一种可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料及其应用的制作方法

本发明属于等离激元诱导透明领域，具体涉及一种可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料及其应用。

背景技术：

等离激元诱导透明(plasmoninducedtransparency，pit)是利用超材料的等离激元特性实现类似电磁诱导透明的现象。pit的实现通常有两种模式：亮-亮模式与亮-暗模式。第一种模式是基于两个亮模式之间的频率调节和杂化，第二种模式则是基于亮模式与暗模式之间的相消干涉。pit效应在很多领域都有应用，如光开关、光信息存储器、慢光设备以及传感领域。

作为一种单原子厚度的二维平面材料，石墨烯拥有许多特殊的光学特性，如极限场约束和低传播损耗，尤其是电压依赖性，通过化学掺杂或静电控制，可以调节石墨烯的费米能，进而调节其电导率。故近几年来石墨烯在pit结构设计中应用非常广泛。但大部分结构的群延迟时间较短，这就极大的制约了等离激元诱导透明技术在慢光设备方面的应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料，同时提供其应用是本发明的又一发明目的。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料，所述材料由基底和基底上设置的石墨烯层，所述石墨烯层是由呈周期性排列在基底上的|+|型石墨烯结构单元组成，|+|型石墨烯结构单元包括两条竖直放置的平行石墨烯条带及一个放置其中的十字型结构，十字型结构与两条平行条带的间隔相同。

|+|型石墨烯结构单元沿x轴及y轴的排列周期p均为16um～30um，单元结构的尺寸为：两条竖直放置的平行条带长度l为12.5um，宽度w1为1.5um，十字型结构的长度a为6um，宽度w2为1.5um，平行条带与十字型结构的间距d为1.25um～2.0um。

所用石墨烯层的厚度为1nm。

所述基底为电介质材料，其厚度为4um～8um。

所述基底优选为二氧化硅。

所述的可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料在光开关、慢光器件、传感器以及高度集成光路的应用。

本发明的制备方法如下：首先利用化学气相沉淀法制备出单层石墨烯[hwangboy,leeck,kimsm,etal.fracturecharacteristicsofmonolayercvd-graphene[j].scientificreports,2014,4.]，然后将制备出的石墨烯转移到基底上，最后采用电子束光刻技术和等离子体刻蚀技术来完成|+|型结构的制作。[nearr,taborc,duanj,etal.pronouncedeffectsofanisotropyonplasmonicpropertiesofnanoringsfabricatedbyelectronbeamlithography[j].nanoletters,2012,12(4):2158-2164.]。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

1)本发明是基于等离激元诱导透明理论来设计的具有重复性高等特点的周期性结构。该结构由两条竖直放置的平行石墨烯条带及一个放置其正中间的十字型结构组成，为单层平面结构，不涉及到结构层与层之间的堆积问题，所以该结构比较简单，适合大规模批量制备，制备精度高。

2)实现等离激元诱导透明的|+|型结构所用材料为石墨烯。石墨烯在太赫兹频域有很多独特的性质，如电子可调性、强光限制、较低的等离子体传输损失等等。石墨烯表面等离子体频率和费米能有很大关联，可通过改变费米能来控制透明窗口的位置。同时，我们也可以通过改变|+|型石墨烯结构的几何参数来调控其共振频率。

3)本发明是基于等离激元诱导透明理论来设计的具有性能优良的周期性结构。通过改变基底折射率，透明窗口可发生明显的红移，经计算可知品质因数fom可达7.32。此外该结构的慢光效应也会随着费米能增大而增大，当费米能为1.3ev时，群折射率高达843，延迟时间可达16.97ps，这将在慢光设备方面有很大的潜在应用。

附图说明

图1为本发明提出的可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料的整体结构示意图；

图2为本发明提出的可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料的单元结构示意图；竖直放置的平行石墨烯条带长度l，宽度w1，十字型结构长度a，宽度w2，条带与十字型结构间距d；

图3为可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料结构单元的透射光谱图及共振处电场分布图；

图4为打破对称结构时透射光谱随横向位移s(十字型结构中心与平行石墨烯条带中心连线的垂直距离)的变化趋势图；

图5为可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料结构的透射率随竖直放置的平行石墨烯条带宽度变化的趋势图及相应透射峰的位置；

图6为可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料结构的透射光谱随基底折射率的变化趋势及相应透明窗口的品质因子fom的变化趋势图；

图7为可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料结构的透射光谱随费米能的变化趋势图；

图8为可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料结构的群折射率随费米能的变化趋势图；

图9为可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料结构的群延迟随费米能的变化趋势图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明,但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

实施例1

一种可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料，如图1、2所示，包括基底和基底上设置的石墨烯层。所述基底为二氧化硅，基底厚度为6um；石墨烯层的材料为石墨烯,厚度为1nm。其中，|+|结构单元沿x轴方向和y轴方向的周期p均为20um,平行竖直石墨烯条带长度l为12.5um，宽度w1为1.5um，十字型结构长度a为6um，宽度w2为1.5um。石墨烯的电导率采用drude模型电导率形式其中弛豫时间为费米速度为vf＝10⁶m/s。

实施例2

本实施例所述一种可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料，与实施例1不同之处在于，周期p为30um，基底厚度为8um。

实施例3

本实施例所述一种可实现等离激元诱导透明的|+|型石墨烯超材料，与实施例1不同之处在于，周期p为16um，基底厚度为4um。

模拟测试

采用三维有限元多物理场仿真软件comsolmultiphysics进行计算。模拟结果如图3所示，图3中，a为竖直放置的平行石墨烯条带或十字型结构单独存在以及组合结构的透射光谱，b-d分别为a中所标记bcd处电场分布情况：竖直放置的平行石墨烯条带长度l＝12.5um，宽度w1＝1.5um，十字型结构长度a＝6um，宽度w2＝1.5um，条带与十字型结构间距d＝1.5um，费米能ef＝1.0ev。

仅当竖直放置的石墨烯条带存在时，透射率几乎为1，且此时石墨烯条带上分布的电场非常弱，即在太赫兹频域内该石墨烯条带几乎不与入射光发生共振；仅当十字型结构存在时，透射光谱在f＝4.22thz处出现峰谷，且此时电场主要分布在十字型结构的水平条带上，电场强度非常大，故该十字型结构与入射光在f＝4.22thz处发生共振；当上述两部分结构组合为一个整体结构时，透射光谱出现透明窗口，且此时电场均匀分布在竖直放置的平行石墨烯条带及十字型结构上，但此时电场强度比十字型结构单独存在时的电场强度小，故由于上述两部分结构间的相消干涉使得部分电场能量从十字型结构转移到平行石墨烯条带上。

1、打破对称结构时透射光谱随横向位移s的变化

图4为打破对称结构时透射光谱随横向位移s(十字型结构中心与平行石墨烯条带中心连线的垂直距离)的变化，条带与十字型结构间距d＝1.5um，费米能ef＝1.0ev，其它结构参数保持不变。

由图4可知，当横向位移s＝0.0um时即结构单元满足中心对称时，透明窗口的透射率最大(t＝90.7％)；当横向位移由s＝0.0um增大到s＝3.0um时，其透明窗口逐渐变窄且透射峰逐渐降低，但透射峰所对应频率几乎不变。当横向位移进一步增大到3.5um时，透明窗口完全消失，且在频率f＝4.2thz处出现透射率为51.0％的峰谷。故可通过改变横向位移s来实现对透明窗口的动态控制，即该结构在光开关方面将有很大的潜在应用。

2、改变平行石墨烯条带宽度对透明窗口位置所对应频率的影响

如图5所示，当横向位移s＝0.0um，间距d及其它条件不变时，改变平行石墨烯条带宽度w1由1.5um到1.25um，透明窗口逐渐消失，即亮暗模式间的相互作用减弱；当逐渐增大到1.75um时，透明窗口也表现出逐渐消失的趋势，这是由于宽度增大，亮暗模式作用中心距离增大的原因。由图5b可知透明窗口位置所对应频率随着竖直平行石墨烯条带宽度增加而增大，且几乎呈线性变化。

3、基底折射率对透射光谱的影响

由图6可知，当横向位移s＝0.0um，间距d及其它条件不变时，随着基底折射率逐渐增大，透射光谱发生明显的红移且透射峰逐渐降低。品质因数

δf/δn为每折射率(riu)变化下频率变化的大小。由图6可知品质因数会随基底折射率增大而增大，当基底折射率nb＝1.8时，fom可达7.32。

4、费米能级变化对透射率的影响

由图7可知，当横向位移s＝0.0um，间距d及其它条件不变时，随着费米能级ef逐渐增大，低能量峰谷和高能量峰谷的透射率均减小，并且出现了明显的蓝移现象；透射窗口宽度略微增加，但透射强度几乎不变，故可通过改变费米能级来来调整透明窗口频率区域。

5、群折射率及群延迟随费米能的变化趋势

图8、图9分别为群折射率及群延迟随费米能的变化趋势图。群折射率

由图8可知，群折射率随着费米能的增大而增大，当费米能ef＝1.3ev时，群折射率可高达848。群延迟

故，群延迟也随着费米能的增大而增大。观察图9可知，当费米能ef＝1.3ev时，群延迟可高达16.97ps。