一种石墨烯纳米片对阵列的制作方法

本发明涉及空间等离子体诊断测试技术，具体涉及一种石墨烯纳米片对阵列。

背景技术：

石墨烯是一种排列在蜂窝状晶格中的单层碳原子，由于其独特的光学和电子特性，例如，极高的载流子迁移率、通过外部栅极或化学掺杂的可调性以及低损耗，而成为物理和工程领域的新研究热点。由于其2d性质和亚波长光限制的能力，石墨烯已经成为用于制造纳米级光学装置的材料的最佳选择。

由于这些优点，各种光学装置(例如分束器、调制器、超材料吸收器、生物传感器、滤波器等)已经在理论上进行研究或用实验进行验证。。其中，基于石墨烯的滤波器是提出的动态可调装置的研究热点。与基于诸如光子晶体、贵金属等传统材料的滤波器相比，基于石墨烯的滤波器可以通过控制栅极电压的值改变石墨烯的导电性来实现有效的动态可调性。

但现有技术中，基于石墨烯的光学装置尚处于理论研究和实验验证阶段，还有很大的发展空间。

技术实现要素：

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种石墨烯纳米片对阵列，良好的利用石墨烯的极高的载流子迁移率、通过外部栅极或化学掺杂的可调性以及低损耗的特点，能够用作有源可调带阻滤波器、高灵敏度折射率传感器以及双电路光开关，同时具有高灵敏度、调制深度高于90％的优点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种石墨烯纳米片对阵列，包括上下两层石墨烯纳米片和石英基板，所述石英基板设置在上下两层石墨烯纳米片中间，所述上下两层石墨烯纳米片包括多个石墨烯纳米片，均匀分布在石英基板顶部和底部，所述石英基板用于固定并隔开上下两层石墨烯纳米片；

进一步地，所述石英基板的宽度为1um，折射率为1.5；

进一步地，沿x和y轴方向的周期px＝py＝300nm；

进一步地，单个石墨烯纳米片的宽度为50nm，长度为150nm；

进一步地，可以用做基于单层石墨烯和双层石墨烯的动态可调等离子体带阻滤波器，通过增大化学势能得到仿真透射光谱，不构建新的结构，来大幅动态调谐共振波长；

进一步地，可以用做基于具有单层石墨烯纳米片对阵列的模型的光学传感器，得到在不同背景折射率下的透射光谱，半波宽度几乎不随背景折射率的变化而变化；随着背景折射率的增加，共振波长具有接近线性的增加；

进一步地，可以用做基于具有单层石墨纳米片对阵列的结构的双通道光开关，通过调整μc1和μc2的值，可以控制共振波长的透射；并可以通过公式计算得出在共振波长处的调制深度为0.9551和0.9399；

由此可见，本发明实现了基于石墨烯纳米片对阵列结构的多功能光学装置，可以用作具有共振波长倾斜低于0.2％的透射率的有源等离子体带阻滤波器、灵敏度高达4879nm/riu的高灵敏度折射率传感器、以及共振波长倾斜的调制深度为0.9551和0.9399的双通道光开关。这些研究可能在多功能和动态可调光电子装置的制造中具有巨大的潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1(a)为本发明的石墨烯纳米片对阵列的示意图；

图1(b)为石墨烯纳米片对阵列的单元结构图；

图2(a)为单层石墨烯将μc1从0.41ev调整至0.5ev并保持μc2＝0.1ev的透射光谱；

图2(b)为单层石墨烯μc1＝0.55ev并使用单个石墨烯将μc2从0.40ev调谐至0.44ev的透射光谱；

图2(c)为单层石墨烯μc2＝0.55ev并将μc1从0.40ev调谐至0.44ev的透射光谱；

图2(d)为单层石墨烯μc2＝0.1ev并用双层石墨烯将μc1从0.41ev调谐至0.47ev的透射光谱；

图3(a)为在μc1＝0.1ev和μc2＝0.5ev下，不同背景折射率在从1到1.1的范围内的模拟透射光谱；

图3(b)为具有不同折射率的共振波长；

图4(a)为具有单层石墨烯结构μc1＝0.4ev和μc2＝0.5ev的关-关状态的透射光谱；

图4(b)为具有单层石墨烯结构μc1＝0.4ev和μc2＝0.1ev的开-关状态的透射光谱；

图4(c)为具有单层石墨烯结构μc1＝0.1ev和μc2＝0.5ev的关-开状态的透射光谱；

图4(d)为具有单层石墨烯结构μc1＝0.1ev和μc2＝0.1ev的开-开状态的透射光谱。

具体实施方式

使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

如图1所示，为一种石墨烯纳米片对阵列，上下两层石墨烯纳米片和石英基板，所述石英基板设置在上下两层石墨烯纳米片中间，所述上下两层石墨烯纳米片包括多个石墨烯纳米片，均匀分布在石英基板顶部和底部，所述石英基板用于固定并隔开上下两层石墨烯纳米片；

优选的，所述石英基板的宽度为1um，折射率为1.5；

优选的，沿x和y轴方向的周期px＝py＝300nm；

优选的，单个石墨烯纳米片的宽度为50nm，长度为150nm；

优选的，运用以下公式导出石墨烯面电导率：

σ(ω,γ,μc,t)＝σinter(ω,γ,μc,t)+σintra(ω,γ,μc,t)；

其中，t是温度、μ是化学势、γ是散射率、λ是入射波长、ω是角频率、e是电子电荷、是更小的普朗克常数、kb是玻尔兹曼常数、fd是费米-狄拉克分布、ξ是能量、σinter和σintra表示对电导率的带间和带内贡献；在我们的研究中，温度t＝300k；

优选的，可以用做基于单层石墨烯和双层石墨烯的动态可调等离子体带阻滤波器，通过增大化学势能得到仿真透射光谱，不构建新的结构，来大幅动态调谐共振波长；

优选的，可以用做基于具有单层石墨烯纳米片对阵列的模型的光学传感器，得到在不同背景折射率下的透射光谱，半波宽度几乎不随背景折射率的变化而变化；随着背景折射率的增加，共振波长具有接近线性的增加；

优选的，可以用做基于具有单层石墨纳米片对阵列的结构的双通道光开关，通过调整μc1和μc2的值，可以控制共振波长的透射；并可以通过公式计算得出在共振波长处的调制深度为0.9551和0.9399；

实施例1

用作基于单层石墨烯和双层石墨烯的动态可调等离子体带阻滤波器。

研究了具有单层石墨烯的在不同化学势下的透射光谱。图2(a)显示了在下石墨烯μc2＝0.1ev的化学势以及从0.41ev增大到0.50ev的上层石墨烯的化学势μc1下的模拟透射光谱。共振波长明显蓝移1.62um，μc1增加0.9ev。图2(b)表示当我们将μc2从0.40ev调整为0.44ev并且保持μc1＝0.55ev时，一个共振波长是蓝移，而另一个共振波长不改变。当μc2＝0.55ev并且μc1从0.40ev增大到0.44ev时，我们可以得到与图2(b)相同的结果，如图2(c)所示。结果表明，两个共振波长由μc1和μc2同时独立调谐。通过改变μc1和μc2，而不构建新的结构，来大幅动态调谐共振波长。而且，我们可以从图2(a)、2(b)以及2(c)中得到在调谐范围内的tmin<0.2％的完美滤波器。共振波长的这种可调并且完美的最小透射特性显示了带阻使用的突出优点。

我们对双层石墨烯进行进一步研究。其共振波长倾斜在μc2＝0.1ev下明显蓝移，并且将μc1从0.40ev调谐至0.44ev。与单层结构相比，双层石墨烯结构可以进一步将共振波长从图2(d)和图2(a)偏移到蓝色光谱区域。

实施例2

用作基于具有单层石墨烯纳米片对阵列的模型的光学传感器。研究了具有单层纳米片对阵列的模型在μc1＝0.1ev和μc2＝0.5ev下的传感性能。实现一个透射倾斜，并且在图3(a)中显示该模型在1.0至1.1的不同背景折射(n)率下的透射光谱。它表明背景折射率的微小变化导致在峰值位置清晰偏移。峰值位置的透射(t)几乎保持固定值0.0012，半波宽度几乎不随背景折射率的变化而变化。随着背景折射率(n)的增加，共振波长具有接近线性的增加，如图3(b)所示。光学传感器的特征在于谐振的线宽(δλ)和每个折射率单位变化的共振波长的偏移(s)。由公式fom＝s/δλ提供δλ、s以及fom。对于传感应用，非常需要窄透射带。根据该公式，该结构的fom为40.66，灵敏度(s)高达4879nm/riu，δλ为约120nm。这种结构对超材料石墨烯的灵敏度高于在相似的光谱区域具有高度示范的灵敏度这些大部分以前的报告。例如，传感器的灵敏度达到2600nm/riu，具有相同的超材料，但结构不同，或者在金属中，灵敏度高达1842nm/riu。因此，该结果显示超高灵敏度检测器的诸如生物传感和气体检测等巨大电势。

实施例3

用作基于具有单层石墨纳米片对阵列的结构的双电路光开关。

提出了一种基于单层结构的双电路光开关。其他参数与图2(a)相同，除了上石墨烯和下石墨烯μc1、μc2的化学势以外。通过调整μc1和μc2的值，可以控制共振波长的透射，如图4所示。这显示了在图4(a)中由μc1和μc2独立控制的两个透射倾斜，μc1＝0.4ev和μc2＝0.5ev。当我们只将μc2的值调整到0.1ev并且保持μc1＝0.4ev时，第一倾斜消失，如图4(b)所示。与图4(a)相比，图4(c)显示在μc2＝0.5ev、μc1＝0.1ev下，第二共振波长的透射接近1，但第一共振波长的透射仍保持相同的值。将μc1和μc2都调谐到0.1ev，并且发现这两个透射倾斜消失。对应于图4(a)-4(d)的四个状态是关-关、开-关、关-开、开-开状态。对于开关，调制深度是测量开关性能的重要因素，md＝|(ton-toff)/ton|，其中，ton和toff是在打开状态和关闭状态下的透射量值。根据该公式，我们计算在共振波长倾斜下的调制深度为0.9551和0.9399。

综上所述，本发明实现了基于石墨烯纳米片对阵列结构的多功能光学装置，置可以用作具有共振波长倾斜低于0.2％的透射率的等离子体带阻滤波器、灵敏度高达4879nm/riu的高灵敏度折射率传感器、以及共振波长倾斜的调制深度为0.9551和0.9399的双光学电路开关。这些研究可能在多功能和动态可调光电子装置的制造中具有巨大的潜力。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。