阅读说明：本技术 石墨烯等离激元多频带吸收器及其制备方法 (Graphene plasmon multiband absorber and preparation method thereof ) 是由 刘正奇 周进 刘桂强 刘晓山 刘木林 付国兰 于 2020-03-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了石墨烯等离激元多频带吸收器及其制备方法,属于光电材料领域。所述吸收器由下及上依次设有金属衬底层和单层石墨烯,所述金属衬底上表面分布有倾斜空气槽阵列,形成一维金属栅结构。金属衬底上的倾斜空气槽阵列产生了高度集中的等离子体场,同时增强了石墨烯场与电磁波的耦合效应,形成了多波段超窄的完美光吸收。这种多频带吸收器的石墨烯层是由完整的单层石墨烯组成,结构简单易于制造,红外波段光谱可调谐,结构尺寸小,易于集成,可广泛应用于光电传感和光电调控领域。(The invention discloses a graphene plasmon multiband absorber and a preparation method thereof, and belongs to the field of photoelectric materials. The absorber is sequentially provided with a metal substrate layer and a single-layer graphene from bottom to top, and an inclined air groove array is distributed on the upper surface of the metal substrate to form a one-dimensional metal grid structure. The inclined air groove array on the metal substrate generates a highly concentrated plasma field, and simultaneously enhances the coupling effect of the graphene field and the electromagnetic wave, so that multiband ultra-narrow perfect light absorption is formed. The graphene layer of the multiband absorber is composed of complete single-layer graphene, the multiband absorber is simple in structure, easy to manufacture, tunable in infrared band spectrum, small in structural size and easy to integrate, and can be widely applied to the fields of photoelectric sensing and photoelectric regulation.)

石墨烯等离激元多频带吸收器及其制备方法

技术领域

本发明属于光电材料领域，具体涉及吸收器及其制备方法。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，在纳米尺度上，具有新颖光学特性和高度可调方法的结构越来越多，这引起了人们的广泛兴趣。近年来，等离子体金属纳米结构因其局域场增强和强光场与照明光的耦合而受到广泛关注。这些特性最终导致完美吸收剂和石墨烯相关的近完美吸收剂、太阳能收集、热蒸技术、表面增强光谱和传感等方面的潜在应用不断涌现。然而，石墨烯光电器件往往涉及到众多结构元件和模块，以及不同的石墨烯图案，这导致了石墨烯器件制造困难，成本高，不利于大规模制作和利用。

石墨烯（Graphene）是一种由单层碳原子形成的蜂窝状平面薄膜，它只有一个原子层厚度的准二维材料，又叫单原子层石墨。石墨烯具有十分良好的导电、导热、机械强度和柔韧性以及光学特性，在物理学、材料学、电子信息与计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。石墨烯表面的传导电子可以与入射的光子相互作用形成耦合电磁模（即，等离激元共振），能够突破传统的光学衍射极限，因此可作为光传输器件包括光耦合器件中的信息载体。然而，单层石墨烯结构对可见光以及红外波段光的吸收率仅为2.3%。目前的研究技术在如何有效调控石墨烯结构对光波或电磁波的光谱响应特性包括石墨烯结构在不同频段的光谱陷波响应的可控操作等方面都存在很大的技术难题。

相比于传统光电器件，石墨烯光电器件结构尺寸小，并可以通过改变石墨烯化学势而调谐器件对电磁波的响应，具有优越的可调谐性。

发明内容

为了解决现有技术中石墨烯吸波器的吸收频带少、频率范围较小、吸收高率低等问题，本发明提供一种石墨烯等离激元多频带吸收器及其光电调控器件与制备方法。

本发明提供的一种石墨烯等离激元多频带吸收器，包括金属衬底和石墨烯层，所述石墨烯层与所述金属衬底连接；所述金属衬底上分布有倾斜空气槽阵列，形成一维金属栅结构。

进一步地，所述石墨烯层为单层完整的石墨烯。

进一步地，所述倾斜空气槽阵列由倾斜空气槽按周期排列而成，其周期为800纳米；空气槽的宽和高分别是100纳米和300纳米（倾斜空气槽最长的边是高，对应垂直的是宽）；空气槽的倾斜角度为45^o。

进一步地，所述金属衬底的厚度为400纳米。

进一步地，所述金属衬底的材料为金。

上述石墨烯等离激元多频带吸收器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、提供金属衬底和硅片；

步骤2、运用刻蚀技术，在金属衬底上表面刻蚀出倾斜空气槽阵列；

步骤3、在硅片上利用化学气相沉积法制造一层石墨烯；

步骤4、将步骤3制造的石墨烯转移到步骤2的金属衬底上表面，得到石墨烯等离激元多频带吸收器。

本发明的有益效果：

1、本发明的石墨烯等离激元多频带吸收器，金属衬底上的倾斜空气槽阵列产生了高度集中的等离子体场，同时增强了石墨烯场与电磁波的耦合效应，在红外区域产生了多波段超窄的完美光吸收；

2、改变石墨烯化学势可以调谐器件的光学响应，具有极为优越的调谐性能；

3、本发明对入射光的入射角度不敏感，显示出优秀的吸收稳定性，在实际应用中对入射角度有很强的包容性；

4、本发明结构简单，结构尺寸小，利于光电器件的系统集成；制作工艺简单，可以大规模制造，可广泛应用于光电传感和光电调控领域。

附图说明

下面结合附图进一步详细说明本发明的内容。但是，以下附图仅是本发明的理想化实施例的示意图，其中为了清楚地展示本发明所涉器件的结构，对其中特点区域适当放大，但其作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。另外，本发明所示的实施例亦不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。概言之，以下附图是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。

图1是本发明中石墨烯等离激元多频带吸收器的结构示意图。

图2是本发明中石墨烯等离激元多频带吸收器的光吸收图。金衬底厚度为400 nm；金衬底上表面的空气槽周期为800 nm，空气槽的宽与高分别为100 nm和300 nm，空气槽的倾斜角度为45^o；石墨烯的化学势为1.2 eV。

图3是本发明中石墨烯等离激元多频带吸收器在吸收峰位置吸收光强随石墨烯化学势变化图。金衬底厚度为400 nm；金衬底上表面的空气槽周期为800 nm，空气槽的宽与高分别为100 nm和300 nm，空气槽的倾斜角度为45^o。

图4是本发明中石墨烯等离激元多频带吸收器的光吸收图。金衬底厚度为400 nm；金衬底上表面的空气槽周期为800 nm，空气槽的宽与高分别为100 nm和300 nm，空气槽的倾斜角度为45^o。

图5是本发明中石墨烯等离激元多频带吸收器在不同入射角度下的光吸收图。金衬底厚度为400 nm；金衬底上表面的空气槽周期为800 nm，空气槽的宽与高分别为100 nm和300 nm，空气槽的倾斜角度为45^o。

图1中附图标记解释：1、金属衬底，2、倾斜的空气槽，3、石墨烯层。

具体实施方式

本发明的石墨烯等离激元多频带吸收器可以按照以下步骤制备：

步骤1、准备好洁净的金属衬底和硅片；

步骤2、在金属衬底上运用刻蚀技术，使金属基底上表面出现倾斜的空气槽结构；

步骤3、在洁净的硅片上利用化学气相沉积法制造一层石墨烯；

步骤4、将步骤3制造的石墨烯转移到步骤2的金属衬底上，得到石墨烯等离激元多频带吸收器。转移方法为基体刻蚀转移法、roll-to-roll转移法、电化学剥离转移法、干式转移法、机械剥离转移法中的至少一种。

如图1所示，制备得到的石墨烯等离激元多频带吸收器，由下及上依次设有金属衬底和单层石墨烯，所述金属衬底上表面分布有倾斜空气槽阵列，形成一维金属栅结构。

下面结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1：

本实施例的石墨烯等离激元多频带吸收器，由下及上依次设有金属衬底和单层石墨烯，所述金属衬底上表面分布有倾斜空气槽阵列，形成一维金属栅结构。金衬底厚度为400 nm；金衬底上表面的空气槽周期为800 nm，空气槽的宽与高分别为100 nm和300 nm，空气槽的倾斜角度为45^o；石墨烯的化学势为1.2 eV。

参阅图2，图2所示系本实施例石墨烯等离激元多频带吸收器的光吸收图。从图中可以看出，本实施例有三个吸收接近100%的吸收峰（λ ₁-λ ₃）。

图5是本实施例的吸收器在不同入射角下的光反射图，从图中可以看出，在不同的入射角（0-20^o）下，对电磁波的吸收效果相差不大。例如，入射角度从0^o变化到20^o ，λ ₂吸收峰的吸收强度只变化了8%，显示出优秀的吸收稳定性，在实际应用中对入射角度有很强的包容性。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，仅将石墨烯的化学势改变为1.15。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，仅将石墨烯的化学势改变为1.16。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，仅将石墨烯的化学势改变为1.17。

实施例5：

本实施例与实施例1基本相同，仅将石墨烯的化学势改变为1.18。

实施例6：

本实施例与实施例1基本相同，仅将石墨烯的化学势改变为1.19。

实施例7：

本实施例与实施例1基本相同，仅将石墨烯的化学势改变为1.21。

图3显示了实施例1~7的吸收器在波峰位置的吸收光强随石墨烯费米能级改变，可以看到，三个吸收峰都可以通过改变石墨烯的费米能级而调谐吸收强度，例如，只改变石墨烯的费米能级0.03 eV，λ ₃吸收峰的强度就增强了82%，显现了极为优越的可调谐性能。高的吸收变化比可以显示出“关”态和“开”态之间的吸收转换过程，无论在强度变化比还是对费米能量的灵敏度上，都比其他电离子石墨烯开关有很大的提高，在光开关领域有广泛的应用前景。

实施例8：

本实施例与实施例1基本相同，仅将石墨烯的化学势改变为1.0。

实施例9：

本实施例与实施例1基本相同，仅将石墨烯的化学势改变为0.8。

实施例10：

本实施例与实施例1基本相同，仅将石墨烯的化学势改变为0.6。

实施例11：

本实施例与实施例1基本相同，仅将石墨烯的化学势改变为0.4。

图4显示了实施例1、8~11的吸收器在不同的石墨烯费米能级下的光吸收图，可以看到，三个吸收峰都可以通过改变石墨烯的费米能级而调谐吸收强度。随着石墨烯费米能级越来越高，每个吸收峰都变得越来越强。可以看出，可以通过改变石墨烯的费米能级而调节每一个模式吸收峰的吸收强度，比传统可调谐光电器件拥有更加优越的调谐性能。

综上所述，本发明的石墨烯等离激元多频带吸收器，金属衬底上的倾斜空气槽阵列产生了高度集中的等离子体场，同时增强了石墨烯场与电磁波的耦合效应，在红外区域产生了多波段超窄的完美光吸收。改变石墨烯费米能级可以调谐器件的光学响应，具有优越的调谐性能。同时对入射光的入射角度不敏感，显示出优秀的吸收稳定性，在实际应用中对入射角度有很强的包容性。本发明结构简单，结构尺寸小，利于光电器件的系统集成；制作工艺简单，可以大规模制造，可广泛应用于光电传感和光电调控领域。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。