一种基于强耦合效应增强单层石墨烯宽带吸收的方法与流程

本发明涉及纳米光子学技术领域，尤其涉及一种基于强耦合效应增强单层石墨烯宽带吸收的方法。

背景技术：

光吸收作为材料的一本征属性，其大小对于各种先进的光子学器件设计起到至关重要的作用，譬如：调制器、探测器、太阳能电池等。然而，传统的薄膜材料由于材料自身具有相对低的吸收与窄的参数空间，其微型化的发展在中红外波段严重受阻。

与此同时，石墨烯作为一单原子层的薄膜材料，因其具有超高的载流子迁移率、卓越的调谐能力与非线性效应，已被广泛的应用于各种功能化的光电子器件设计当中。更重要的是中红外光子与石墨烯电子的相互作用可产生是石墨烯表面等离激元。相较于传统的金属表面等离激元，激发的石墨烯表面等离激元具有超高的局域场限定、较低的能量损耗、并且还具有卓越的调谐能力；这些对于发展未来的中红外波段的微型化光子学器件都具有非常重要的意义。

虽然石墨烯具有以上所述的这些优势，但是明显低的中红外吸收使得石墨烯在此波段的器件性能极度受限；虽然各种物理原理包括：干涉、阻抗匹配、临界耦合、等离激元共振增强等已被提出用来提高石墨烯的吸收效率，但是这些理论只针对于窄带吸收设计，对于实际需求的宽带吸收应用还远未达到要求。

目前基于石墨烯的宽带吸收器已被提出，但是大多数的设计只在于提高整体器件的吸收性能，对于单层石墨烯的吸收性能是否改善尚未可知；利用多共振子结构是一种可增强宽带单层石墨烯吸收的备选，但是所激发的中红外波段的石墨烯等离激元共振相对较弱，且其相邻共振子之间的耦合会引起不可避免的吸收波动，这些都不利于器件的实际应用。

技术实现要素：

针对上述存在的石墨烯材料在中红外波段低强度吸收且窄带宽的问题，本发明利用了磁共振模与石墨烯等离激元共振模强耦合时所产生的杂化模场重分布的特性，提出了一种基于强耦合效应增强石墨烯宽带吸收的方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种基于强耦合效应增强单层石墨烯宽带吸收的方法，该方法以石墨烯纳米条带阵列作为吸收层，以金属槽作为衬底，金属槽内设有填充介质，通过石墨烯纳米条带阵列激发石墨烯表面等离激元共振，通过金属槽支持磁共振模式的激发，两个模式之间强耦合所产生的杂化场集中分布在石墨烯处，最终实现增强石墨烯宽带的吸收效应。

本发明提出的一种基于强耦合效应增强石墨烯宽带吸收的方法，所述的金属槽衬底上均匀分布有多个梯形的金属槽，金属槽的顶部槽间距小于底部槽间距，金属槽内设有填充介质，石墨烯纳米条带阵列设置在金属槽的上表面；其中石墨烯纳米条带阵列与金属槽阵列单边接触；单边接触可导致激发的石墨烯表面等离子共振具有较小的本征损耗，从而保证了该体系强耦合效应的激发。

本发明所述的梯形金属槽阵列；其中构建金属槽的材料可选金、银、铜、铝中的一种；与此同时，所述的梯形金属槽结构可由开口金属球壳等具有相同物理效应的类似结构代替。选取梯形结构是由于极窄的顶部槽间距能够使得槽两臂有极强的耦合效应，进而使得限定在槽中的矢量场里主要沿着横向方向，保证了放置在其中的石墨烯具有较强吸收能力；通过调节金属梯形槽的几何结构，可调控该体系所激发的两个共振模式的耦合与解耦。此外，由于梯形槽顶部具有极强的场局域，可促使耦合所致的劈裂模式的杂化场具有较强的场束缚在石墨烯处，进而实现了宽带石墨烯吸收

基于本发明所述的强耦合方法，其增强后的石墨烯吸收带宽覆盖在中红外波段，实现的带宽为2.5微米；带宽产生的波段可通过填充槽中介质调控。

本发明的金属槽中的填充介质可选二氧化硅、硅、砷化镓、碳化硅、氮化硼、三氧化二铝、氮化硅中的一种；本发明的梯形金属槽通过改变填充介质的方法实现耦合强弱的调控，通过控制金属槽激发磁共振模的强弱，可将耦合调控在初始耦合点，从而能够实现宽带平顶吸收，消除耦合引起的吸收波动的影响

本发明公开了一种基于强耦合效应增强石墨烯宽带吸收的方法所选用的结构的制备方法，具体的制备方法如下：

第1步：在金属衬底上镀一层填充介质薄膜，镀膜完成后对介质层进行刻蚀操作；

第2步：对填充介质进行紫外光刻蚀，通过刻蚀构造出梯形介质阵列结构；

第3步：在蚀刻好的样品上磁控溅射金属；

第4步：经过套刻或抛光，去掉磁控溅射后样品表面多余的金属材料；

第5步：将石墨烯转移到经后处理的样品的上表面；

第6步：经过转移处理的样品，通过无掩模电子束光刻技术构建石墨烯纳米条带阵列。

本发明的步骤1中采用的镀膜方法为等离子增强化学气相沉积法pecvd、化学气相沉积法cvd、磁控溅射法和热蒸发法中的一种。

本发明的步骤2中采用的蚀刻方法为感应耦合等离子体刻蚀icp、反应离子刻蚀技术ire和干法刻蚀中的一种。

本发明的步骤3中采用的磁控溅射方法为电子束蒸镀法ebe、磁控溅射法和热蒸发法中的一种。

本发明的基于强耦合效应增强单层石墨烯宽带吸收的方法可在红外光学调制器、探测器和光伏电池中获得应用。

本发明的优点在于：本发明使用了二维纳米材料石墨烯，保证高的调制带宽和超快调制，可以在集成全光网络获得应用，工作带宽覆盖在中红外波段，且具有高带通、低波动、高速率等特性，可以在中红外光学调制器、探测器上获得重要的应用。

附图说明

图1为本发明基于强耦合效应增强宽带平顶石墨烯吸收器的正交截面示意图；

图2为本发明的强耦合效应所产生的宽带吸收结果图；

图3为本发明的石墨烯表面等离子共振模式与磁共振模式的色散关系图；

图4为本发明实施例构造该器件的工艺流程图；

图5为本发明的金属槽中填充不同折射率介质的光谱吸收结果图；

图6为本发明添加相应介质材料所导致的宽带平顶石墨烯吸收图。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例1：如图1所示，一种基于强耦合效应增强单层石墨烯宽带吸收的设计结构，包括吸收层的石墨烯纳米条带阵列与金属梯形槽衬底结构。

其中，石墨烯条带阵列周期为2μm，条带宽度为67nm，而衬底梯形金属槽结构，其顶部宽度为300nm，底部宽度为700nm，槽高为1.4μm。衬底层的金属材质选用银这种本征损耗较小的金属。

在本实例中，所述的吸收层的石墨烯纳米条带仅与金属梯形槽的单边接触，进而可保证所激发的石墨烯表面等离子共振具有较小的本征损耗，从而可促进该体系强耦合效应的激发。

实施例2：如图2和3所示，图2为该设计所产生的宽带石墨烯吸收光谱图，当横磁波(tm)波垂直入射到样品表面，该结构可同时激发石墨烯表面等离激元共振与磁共振。由于极窄的顶部槽宽限制，两个模式之间强耦合所导致的杂化模场将主要束缚在石墨烯处，进而产生了宽带石墨烯吸收效应。

从图2中可以看出利用该结构可产生带宽为2.7μm的巨大的宽带石墨烯吸收效应，且吸收率为60％远超单层石墨烯仅为2.3％的吸收效率。

图3给出了磁共振模与石墨烯等离激元模的色散曲线，通过该曲线可以明确地证明该器件所导致的宽带吸收效应是由强耦合效应所引起的。

实施例3：如图4所示，选用的基于强耦合效应增强石墨烯宽带吸收结构的具体制备流程图；

1)镀膜：在金属衬底上镀一层1.4微米厚度的填充介质薄膜，其中金属衬底选用银，镀膜的介质材料选用二氧化硅；

2)刻蚀：对填充介质进行紫外光刻蚀，通过刻蚀构造出梯形介质阵列结构；

3)溅射金属：在蚀刻好的样品上溅射金属，材质选用与衬底的金属相同的材质银；

4)后处理：经过套刻或抛光，去掉磁控溅射后样品表面多余的金属材料；

5)转移：将石墨烯转移到经后处理的样品的上表面；

6)成型：经过转移处理的样品，通过无掩模电子束光刻技术构建石墨烯纳米条带阵列。

本发明的步骤1)中采用的镀膜方法为等离子增强化学气相沉积法pecvd；步骤2)中采用的蚀刻方法为感应耦合等离子体刻蚀icp；步骤3)中采用的溅射方法为电子束蒸镀法ebe。

此外，本发明制备方法可涉及多种方法，在实施例3中仅仅采用了其中一种方法，当采用其它制备工艺制备的产品，其实施效果与实施例3非常接近。

实施例4：如图5和6所示，图5和6给出了填充不同折射率介质的吸收光谱图，从图5中可以看出，随着填充折射率的变化，吸收波动逐渐减小，当折射率为3时，吸收波动完全消失。这是由于填充的介质会影响槽中激发磁共振的强弱，当激发的磁共振模的强度恰好与石墨烯等离激元共振产生强耦合时，及强耦合位于初始耦合点时，产生的吸收将无波动。

从图6可以看出，该结构能产生一带宽为2.5μm的超宽的吸收带宽，且吸收波动基本为0。

需要说明的是，上述仅仅是本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述实施例的基础上所做出的任意组合或等同变换均属于本发明的保护范围。