阅读说明：本技术 一种金属-石墨烯混合结构超表面及传感器与光开关 (Metal-graphene mixed structure super surface, sensor and optical switch ) 是由 蒙红云 王显军 邓淑营 谭春华 黄旭光 于 2020-05-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种金属-石墨烯混合结构超表面及传感器与光开关。所述金属-石墨烯混合结构超表面由金属-石墨烯混合结构单元在电介质衬底上周期性排列组成；每一个金属-石墨烯混合结构单元包括金属刻蚀的铝切割线、金属刻蚀的对称分裂环和长带石墨烯纳米条；所述铝切割线和对称分裂环之间有间隔且共面设置,形成共面层,所述共面层位于最上层,电介质衬底位于最下层,长带石墨烯纳米条位于对称分裂环与电介质衬底之间；相邻金属-石墨烯混合结构单元的长带石墨烯纳米条之间是连续的。基于该超表面形成的传感器和光开关具有较高的灵敏度,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。(The invention discloses a metal-graphene mixed structure super surface, a sensor and an optical switch. The super surface of the metal-graphene mixed structure is formed by periodically arranging metal-graphene mixed structure units on a dielectric substrate; each metal-graphene mixed structure unit comprises a metal etched aluminum cutting line, a metal etched symmetrical split ring and a long strip graphene nano strip; the aluminum cutting line and the symmetrical splitting rings are arranged at intervals and in a coplanar manner to form a coplanar layer, the coplanar layer is positioned on the uppermost layer, the dielectric substrate is positioned on the lowermost layer, and the long graphene nano-strip is positioned between the symmetrical splitting rings and the dielectric substrate; the long graphene nanoribbons of adjacent metal-graphene mixed structural units are continuous. The sensor and the optical switch formed on the basis of the super surface have the characteristics of higher sensitivity, faster response time, adjustable optical parameters and the like, and meanwhile, the coupling device is small in size and convenient to integrate.)

一种金属-石墨烯混合结构超表面及传感器与光开关

技术领域

本发明涉及基于金属-石墨烯混合结构超表面的光学器件领域，具体涉及一种金属-石墨烯混合结构超表面及传感器与光开关。

背景技术

表面等离子体(SPs)是光学驱动下局域在金属-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特点。由于石墨烯的电导率可以通过掺杂和门控电压方式改变其费米能级，进而达到调节局域等离子体共振(LSPR)目的。因此使得石墨烯基传感、光开关等器件具有广泛的应用前景。

基于金属-石墨烯混合结构超表面阵列传感器及光开关器件，实质上是金属刻蚀的铝切割线与对称分裂环形成的超表面阵列放置于半无限长硅-蓝宝石组合衬底上。连续的长带石墨烯纳米条阵列放置暗模式谐振器(对称分裂环)与衬底之间，担当调节分裂环LSPR作用。本设计主要通过改变超表面衬底环境折射率以及调节石墨烯纳米带端电压实现透射峰值调节，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，本发明提供了一种金属-石墨烯混合结构超表面及传感器与光开关，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。

本发明提供了一种金属-石墨烯混合结构超表面，所述金属-石墨烯混合结构超表面由金属-石墨烯混合结构单元在电介质衬底上周期性排列组成；每一个金属-石墨烯混合结构单元包括金属刻蚀的铝切割线、金属刻蚀的对称分裂环和长带石墨烯纳米条；所述铝切割线和对称分裂环之间有间隔且共面设置，形成共面层，所述共面层位于最上层，电介质衬底位于最下层，长带石墨烯纳米条位于对称分裂环与电介质衬底之间；相邻金属-石墨烯混合结构单元的长带石墨烯纳米条之间是连续的。

优选地，所述铝切割线在横向x轴方向的分布周期为119.8～120.2μm；所述对称分裂环在横向x轴方向和纵向y轴方向的分布周期为119.8～120.2μm×79.8～80.2μm。

优选地，共面层的厚度为0.15～0.25μm。

优选地，铝切割线的长度为79.8～80.2μm，宽度为4.8～5.2μm。

优选地，所述对称分裂环上开设有2个纵向对称设置的开口，对称分裂环的内半径为17.8～18.2μm，外半径为22.8～23.2μm，开口宽度为4.8～5.2μm。

优选地，铝切割线与对称分裂环间隔的距离为2.8～3.2μm。

优选地，所述电介质衬底为半无限长硅-蓝宝石组合衬底，所述半无限长硅-蓝宝石组合衬底由厚度为0.3～0.7μm，折射率为3.32～3.52的硅膜和厚度为499.3～499.7μm，折射率为1.63～1.83的蓝宝石薄膜组成。

优选地，所述长带石墨烯纳米条的宽度为6.8～7.2μm。

本发明还提供了一种基于所述金属-石墨烯混合结构超表面的传感器，所述传感器包括侧端栅电压，所述侧端栅电压的一端与长带石墨烯纳米条相连，另一端与电介质衬底相连；通过改变侧端栅电压来调节长带石墨烯纳米条的费米能级，在侧端栅电压通电情况下，通过掺杂方式改变电介质衬底的折射率，得到在不同折射率下的透射光谱，随着背景折射率的增加，金属-石墨烯混合结构超表面的共振波长呈近线性增加，进而实现基于金属-石墨烯混合结构超表面的传感器。

本发明还提供了一种基于所述金属-石墨烯混合结构超表面的光开关，所述光开关包括侧端栅电压，所述侧端栅电压的一端与长带石墨烯纳米条相连，另一端与电介质衬底相连；通过控制侧端栅电压来改变长带石墨烯纳米条的电导率，使得对称分裂环的阻尼系数增加，进而影响对称分裂环开口处的LSPR，铝切割线与对称分裂环之间的耦合作用减弱，使得原来透明窗口即开状态转换为关状态，进而实现基于金属-石墨烯混合结构超表面的光开关。

优选地，调节侧端栅电压使得长带石墨烯纳米条的费米能级调节至0.01eV并保持不变，通过改变电介质衬底的折射率，实现基于金属-石墨烯混合结构超表面的传感器。

优选地，调节侧端栅电压使得长带石墨烯纳米条的费米能级调节至0.8eV，可以使开状态转变为关状态，实现基于金属-石墨烯混合结构超表面的光开关。

和现有技术相比，本发明具有以下有益效果和优点：

本发明提供的基于金属-石墨烯混合结构超表面的传感器及光开关具有较高的灵敏度，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为实施例1提供的基于金属-石墨烯混合结构超表面的传感器的几何示意图；

图2为实施例1提供的一种金属-石墨烯混合结构单元的结构示意图；

图3为实施例1提供的半无限长硅-蓝宝石组合衬底折射率在1.63、1.68、1.73、1.78、1.83之间，TM偏振光的零级透射率随波长变化的曲线；

图4为实施例1提供的基于金属-石墨烯混合结构超表面的传感器的灵敏度参数；

图5为实施例2提供的基于金属-石墨烯混合结构超表面的传感器的光开关调制曲线图。

其中，1-侧端栅电压；2-长带石墨烯纳米条；3-对称分裂环；4-铝切割线；5-半无限硅-蓝宝石组合衬底；6-入射偏振光配置。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，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。

实施例1

本实施例提供了一种金属-石墨烯混合结构超表面，所述金属-石墨烯混合结构超表面由金属-石墨烯混合结构单元在电介质衬底上周期性排列组成；如图1和图2所示，每一个金属-石墨烯混合结构单元包括金属刻蚀的铝切割线4、金属刻蚀的对称分裂环3和长带石墨烯纳米条2；所述铝切割线4和对称分裂环3之间有间隔且共面设置，形成共面层，所述共面层位于最上层，电介质衬底位于最下层，长带石墨烯纳米条2位于对称分裂环3与电介质衬底之间；相邻金属-石墨烯混合结构单元的长带石墨烯纳米条2之间是连续的。

所述铝切割线4在横向x轴方向的分布周期Px为120μm；所述对称分裂环3在横向x轴方向和纵向y轴方向的分布周期分别(Px×Py)为120μm×80μm。共面层的厚度为0.2μm。铝切割线3的长度L为80μm，宽度W₁为5μm。所述对称分裂环3上开设有2个纵向对称设置的开口，对称分裂环3的内半径r为18μm，外半径R为23μm，开口宽度W₂为5μm。铝切割线4与对称分裂环3的间距d为3μm。所述电介质衬底为半无限长硅-蓝宝石组合衬底5，所述半无限长硅-蓝宝石组合衬底5由厚度为0.5μm，折射率为3.42的硅膜和厚度为499.5μm，折射率为1.63、1.68、1.73、1.78或1.83的蓝宝石薄膜组成。所述长带石墨烯纳米条的宽度W_g为7μm。

本实施例还提供了一种基于所述金属-石墨烯混合结构超表面的传感器，所述传感器包括侧端栅电压1，所述侧端栅电压1的一端与长带石墨烯纳米条相连，另一端与电介质衬底相连；通过改变侧端栅电压来调节长带石墨烯纳米条2的费米能级，在侧端栅电压1通电情况下，通过掺杂方式改变电介质衬底的折射率，得到在不同折射率下的透射光谱，随着背景折射率的增加，金属-石墨烯混合结构超表面的共振波长呈近线性增加，进而实现基于金属-石墨烯混合结构超表面的传感器。

如图1所示，是本实施例提供的一种基于金属-石墨烯混合结构超表面的传感器的几何示意图，TM模式平面波光源用于激发超表面等离子体共振。

在如图1所示的几何结构下，本实施例采用了耦合波分析理论，计算了该TM偏振波段金属-石墨烯混合结构超表面的光学特性。在太赫兹频率波段，铝金属ε_Al介电常数可以用类Drude模型近似描述：

其中ω表示光频率，i表示复数。ε_∞描述了由正离子核的束缚价电子引入的电介质屏蔽，取值为1。等离子频率ω_p＝2.24×10¹⁶rad/s，及阻尼常数γ＝1.22×10¹⁴rad/s。

在太赫兹频率波段下，高掺杂石墨烯的光学电导率σ_g可以用类Drude模型近似描述：

其中e为电子电荷，i表示虚数，为约化普朗克常数，ω为角频率，E_f为费米能级。为载流子驰豫时间，其中μ为石墨烯载流子迁移率，ν_F为费米速率，分别取3000cm²/V·s和1.1×10⁶m/s。

调节侧端栅电压使得长带石墨烯纳米条的费米能级调节至E_f＝0.01eV并保持不变，通过掺杂等方式改变半无限硅-蓝宝石组合衬底的折射率，得到在不同折射率下的透射光谱。可以发现随着背景折射率的增加，共振波长呈近线性增加，进而实现金属-石墨烯混合结构传感器。

一束波长位于太赫兹波段的TM模式平面波光源用于激发金属-石墨烯混合结构超表面等离子体共振。满足表面等离子共振条件时，当探测介质的折射率变化δ_n，谐振波长偏移δ_λ，金属-石墨烯混合结构传感器的灵敏度S_λ定义为δ_n与δ_λ的比值：

λ和n表示波长和折射率。S_λ的单位为nm/RIU。

当半无限硅-蓝宝石组合衬底的折射率为1.63、1.68、1.73、1.78、1.83时，TM偏振光的零级透射率随波长变化的曲线如图3所示。可以看出硅-蓝宝石组合衬底折射率的微小增加导致在峰值位置清晰红移现象，而其调制深度和透射光谱的半高全宽几乎不随背景折射率的变化而变化。

图4给出了本实施例提供的基于金属-石墨烯混合结构超表面的传感器的灵敏度参数。调节硅-蓝宝石组合衬底的折射率可以实现灵敏度75.39μm/RIU(即单位折射率变化引起共振波长的变化为75.39μm)，相较于基于传统贵金属等离子体传感具有更高的灵敏度和更小的结构尺寸等优势。

实施例2

本实施例提供了基于实施例1所述金属-石墨烯混合结构超表面的光开关。

所述光开关包括侧端栅电压，所述侧端栅电压的一端与长带石墨烯纳米条相连，另一端与电介质衬底相连；通过控制侧端栅电压来改变长带石墨烯纳米条的电导率，使得对称分裂环的阻尼系数增加，进而影响对称分裂环开口处的LSPR，铝切割线与对称分裂环之间的耦合作用减弱，进而实现基于金属-石墨烯混合结构超表面的光开关

通过控制侧端栅电压实现长带石墨烯纳米条的费米能级E_f的动态调节，进而实现石墨烯基双回路光开关，如图5所示。与无石墨烯情况下对比(图5中的(a))，随着长带石墨烯纳米条费米能级的提高，实现透明窗的峰值动态调制，进而实现双回路光开关从开到关状态调节，见图5中的(b)、(c)和(d)。通过调节侧端栅电压使得长带石墨烯纳米条的费米能级调节至E_f＝0.8eV，可以使得由原来开状态转变为关状态。

综上所述，本发明提供的用于太赫兹波段金属-石墨烯混合结构的传感器及光开关，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。