[发明专利]一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器

说明书

本发明提供一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，包括光耦合结构和侧端栅电压的调节装置，所述侧端栅电压的调节装置为周期性共面石墨烯纳米条端部设置的电极，所述侧端栅电压的调节装置用于施加电压，形成回路；所述光耦合结构包括周期性共面石墨烯纳米条对阵列和电介质衬底，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列周期性排列在电介质衬底上，上方置于空气中。

技术领域

本发明涉及石墨烯微纳米光学器件领域，具体涉及一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器。

背景技术

表面等离子体(SPs)是光学驱动局域在金属-电介质界面处自由电子的集体震荡。外界光子和表面等离子体之间的强耦合作用称为表面等离子体极化，这种耦合作用将产生表面等离子体共振(SPR)，并且对金属-电介质界面处介质环境的变化较为敏感，因此SPR技术常被运用于传感分析和光学开关等领域。

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，其零带隙能带结构以及高的载流子迁移率，使其具有宽光谱和高响应速率。石墨烯基的纳米结构可以支持高度受限的等离子体模，同时由于石墨烯的电导率可以通过掺杂和门控电压改变费米能级的方法实现动态调节，使得石墨烯基传感、光开关等器件具有广泛的应用前景。

基于石墨烯纳米带阵列传感器及光开关，实质上是在电介质层(石英衬底)中心排列石墨烯纳米带形成的双周期光栅。本设计主要通过改变石墨烯层上下界面环境折射率以及调节石墨烯纳米带端电压实现透射峰的移动，进而引申到石墨烯基传感器及光开关的设计。

发明内容

有鉴于此，为解决上述现有技术中的问题，本发明提供了一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，具有较高的灵敏度，更快的响应时间，以及光学参数可调节等特点，同时耦合器件尺寸小，便于集成。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器，包括光耦合结构和侧端栅电压的调节装置，所述侧端栅电压的调节装置为设置在周期性共面石墨烯纳米条端部的电极，所述侧端栅电压的调节装置用于施加电压，与光耦合结构形成回路；所述光耦合结构包括周期性共面石墨烯纳米条对阵列和电介质衬底，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列周期性排列在电介质衬底上，上方置于空气中。

进一步地，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列中的石墨烯纳米条对按周期为400nm排列。

进一步地，所述周期性共面石墨烯纳米条对阵列中周期性共面石墨烯纳米条的宽度为90nm，石墨烯纳米条的间距为60nm。

进一步地，所述电介质衬底的厚度为140nm，折射率为1.4～1.6。

进一步地，所述电介质衬底为石英材料制成的衬底。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器具有较高的灵敏度，更快的响应时间，以及光学参数可调节等特点，同时耦合器件尺寸小，便于集成。

附图说明

图1为本发明的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器的几何示意图。

图2为本发明的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器的结构俯视图。

图3为本发明的电介质衬底折射率在1.45到1.75之间，TM偏振光的零级透射率随波长变化的曲线。

图4为本发明为本发明的电介质衬底折射率在1.02到1.08之间，TM偏振光的零级透射率随波长变化的曲线。

图5为本发明的一种用于红外波段的石墨烯双周期光栅传感器的灵敏度参数。

图6为本发明的一种用于红外波段的石墨烯光开关的原理图，其中单胞内左右石墨烯纳米带的费米能级数据图。