[发明专利]基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构有效

专利信息
申请号: 201911198772.X 申请日: 2019-11-25
公开(公告)号: CN111090136B 公开(公告)日: 2021-04-27
发明(设计)人: 刘艳;黄炎;韩根全;郝跃 申请(专利权)人: 西安电子科技大学
主分类号: G02B5/00 分类号: G02B5/00;B81B7/04;B81C1/00
代理公司: 西安文盛专利代理有限公司 61100 代理人: 佘文英
地址: 710071*** 国省代码: 陕西;61
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摘要:
搜索关键词: 基于 黑磷 纳米 阵列 金属 光栅 狭缝 吸收 结构
【说明书】:

发明公开了一种基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构,包括金属反射层、介质层、黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝结构。金属反射层采用Al材料;介质层采用SiO2材料;黑磷纳米条阵列在介质层上间隔分布,黑磷的层数为单层;由左右两个金属光栅间距组成形成金属光栅狭缝结构,金属光栅材料采用Au材料。本发明可以通过结构参数调制吸收曲线从而约束表面等离子体激元波,通过金属光栅狭缝结构产生的光透射增强效果与黑磷纳米条阵列产生的局部表面等离子体共振(LSPR)效应来增强中红外波段下黑磷的光吸收。这为基于BP的等离子体激元在中红外区域光电检测和传感的应用铺平了道路。

技术领域

本发明属于等离子体技术领域,实现在中红外频率下紧凑的等离子体激元高吸收结构。

背景技术

近年来,等离子体激元已经吸引了大量的兴趣,由于其潜力克服衍射极限和操纵亚波长尺度的光。在光频率处出现的局部表面等离子体共振(LSPR)是高度受限于电介质-介质界面,并且广泛用于片上光学集成电路,数据存储和生物传感的应用。近年来,在二维层状材料中发现了强的光物质相互作用,其中就包括等离子体激元方面的研究。然而,很多二维材料由于各种特性的限制,并不能很好的作为研究等离子体器件的材料。例如,石墨烯由于其固有的原子厚度,可以为表面等离子体极化激元(SPPs)研究提供前所未有的灵活性。但是,石墨烯存在许多不可忽视的缺陷和限制,如严重的散射损耗、零禁带等,这些不足实际上限制了等离子体的传播和光谱应用。还有MoS2由于其较低的载流子迁移率,用于红外或远红外光电子器件的场效应晶体管的未来前景令人担忧。因此,寻找性能更好的替代等离子体材料成为当务之急。而黑磷(BP)具有层间相互作用强、载流子迁移率高、带隙可调等特点,这些性能可以使黑磷成为等离子体材料更好的选择,使之成为一种很有前途的红外光电器件材料,具有广泛的应用前景。

然而,由于黑磷其固有的原子薄厚度,使得其自然情况下的吸收率非常低,通常不足以满足许多实际应用。因此采用了非常多种的方法来提高黑磷的光吸收,如集成波导、金属反射器、直接耦合谐振器和等离子光栅等。这些方法这一定程度上提高了黑磷的光吸收,其中金属反射器结构紧凑,能有效地以共振方式提高吸收效率。但是在中红外波段(10-30μm)其吸收率基本上不超过50%,并且很少有研究者进行过进一步改进的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构,在中红外频率下,引入金属光栅狭缝结构来产生光透射增强效果,与金属反射器结构结合来提高黑磷纳米阵列的吸收性能,并且可以通过调节结构参数对吸收曲线进行优化,使其能够在中红外波段拥有非常优异的光吸收特性,这为基于黑磷的等离子体激元在中红外区域光电检测和传感的应用铺平了道路。

本发明的技术方案是这样实现的:

一、技术原理:

根据结构特性研究表明,局部表面等离子体共振(LSPR)可以通过吸收曲线反映,而吸收曲线可以通过结构参数进行调整,从而达到调控共振能力的目的。同时引入金属光栅狭缝结构,产生光透射增强效果,以此来进一步增强吸收能力。另外,可以通过调节结构参数来调制高吸收所在的频率,这有助于在中红外频率下实现紧凑的等离子体激元器件。

二、结构分析:

根据此原理本发明的基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构,包括:金属反射层、介质层、黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝结构。金属反射层采用Al材料;介质层采用SiO2材料;金属光栅材料采用Au材料;黑磷是一种层状材料,黑磷纳米条在介质层上间隔分布形成黑磷纳米条阵列;黑磷的层数为单层;金属光栅狭缝结构由左右两个金属光栅间距组成。

上述发明结构主要由两大部分组成:

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