基于石墨烯‑介质‑金属层状结构的纳米器件的制作方法

本实用新型涉及光电子技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯-介质-金属层状结构的纳米器件。

背景技术：

以微纳米技术制造的光电子器件，其性能大大优于传统的电子器件，其具有如下优势：1.工作速度快，纳米光电子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可使产品性能大幅度提高。2.功耗低，微纳米光电子器件的功耗仅为硅器件的1/1000。而随着中红外(波长3-30μm)科学和技术的快速发展，对该波段的关键性微纳器件，包括激光器、探测器、调制器以及各类功能器件的需求也在不断上升。

偏振转换器是中红外技术的其中一项关键器件。电磁超材料由于能够通过结构、尺寸和材料等选择对中红外波的振幅、相位、偏振以及传播实现灵活多样的控制，提供了一种实现不同类型和参数中红外偏振转换器件的有效途径。对于中红外波偏振态的调控，可以利用超材料的各向异性、手性和双各向异性实现中红外波偏振形态的改变，即实现偏振转换。

现有技术中，Hua Cheng等人提出一种基于L-型等离子体平面天线的偏振转换器。该技术方案采用L-型石墨烯，实现了可在单个频率垂直方向的线偏振光的转换。

Jun Ding等人曾基于提出另一种基于L型等离子体平面天线的偏振转换器。该技术方案采用单层石墨烯的L型挖槽，实现了两个频率的垂直方向的线偏振光的转换。

但是目前的市面上还不存在中红外多频率可调谐偏振转换器，而且不能实现三个频率同时工作。

2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，从而证实它可以单独存在， 从此学术界和工程界开始了对石墨烯应用的探索。作为一种电磁超材料，石墨烯已成为中红外技术领域的研究热点。

偏振转化率的英文缩写为PCR，英文为polarization conversion ratio。

技术实现要素：

针对上述技术中存在的不足之处，本实用新型提供一种三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，该偏振转换器在工作频段内有三个可工作频率，在每个工作频率处的偏振转化率在75％以上，而且其中两个工作频率接近100％，且偏振工作频带可调谐。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于石墨烯-介质-金属层状结构的纳米器件，该纳米器件由多个偏振三维单元组成，多个偏振三维单元呈水平放置，且多个偏振三维单元的上下表面均在同一个水平面上；

每个偏振三维单元包括位于最底层的金层、位于中间层的二氧化硅隔离层和位于最上面层的石墨烯层，所述金层、二氧化硅隔离层和石墨烯层三者由下至上依次固定，且所述石墨烯层上开设有多个打孔。

其中，所述金层的厚度在0.1μm左右，所述二氧化硅隔离层的厚度为1.1μm，且其介电常数为2.1。

其中，所述石墨烯层的制备方法为：将边长p＝0.175μm的正方形石墨烯，对称割去两块宽w＝65nm，长L＝140nm，相聚d＝10nm的长方形石墨烯后得到该石墨烯层。

其中，所述宽w＝65nm，长L＝140nm，相聚d＝10nm的长方形石墨烯即为该打孔；且所述打孔为矩形状；且所述打孔与石墨烯层之间形成箭头结构。

其中，在频率35THz-40.7THz的范围内，该偏振转换器的偏振转化率具有三个峰值；且这三个峰值分别为35THz、38THz和40.7THz。

其中，所述峰值35THz的偏振转化率大约为80％；所述峰值38THz的偏振转化率接近100％，且所述峰值40.7THz的也偏振转化率接近100％。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型提供的三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，偏振转换器由多个偏振三维单元组成，且每个偏振三维单元包括位于最底层的金层、位于中间层的二氧化硅隔离层 和位于最上面层的石墨烯层，石墨烯层上开设有多个打孔。该结构的改进，使得该偏振转换器在工作频段内有三个可工作频率，在每个工作频率处的偏振转化率在75％以上，而且其中两个工作频率接近100％，且偏振工作频带可调谐。

附图说明

图1为本实用新型中偏振三维单元的结构图；

图2为本实用新型中三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器的结构图；

图3为本实用新型中石墨烯层的结构图；

图4为本实用新型中偏振转换器的PCR结果图；

图5为本实用新型中偏振转换器的反射率效果图；

图6为本实用新型中偏振转换器的费米能级调控后的PCR结果图；

图7为本实用新型中偏振转换器SOP-A和SOP-B的吸收图。

主要元件符号说明如下：

1、偏振转换器 10、偏振三维单元

101、金层 102、二氧化硅隔离层

103、石墨烯层 1031、打孔。

具体实施方式

为了更清楚地表述本实用新型，下面结合附图对本实用新型作进一步地描述。

请参阅图1-3，本实用新型的基于石墨烯-介质-金属层状结构的纳米器件，该纳米器件1由多个偏振三维单元10组成，多个偏振三维单元10呈水平放置，且多个偏振三维单元10的上下表面均在同一个水平面上；

每个偏振三维单元10包括位于最底层的金层101、位于中间层的二氧化硅隔离层102和位于最上面层的石墨烯层103，金层101、二氧化硅隔离层102和石墨烯层103三者由下至上依次固定，且石墨烯层上开设有多个打孔1031。

相较于现有技术的情况，本实用新型提供的三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，纳米器件1由多个偏振三维单元10组成，且每个偏振三维单 元10包括位于最底层的金层101、位于中间层的二氧化硅隔离层102和位于最上面层的石墨烯层103，石墨烯层103上开设有多个打孔1031。该结构的改进，使得该偏振转换器在工作频段内有三个可工作频率，在每个工作频率处的偏振转化率在75％以上，而且其中两个工作频率接近100％，且偏振工作频带可调谐。

在本实施例中，金层101的厚度在0.1μm左右，二氧化硅隔离层102的厚度为1.1μm，且其介电常数为2.1。当然，本案中并不局限于上述的厚度，可以根据实际需要进行改进。

图1是本实用新型基于矩形结构的偏振转化器的一个单元的三维示意图；实际的偏振转换器是以该单元为周期，向四周延伸的模型，如图2给出的3X3的效果。石墨烯层的结构比较复杂，石墨烯层103的制备方法为：将边长p＝0.175μm的正方形石墨烯，对称割去两块宽w＝65nm，长L＝140nm，相聚d＝10nm的长方形石墨烯后得到该石墨烯层。宽w＝65nm，长L＝140nm，相聚d＝10nm的长方形石墨烯即为该打孔；且打孔为矩形状；且打孔与石墨烯层之间形成箭头结构。最终得到的如图3所示。

请进一步参阅图4，图4给出了PCR值，由图可知，在频率35THz-40.7THz的范围内，该偏振转换器的偏振转化率PCR具有三个峰值；且这三个峰值分别为35THz(A点)、38THz(B点)和40.7THz(C点)三个峰值。其中PCR峰值A大约为80％，峰值B、C的PCR接近100％，意味着这三个频率的入射光激发了矩形天线中的局域等离子体共振，共振峰处入射光绝大部分被天线吸收后通过表面的微纳结构辐射出垂直于原偏振方向的x方向线偏振光。图5给出了反射率的计算结果，可以看到，Rxx在三个频率有极小值，即在三个频率x偏振光被吸收。而Ryx在对应的三个频率有极大值，说明x偏光在这三个频率处转换为了y偏光。由此说明，通过此偏振转换器太赫兹光可以在三个频率发生偏振转换。本实用新型正是因为采用了箭头形天线结构，使得工作模式的数量增加为三个。

请进一步参阅图6，图6是通过改变费米能级调谐带宽的PCR结果图(费米能级取0.6eV,0.7eV,0.8eV,0.9eV,1.0eV),随着费米能级增大，其工作宽带右移。本偏振转换器能够发生偏振转换的原因可以由下图说明。如图7所 示，从左到右分别是石墨烯表面在A、B、C三个共振频率处的磁场分布。可以看到，对于每个共振频率，都可以看做是箭头内部的磁场耦合的效果，即石墨烯表面等离子体震荡所致。具体的证明公式可以参考文献[3]，Bludov Y V,Vasilevskiy M I,Peres N M R.Tunable graphene-based polarizer[J].Journal of Applied Physics,2012,112(8):084320-084320-5。

如果经由两束偏振方向分别与x轴呈45度(SOP-A)的和-45度(SOP-B)的入射光，石墨烯表面等离子体效应使得这两束光有个共振吸收点，且如果共振吸收频率很靠近，则会发生耦合，产生偏振转换效果。可以看出，两束光的共振吸收点很靠近，且SOP-B有两个共振吸收频率，符合文献[2]所指出的效应条件，从而进一步证明我们的器件可以发生三个频率偏振转换。该文献为：Jun Ding,et al.,Mid-Infrared Tunable Dual-Frequency Cross Polarization Converters Using Graphene-Based L-Shaped Nanoslot Array,(2015)10:351–356。

电磁波属于横波，其电矢量、磁矢量以及波矢方向满足右手定则。其中，电矢量是引起导体中载流子集体运动以及引起介质极化的主要原因。因此，可以通过入射电磁波和反射电磁波电场强度的比值来定义反射率。考虑到电磁波可以分解为相互正交的两个偏振方向，反射率可以写为反射矩阵的形式

其中

x,y为两个相互正交的线偏振电磁波方向，i,r分别表示入射电磁波和反射电磁波。Rmn等于反射电磁波m方向电场分量Emr与入射电磁波n方向电场分量Eni的比值，φmn为相位。在我们的模型中，由于对称性，故Rmn＝Rnm

定义Rxy与Rxy之间的相位差为：

设入射电磁波为y方向的线偏振电磁波，则偏振转化率PCR可写为

$PCR=\frac{|R_{xy}{|}^2}{|R_{yy}{|}^2+|R_{xy}{|}^2}$

Rxy＝0时，PCR＝0，意味着y方向偏振的入射光经过反射后无x方向偏振光，无偏振转换效应。Ryy＝0时，PCR＝1，意味着y方向偏振的入射光经过反射后无y方向偏振光，即所有反射光均为x方向偏振，实现了相互垂直方向的线偏振光的100％转换效率。0<PCR<1时，反射光含有两种偏振方向分量，为椭圆偏振光。由于PCR直接反映了平面天线实现偏振转化的水平，因此用来作为偏振转化器的主要性能指标。上述为实用新型中PCR的计算方法。且图4、图5和图6都是通过这个计算方式得到的图形。

以上公开的仅为本实用新型的几个具体实施例，但是本实用新型并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本实用新型的保护范围。