专利名称：表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法及装置，尤其是此表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法及装置，可以通过改变石墨烯周围介质的属性及厚度来改变表面等离子体极化波在石墨烯上的传播路径，从而可以实现龙柏透镜等多种光学变换器件。
背景技术：
自2004年发现石墨烯以来，引起了人们强烈的研究兴趣。Ashkan Vakil和NaderEngheta教授于2011年提出了基于石墨烯的表面等离子体极化波的一系列光学变换器件(“Transformation optics using graphene,’’Science 332 (6035), 1291-1294, 2011)。目前，基于石墨烯的表面等离子体极化波的调控手段主要是通过外加电压，改变石墨烯的化学势，从而改变石墨烯电导率的空间分布，实现对石墨烯上支持的表面等离子体极化波的调控，从而实现光学变换器件。然而，在实际操作中，通过电压进行调控的方式存在很多局限，因为外加电压不能太大，硅基底与石墨烯的间隙的高低变化也有限度，这就限制了石墨烯属性变化的范围，从而影响对表面等离子体极化波调控的效果。G. ff. Hanson教授提出，石墨烯的电导率可以由Kubo公式表不为(“Dyadic Green’s functions and guided surfacewaves for a surface conductivity model of graphene,^J. AppI. Phys. 103(6),064302,2008),
咖,Y,T) = je^ iCO-j2YA^^^
cTTfi2 \_(co-J2Tf ,0 L dsds J
-f ^ds ,
，0 O - j2T f - 40 / Kf 」其中_e为电子电量，fi = hjln为普朗克常数，fd( e ) = I/(1+exp [ ( e - U c) /(kBT)])是费米狄拉克分布，kB为波尔兹曼常数，co为角频率，U。为化学势，r表示散射率，T表示温度。由上述公式可知，石墨烯的电导率与化学势有关，通过参杂方式可以改变石墨烯的化学势，可以使得石墨烯上支持的表面等离子体极化波的损耗很小。2010年，张祥教授课题组应用介质来调控表面等离子体极化波在金属上的传播，实现了如龙伯透镜，易顿透镜的光学变换器件。现在，我们提出一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法及装置。此种方法相比而言更简单有效，加工更方便。并且相对于金属而言，石墨烯表面支持的表面等离子体极化波的损耗更小，场强局域性更好。
发明内容
技术问题为了解决通过外加电压来调控表面等离子体极化波在石墨烯上的传播的方式在实际操作中的外加电压不能过大，硅衬底与石墨烯的间隙的高低变化也有限度的许多限制，本发明提出了一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法及装置，提供了另一种更简单有效的调控表面等离子体极化波在石墨烯上的传播的方法，应用此方法可以更简便的实现多种光学变换器件，在成像和通信领域有着广泛的用途。本发明采用如下技术方案一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法，将氧化硅圆锥或氧化铝圆锥设置在石墨烯上，石墨烯的下方是支撑它的基底，然后再将带基底的石墨烯连同设在石墨烯上的氧化硅圆锥或氧化铝圆锥放置在空气中，最后将球面波输入至石墨烯，在氧化硅圆锥或氧化铝圆锥与石墨烯共同作用下球面波转换为平面波。一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法，将氧化硅圆锥或氧化铝圆锥设置在石墨烯上，石墨烯的下方是支撑它的基底，然后再将带基底的石墨烯连同设在石墨烯上的氧化硅圆锥或氧化铝圆锥放置在空气中，最后将平面波输入至石墨烯，在氧化硅 圆锥或氧化铝圆锥与石墨烯共同作用下平面波转换为球面波。一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控装置，包括支撑石墨烯的基底，石墨烯，在石墨烯的上表面上设有氧化铝圆锥，在氧化铝圆锥上设有氧化硅介质层。一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控装置，包括支撑石墨烯的基底，石墨烯，在石墨烯的上表面上设有氧化硅圆锥，在氧化硅圆锥上设有氧化铝介质层。与现有技术比，本发明具有以下优点1，本发明利用介质来调控表面等离子体极化波在石墨烯上的传播。现有技术中是通过将电压施加于相互叠加在一起的硅基底，二氧化硅衬底与石墨烯后，再对电压实施调控来实现的。然而，外加电压受到很大的限制，不能太大，比如，对于300nm厚的二氧化硅衬底来说，当电压大于80V的时候，二氧化硅衬底就会被击穿，当二氧化硅衬底的厚度变小时，击穿电压会更小。但是在有些情况下，我们需要比较高的电压来达到特定的石墨烯表面支持的表面等离子体极化波的折射率，这时候采用传统方法或装置就无法对表面等离子体极化波在石墨烯上的传播实施调控。而本发明与此不同，本发明仅利用设置于石墨烯上的氧化硅圆锥或氧化铝圆锥，就可以实现对表面等离子体极化波在石墨烯上传播的调控。例如，参见图6，当入射波为球面波，并在经过氧化硅圆锥或氧化铝圆锥下方的石墨烯时，就转变成平面波；参见图7，当入射波为平面波，并在经过氧化硅或氧化铝圆锥下方的石墨烯时，就转变成球面波。因此，本发明在对表面等离子体极化波在石墨烯上传播实施调控时，无需外加电压即可完成调控，从而避免了因为外加电压不能过大所导致的石墨烯上表面等离子体极化波折射率的变化范围过小的限制。2，本发明利用介质来调控表面等离子体极化波在石墨烯上的传播。现有技术中是通过将电压施加于相互叠加在一起的硅基底，二氧化硅衬底与石墨烯后，再对电压实施调控来实现的。由于要得到特定的石墨烯上支持的表面等离子体极化波的折射率的空间分布，设在石墨烯不同区域下面的二氧化硅衬底的厚度会不同，有些区域的二氧化硅的厚度会很厚，甚至器件的纵向的厚度比器件横向的尺寸还要大，这样就增加了器件的尺寸，浪费了空间，而用介质来调控表面等离子体极化波在石墨烯上的传播的方法中，设在石墨烯上面的氧化硅或氧化铝的厚度都在纳米量级。避免了用电压调控方式中存在的器件尺寸问题。3，本发明利用介质来调控表面等离子体极化波在石墨烯上的传播，可以很方便的实现多种光学变换器件，易于加工制作。
图I是本发明的原理图，包括叠合在一起的四层结构，最下面一层是半无限大基底4，基底4上面铺石墨烯3，石墨烯3上面铺一层厚度为d2的介质层2，介质层2上面是半无限大的介质层I。图2是表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法及装置-龙伯透镜的三维图。石墨烯3上面设有高度为D为IOnm,半径R为40nm的圆锥形的氧化娃介质11。此装置放在空气中。通过此设计的石墨烯不同区域上面的氧化硅介质的厚度的不同，使得此结构支持的表面等离子体极化波的等效折射率满足龙伯透镜所需要的折射率的空间分布，就可以实现球面波到平面波的转换，或者是平面波到球面波的转换。图3是表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法及装置-龙伯透镜的三维 图。石墨烯3上面设有圆锥形的氧化铝介质21。此装置放在空气中。通过此设计的石墨烯不同区域上面的氧化铝介质的厚度的不同，使得此结构支持的表面等离子体极化波的等效折射率满足龙伯透镜所需要的折射率的空间分布，就可以实现球面波到平面波的转换，或者是平面波到球面波的转换。图4是图2的俯视图。图5是在30THz，当介质1，介质4为空气介电常数为1，介质2为氧化硅介电常数为3. 9，通过参杂使得石墨烯的介电常数为-46时，石墨烯3上支持的表面等离子体极化波随着介质2的厚度的变化关系曲线。图6是仿真结果图，由图可见，当入射波为球面波，并在经过氧化硅11圆锥下方的石墨烯时,就转变成平面波。图7是仿真结果图，由图可见，当入射波为平面波，并在经过氧化硅11圆锥下方的石墨烯时,就转变成球面波。
具体实施例方式一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法，将氧化硅11圆锥或氧化铝21圆锥设置在石墨烯3上，石墨烯3的下方是支撑它的基底4，然后再将带基底4的石墨烯3连同设在石墨烯3上的氧化硅11圆锥或氧化铝21圆锥放置在空气中，最后将球面波输入至石墨烯3，在氧化硅11圆锥或氧化铝21圆锥与石墨烯3共同作用下球面波转换为平面波。一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法，将氧化硅11圆锥或氧化铝21圆锥设置在石墨烯3上，石墨烯3的下方是支撑它的基底4，然后再将带基底4的石墨烯3连同设在石墨烯3上的氧化硅11圆锥或氧化铝21圆锥放置在空气中，最后将平面波输入至石墨烯3，在氧化硅11圆锥或氧化铝21圆锥与石墨烯3共同作用下平面波转换为球面波。一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控装置，包括支撑石墨烯3的基底4，石墨烯3，在石墨烯3的上表面上设有氧化铝21圆锥，在氧化铝21圆锥上设有氧化硅11介质层。
一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控装置，包括支撑石墨烯3的基底4，石墨烯3，在石墨烯3的上表面上设有氧化硅11圆锥，在氧化硅11圆锥上设有氧化铝21介质层。此表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法及装置的实现原理包括叠合在一起的四层结构，如附图I所示最下层是半无限大的支撑石墨烯的基底(氧化硅，氧化铝)基底上是厚度为d3的石墨烯层，在石墨烯层上铺厚度为d2的介质层2 (氧化硅，氧化铝)，在介质层2上是半无限大的介质层I (空气，氧化硅或氧化铝。注介质层I的属性不同于介质层2。)石墨烯表面支持的表面等离子体极化波是一种横磁波，它具有传播方向的电场Ex以及垂直于石墨烯表面的电场Ez，以及另一个方向上的Hy.通过解麦克斯韦方程组
权利要求
1.一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法，将氧化硅(11)圆锥或氧化铝(21)圆锥设置在石墨烯(3)上，石墨烯(3)的下方是支撑它的基底(4)，然后再将带基底(4)的石墨烯(3)连同设在石墨烯(3)上的氧化硅(11)圆锥或氧化铝(21)圆锥放置在空气中，最后将球面波输入至石墨烯(3 )，在氧化硅(11)圆锥或氧化铝(21)圆锥与石墨烯(3 )共同作用下球面波转换为平面波。
2.一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法，将氧化硅(11)圆锥或氧化铝(21)圆锥设置在石墨烯(3)上，石墨烯(3)的下方是支撑它的基底(4)，然后再将带基底(4)的石墨烯(3)连同设在石墨烯(3)上的氧化硅(11)圆锥或氧化铝(21)圆锥放置在空气中，最后将平面波输入至石墨烯(3 )，在氧化硅(11)圆锥或氧化铝(21)圆锥与石墨烯(3 )共同作用下平面波转换为球面波。
3.一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控装置，包括支撑石墨烯(3)的基底(4)，石墨烯(3)，在石墨烯(3)的上表面上设有氧化铝(21)圆锥，在氧化铝(21)圆锥上设有氧化娃(11)介质层。
4.一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控装置，包括支撑石墨烯(3)的基底(4)，石墨烯(3)，在石墨烯(3)的上表面上设有氧化硅(11)圆锥，在氧化硅(11)圆锥上设有氧化铝(21)介质层。
全文摘要
一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控方法，将氧化硅圆锥或氧化铝圆锥设置在石墨烯上，石墨烯的下方是支撑它的基底，然后再将带基底的石墨烯连同设在石墨烯上的氧化硅圆锥或氧化铝圆锥放置在空气中，最后将球面波输入至石墨烯，在氧化硅圆锥或氧化铝圆锥与石墨烯共同作用下球面波转换为平面波。一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控装置，包括支撑石墨烯的基底，石墨烯，在石墨烯的上表面上设有氧化铝圆锥，在氧化铝圆锥上设有氧化硅介质层。一种表面等离子体极化波在石墨烯上的传播调控装置，包括支撑石墨烯的基底，石墨烯，在石墨烯的上表面上设有氧化硅圆锥，在氧化硅圆锥上设有氧化铝介质层。
文档编号G02F1/01GK102681214SQ201210099490
公开日2012年9月19日 申请日期2012年4月5日 优先权日2012年4月5日
发明者朱薇, 董正高, 许红菊, 陆卫兵 申请人:东南大学