離激元，即將石墨烯納米圖形化的方法來激發石墨烯的局域型等離激元。2)由周期性散射體激發石墨烯等離激元，即通過在石墨烯周圍介質襯底形成光柵來激發石墨烯表面等離激元。3)由單個散射體近場激發石墨烯等離激元。