[发明专利]一种实现石墨烯在可见光波段吸波方法及吸波装置

说明书

本发明公开了一种实现石墨烯在可见光波段吸波方法及吸波装置，属于光电探测与微纳光机电系统领域。本发明提供的多刻槽结构为周期性微结构，其结构的原胞(即结构的基本单元)由多个宽度相同、深度不同的窄金属刻槽构成，刻槽及其上方填充介质覆盖层，石墨烯沉积于介质覆盖层上方。针对TM偏振入射光波，由于刻槽的腔共振效应，不同深度的刻槽对应不同的石墨烯光吸收波长，多个不同深度刻槽的组合可以实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收。此外，该吸波器的吸收光谱对入射角变化不敏感，即便入射角发生显著变化，石墨烯仍然具备优良的宽带光吸收性能，在光调制器、太阳能电池、触摸屏以及生物传感等领域有应用前景。

技术领域

本发明涉及一种实现石墨烯在可见光波段吸波方法及吸波装置，属于光电探测与微纳光机电系统领域。

背景技术

石墨烯(Graphene)作为一种零带隙材料，其独特的光电特性引起了材料科学、凝聚态物理以及工程学界的极大兴趣。在太赫兹和中红外波段，由于石墨烯具有高载流子迁移率和可调电导率，可以支持表面等离子体激元的传输，在分界面对电磁场具有很强的束缚效应，能够形成极强的光与石墨烯的相互作用，因此石墨烯可以在共振波长处取得接近100％的光吸收效率。然而，在可见光至近红外波段，单层石墨烯光吸收效率由其精细结构常数α决定，对应的光吸收效率仅为2.3％，远小于传统光电探测材料的光吸收，极大限制了石墨烯光电探测器件的量子转换效率。

近年来，可见光至近红外波段石墨烯吸波器的研究受到人们重视，针对这一问题先后开展了大量工作。然而，以往在可见光至近红外波段增强石墨烯光吸收率的方法，主要基于微纳结构的各类共振效应，比如导模共振、法布里-玻罗(Fabry–Pérot)共振、Fano共振、腔共振、衰减全反射、电偶极共振和磁偶极共振等。在实际应用中，为了提高光电探测器的光电转换量子效率，往往需要在较宽的波段内具有宽带吸收效应，并且其光吸收效率对入射角度的变化不敏感。上述方法获得的光吸收带宽往往较窄，光吸收效率对入射角度变化极其敏感；石墨烯对于光的吸收率较低。

发明内容

本发明提供了一种实现石墨烯在可见光波段吸波装置和方法，解决了如下至少一个技术问题：目前方法存在的光吸收宽带窄、光吸收效率低或者光吸收效率对于入射角度变化敏感。采用本发明的装置或方法，当入射角发生显著变化时，石墨烯仍然具备性能优良的宽带光吸收效应；其光吸收效率高，能够在较宽的波长范围内实现高效率的光吸收。

本发明的第一个目的是提供一种实现石墨烯在可见光波段吸波装置，包括多刻槽结构，所述的多刻槽结构包括两个或两个以上的宽度相同、深度不同的窄金属刻槽；刻槽内及其上方填充介质覆盖层，石墨烯位于介质覆盖层上方。由于刻槽的腔共振效应，不同深度的刻槽对应不同的石墨烯光吸收波长，多个不同深度刻槽的组合能够实现石墨烯在可见光波段的宽带吸收。

所述的多刻槽结构是周期性微结构，所述的周期性微结构的原胞(即结构的基本单元)包括两个或两个以上的宽度相同、深度不同的窄金属刻槽，金属刻刻槽内及其上方填充介质覆盖层，石墨烯位于介质覆盖层上方。

在一种实施方式中，所述的吸波装置的多刻槽结构包括五个窄金属刻槽。

在一种实施方式中，所述的吸波装置的窄金属刻槽的宽度为w，刻槽深度为d₁、d₂、d₃……等，刻槽宽度w和刻槽深度为d符合式(1)

其中，λ是石墨烯光吸收波长，l为整数，d_i为刻槽深度；n_eff为刻槽的有效折射率，具体的是等效为金属-介质-金属(MIM)波导的模式折射率，其大小与金属和介质覆盖层的介电常数有关。