一种利用全介质纳米结构增强石墨烯紫外光吸收的方法与流程

本发明涉及紫外光吸收技术领域，具体为一种利用全介质纳米结构增强石墨烯紫外光吸收的方法。

背景技术：

二维材料与传统的三维材料相比具有优异的电子和光学性能，因此二维材料在新型光电器件研究领域引起了广泛的兴趣。作为最流行的二维材料，石墨烯的载流子迁移率高，光谱响应快，能带结构特性，并且具有独特的机械强度和柔韧性，因此在未来硅光电子技术的发展中，石墨烯被视为一种很有潜力的替代品。在过去的几年里，许多基于石墨烯的光子器件被广泛研究，包括太阳能电池，光子探测器，光调制器和光学传感器等。在这些研究中，石墨烯由于其极薄的物理厚度以及在可见光和近红外波段的波长无关吸收，石墨烯显示出比较差的光与物质相互作用的能力以及比较弱的光谱选择性，这些缺陷毫无疑问地会对石墨烯器件的性能产生影响，所以如何增强石墨烯中的光吸收成为石墨烯器件研究的关键技术。目前，在可见到近红外波段，已经有许多研究采用特殊的光子纳米结构来增强光在单层石墨烯中的吸收，但目前几乎没有关于在单层石墨烯中实现较高的紫外线吸收的研究工作，导致对于石墨烯紫外器件应用，如紫外光检测，拉曼光谱分析等研究工作无法开展。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种利用全介质纳米结构增强石墨烯紫外光吸收的方法，解决了紫外光在单原子层石墨烯中的不被吸收的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种利用全介质纳米结构增强石墨烯紫外光吸收的方法，包括，以下步骤：

步骤1：选择单面抛光的硅片为基片，在基片上用电子束蒸镀的方法先沉积氟化钙作为氟化钙介质层；

步骤2：在氟化钙介质层一侧之上沉积氧化锆作为高折射率介质氧化锆层，在高折射率介质氧化锆层之上沉积六氟铝酸钠作为低折射率介质六氟铝酸钠层；

步骤3：然后在低折射率介质六氟铝酸钠层的表面沉氟化钙作为氟化钙介质层；如图4所示，当氟化钙的厚度小于73nm时，此时的最大紫外吸收率小于30％。当氟化钙的厚度从73nm增加到165nm时，紫外吸收带的中心波长从248nm红移至287nm。当氟化钙的厚度从112nm增加至133nm时，最大紫外吸收维持在98％以上。

步骤4：将石墨烯转移至氟化钙介质层另一侧之上形成石墨烯层；具有亚波长厚度的介质材料薄膜来增强石墨烯的紫外吸收；由于石墨烯能带的鞍点奇异性，其电导率在自由空间波长为268nm时显示一个显著的非对称峰值。这使得石墨烯在紫外范围内对光的吸收率高于可见光波段，但悬浮石墨烯的紫外吸收率仍低于9％，仍需要通过一定的方法提高石墨烯对紫外光的吸收。在纳米结构中，石墨烯对紫外光的吸收依赖于入射光的偏振。如图3所示，当采用s偏振光入射时，可见光波段的吸收被抑制了，而在270nm形成了一个明显的吸收峰，吸收率接近99.7％，并且半高宽只有9.7nm，这说明当采用s偏振光入射时，本发明会显示出良好的光谱选择特性。

步骤5：在石墨烯层表面沉积氧化硅层；

步骤6：利用光刻的方式将氧化硅层刻蚀成相同宽度和相同距离的二氧化硅纳米条。在石墨烯表面引入周期性的二氧化硅纳米条阵列来进一步限制紫外。如图5所示，当周期从189nm增加至300nm时，紫外吸收带的中心波长从240nm红移至326nm。周期增大，会导致占空比(二氧化硅二氧化硅纳米条的宽度/周期)减小，当占空比减小到一定程度时(如周期为300nm时)，石墨烯上的增强电场强度密度将会减小，以至于不足以增强紫外光在单层石墨烯上的吸收。当周期在210nm到250nm范围内变化时，该结构的吸收率将维持在95.5％以上，并且当周期等于221nm时，我们可以在波长等于270nm处得到接近9.7％的吸收。

优选的，步骤1和步骤3中所述氟化钙介质层的厚度均为126nm。氟化钙被用作介质材料，二氧化硅被用作介质二氧化硅纳米条材料。通过数值模拟的方法，对所提出结构中石墨烯的紫外吸收进行优化。

优选的，所述高折射率介质氧化锆层为5层、26.9nm厚的氧化锆，所述低折射率介质六氟铝酸钠层为4层52.6nm厚的六氟铝酸钠，所述高折射率介质氧化锆层和低折射率介质六氟铝酸钠层互相穿插平行设置。采用高折射率介质和低折射率介质的叠层构成的全介质反射镜结构作为底部镜面层来阻挡紫外光的透射。如图2所示，我们设计的全介质反射镜结构，可以很好地反射紫外光，所以通过将全介质反射镜作为镜面基底可以有效地抑制紫外光的透射，完全地阻隔紫外光的透过。

优选的，步骤4和步骤5中所述氧化硅层的厚度为29nm。

图4和图5的结果说明，我们可以通过调控二氧化硅纳米条的周期或者二氧化硅纳米条与全介质反射镜之间的介质层厚度的方式，来调控石墨烯对紫外光的吸收。

有益效果

本发明提供了一种利用全介质纳米结构增强石墨烯紫外光吸收的方法。具备以下有益效果：

1.全介质结构，与传统的表面等离激元吸收体对比，无需在结构中加入任何除石墨烯以外的有耗金属或介质，紫外光的能量全部被石墨烯吸收。

2.可以在垂直入射的条件实现对紫外光的完美吸收，实验上更容易实现。

3.相对于之前提出的吸收体结构只要工作在可见光到红外光谱范围，本发明可以对紫外光进行高效的吸收。

附图说明

图1为本发明的三维结构示意图；

图2为高折射率介质氧化锆层和低折射率介质六氟铝酸钠层依次堆叠形成的全介质反射镜基底对入射光的反射率；

图3为s偏振的入射光下，本发明的吸收率；

图4为不同介质层厚度下本发明对紫外线的吸收率；

图5为不同的二氧化硅纳米条周期的本发明对紫外线的吸收率。

图中：1为二氧化硅纳米条，2为石墨烯层，3为氟化钙介质层，4为高折射率介质氧化锆层，5为低折射率介质六氟铝酸钠层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。

请参阅图1-5，本发明提供一种技术方案：一种利用全介质纳米结构增强石墨烯紫外光吸收的方法，包括，以下步骤：

步骤1：选择单面抛光的硅片为基片，在基片上用电子束蒸镀的方法先沉积氟化钙作为氟化钙介质层；

步骤2：在氟化钙介质层一侧之上沉积氧化锆作为高折射率介质氧化锆层，在高折射率介质氧化锆层之上沉积六氟铝酸钠作为低折射率介质六氟铝酸钠层；

步骤3：然后在低折射率介质六氟铝酸钠层的表面沉氟化钙作为氟化钙介质层；

步骤4：将石墨烯转移至氟化钙介质层另一侧之上形成石墨烯层；

步骤5：在石墨烯层表面沉积氧化硅层；

步骤6：利用光刻的方式将氧化硅层刻蚀成相同宽度和相同距离的二氧化硅纳米条。

进一步地，步骤1和步骤3中所述氟化钙介质层的厚度均为126nm。

进一步地，所述高折射率介质氧化锆层为5层、26.9nm厚的氧化锆，所述低折射率介质六氟铝酸钠层为4层52.6nm厚的六氟铝酸钠，所述高折射率介质氧化锆层和低折射率介质六氟铝酸钠层互相穿插平行设置。

进一步地，步骤4和步骤5中所述氧化硅层的厚度为29nm。

本发明提供了一种利用全介质纳米结构增强石墨烯紫外光吸收的方法。具备以下有益效果：

1.全介质结构，与传统的表面等离激元吸收体对比，无需在结构中加入任何除石墨烯以外的有耗金属或介质，紫外光的能量全部被石墨烯吸收。

2.可以在垂直入射的条件实现对紫外光的完美吸收，实验上更容易实现。

3.相对于之前提出的吸收体结构只要工作在可见光到红外光谱范围，本发明可以对紫外光进行高效的吸收。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。