[发明专利]基于金属介质椭圆腔增强石墨烯吸收结构及其制备方法

说明书

本发明公开了基于金属介质椭圆腔增强石墨烯吸收结构及其制备方法；该方法以二氧化硅作为衬底，金属作为椭圆腔体外壳，二氧化硅作为椭圆腔体内的填充物，石墨烯条带作为光吸收层。通过金属介质椭圆腔结构激发腔体模式，通过石墨烯条带阵列激发石墨烯表面等离子体模式，利用二者之间的强耦合效应来实现单层石墨烯在中红外波段中的宽谱光吸收。本发明实现的石墨烯条带的吸收具有宽谱、强吸收等特性，可以应用在中红外波段中的高性能石墨烯光电器件中。

技术领域

本发明涉及纳米光子学技术领域，尤其涉及基于金属介质椭圆腔增强石墨烯吸收结构及其制备方法。

背景技术

随着微纳光子学以及集成光子学的迅猛发展，光学薄膜材料被广泛应用在光电器件的应用中。比如，将薄膜材料作为光吸收层或者透明电极层等。然而，传统薄膜材料目前仍存在光吸收效率低、集成困难等问题。因此，探寻一种高性能的薄膜材料对于光电器件的发展来说具有重要意义。

目前，作为二维材料中的佼佼者，单层石墨烯薄膜的制备及转移技术已经日渐成熟。由于其优异的电子和光学特性，例如超大的比表面积、超高载流子迁移率以及费米可调性能等，石墨烯在光电器件应用中引起了越来越多的关注。另外，石墨烯可以被图形化成微盘、条带阵列等，以此激发出石墨烯等离子体共振。与传统的金属等离子体共振相比，它具有较强的光场局域性，超快的光学可调性和相对较低的损耗，这使得石墨烯在生物传感和光电器件中具有广阔的应用前景。

然而，单层石墨烯在可见及红外波段呈现出光透明现象，较低的光吸收极大地限制了其在许多光电器件中的应用。例如石墨烯光电探测器响应度低，石墨烯调制器调制效率低等。尽管一些研究被提出用来促进石墨烯的光吸收，如将石墨烯引入波导光栅阵列结构、光子晶体结构以及法布里-珀罗微腔结构中。但这些设计并不能使得单层石墨烯获得一个宽谱的同时伴随高吸收强度的光谱，这是未来设计出高性能石墨烯基光电器件的关键。

发明内容

本发明提出基于金属介质椭圆腔增强石墨烯吸收结构，所述金属介质椭圆腔为阵列结构，金属介质椭圆腔顶部与底部呈平坦状，顶部间距与底部间距相等，椭圆腔内设有填充介质二氧化硅，石墨烯纳米条带阵列平铺在填充介质的顶部。

本发明所述的金属介质椭圆腔，其中构建金属椭圆腔外壳的材料可选金、银、铂、钛中的其中一种；与此同时，所述的金属介质椭圆腔结构可由其他具有相同物理效应的类似结构代替。椭圆腔结构的选取是由于该结构能激发更强的局域电场，这促进了腔体模式和石墨烯表面等离子体模式之间的强耦合，导致较宽的拉比劈裂，进而使得石墨烯条带获得一个宽谱同时伴随高吸收强度的光谱。

其中增强后的石墨烯条带光吸收谱覆盖在中红外波段，其中光谱范围为：17~23微米实现的带宽为6微米。与此同时，所述增强后的石墨烯条带光吸收谱可以通过调节几何尺寸拓宽至远红外波段。

本发明的椭圆腔结构中的填充介质为二氧化硅，其折射率范围为1.4~1.6。与此同时，本发明的椭圆腔结构中的填充介质可由其他具有类似光学参数的材料代替。

所述填充介质由二氧化硅构成，其折射率范围为1.4~1.6。

本发明公开了基于金属介质椭圆腔增强石墨烯吸收结构的制备方法，具体的制备方法如下：

第1步：在二氧化硅衬底上镀一层金属膜；

第2步：对金属膜进行紫外光刻，通过刻蚀构造出金属椭圆腔壳阵列结构；

第3步：使用沉积法在样品上沉积生长二氧化硅；

第4步：经过套刻或抛光，去掉原子层沉积后样品表面多余的二氧化硅；

第5步：使用湿法转移将石墨烯转移到经后处理的样品的上表面；

第6步：通过电子束光刻以及刻蚀方法形成石墨烯条带阵列。