[发明专利]基于结构对称性破缺的高效光吸收装置及制备方法和应用

说明书

基于结构对称性破缺的高效光吸收装置，包括基底(1)、光栅(2)和吸收材料(3)，光栅(2)包括光栅层和膜层，光栅层位于膜层上，吸收材料(3)位于膜层和基底(1)之间，栅格间的膜层上具有刻槽(4)，使光栅(2)对称性破缺。本发明的基于结构对称性破缺的高效光吸收装置可以实现高效率的石墨烯光吸收，同时还具有很高的结构制备容差、角度容差和折射率传感功能，在光电探测、光热转化、光电成像、光学滤波、荧光光谱、生物传感等领域具有很好的应用前景。

技术领域

本发明涉及纳米光子学、光电探测与光学传感领域，具体涉及一种基于结构对称性破缺的石墨烯高效光吸收装置及其应用。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子组成、具有六方蜂巢晶格排列的理想二维材料，它虽然只有单原子层的厚度，却具有超高的载流子迁移率，通过掺杂或施加外加电压费米能级可调，以及良好的光电、机械和化学稳定性等优势，在物理、化学、材料与电子等交叉领域极具应用价值。尤其是，近年来有关石墨烯的一系列新奇发现，比如两层石墨烯叠成“魔角”可实现“高温”超导，柔性石墨烯光电探测器可应用于可穿戴设备，激光诱导可实现石墨烯不可逆的结构相变等，不断拓展和催生石墨烯在各种高技术领域的应用。

在光电探测相关的各种应用场景中，为了提高光与石墨烯的相互作用，一种有效方式就是提高石墨烯对光的吸收效率。在中红外到太赫兹波段，由于石墨烯具有明显的金属特性，可以激发石墨烯等离子体，光场可以在石墨烯层附近被高度局域和增强，因此石墨烯的光吸收效率可以被有效提高。然而，在可见光至近红外波段，石墨烯主要体现为介质的属性，此时单层石墨烯可以近似为厚度为0.34nm的超薄吸收煤质，其对光的吸收效率由精细结构常数决定，其中e为单位电荷量，为约化普朗克常数，c为真空中的光速，单层石墨烯在可见光至近红外波段对光的吸收效率仅为2.3％，这极大制约了石墨烯在光电探测和传感等领域的应用。

当前，为了提高石墨烯在可见光至近红外波段的光吸收效率，主要采取以下三种方式：(1)利用微纳结构中的各种共振现象，如法布里-珀罗(Fabry-Pérot)共振，导模共振，表面等离子体共振，法诺(Fano)共振等，基于共振效应引发的电磁场增强来提高石墨烯对光的吸收增强。然而，这种仅仅基于共振效应来提高石墨烯光吸收的方法，其光吸收效率往往不够高。(2)利用带金属反射镜的微纳结构，也即是将石墨烯集成到带金属反射镜的微纳结构中，基于微纳结构的共振现象，利用金属反射镜提供的高反射效应，在严格耦合的条件下，可以实现石墨烯对光的高效率吸收增强，然而这种方法由于结构中存在金属，因金属材料自身的欧姆损耗导致有部分光能量不可避免地在金属中被损耗，这将导致石墨烯对光的吸收效率被削弱。(3)利用含布拉格(Bragg)反射镜的全介质微纳结构，也就是将石墨烯与含布拉格反射镜的全介质微纳结构集成起来，利用微纳结构的共振机制，以及全介质布拉格膜堆的高反射效应，在共振波长处实现石墨烯对光的高效率吸收增强，由于可选用无吸收的介质材料构筑器件，因此单层石墨烯可以实现完美或近完美的光吸收增强。然而这种方法需要借助由高低折射率材料构筑的布拉格多层膜堆，需要使用两种以上的介质材料，由于膜层数较多(一般10对，20层左右)，器件的整体厚度大，同时也增大了制备难度。

综上所述，现有的基于微纳结构实现石墨烯吸收增强的方法及装置中，要想实现石墨烯对光的高效率吸收增强，往往需要基于各种共振效应，再借助金属反射镜或者全介质布拉格反射镜。由于金属反射镜中存在欧姆损耗，导致石墨烯对光的吸收增强不可避免地被削弱。而全介质布拉格反射镜需要使用两种以上的介质材料，且需要的膜层数多，导致器件的整体厚度较大，不利于实现超紧凑、易集成的超薄光子器件；此外，这种高低全介质多层膜堆构筑的布拉格反射镜，对制备技术和加工精度要求极高，这也不利于低成本的应用。

发明内容

[技术问题]