[发明专利]一种混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器

说明书

本发明公开了一种混合图案化金属‑石墨烯超表面的多波带吸收器，所述多波带吸收器是以薄金属板作为最底层的金属反射板，最上层超表面图案化金属‑石墨烯周期单元在中间介质夹层(二氧化硅)上周期性排列组成；每一个超表面图案化金属‑石墨烯周期单元是由石墨烯矩形环和位于石墨烯矩形环中心的金属圆盘组成，由此形成共层面；所述超表面图案化金属‑石墨烯周期单元位于结构的最上层，中间介质夹层位于结构中间层，金属反射板作为反射板位于结构最底层；本发明具有三个较高吸收率的吸收峰，可广角入射以及吸收可调节等特点同时该类型的吸收器尺寸小，厚度薄，便于集成与制作。

技术领域

本发明涉及光学器件技术领域，具体涉及一种混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器。

背景技术

表面等离子共振(SPR)是一种电磁模式，它沿金属-介质界面传播。它是由金属表面的光场和集体电子振荡的耦合产生的。SPR的特性取决于纳米结构的几何形状，大小和组成。在亚波长范围内，表面等离子体共振为各种光电器件的设计提供了一个极好的平台。超材料是人为设计的具有亚波长尺寸的周期性阵列结构。它具有许多卓越的电磁特性，这对于纳米光子学的研究具有潜在的价值。超表面是由亚波长周期结构按照一定的规律排列组成的平面阵列，简单来说，超表面可以看成是超材料的二维平面结构。作为一种人为设计的平面光学微纳结构，超表面能在亚波长尺寸中以独特的方式有效操纵入射光束的波前，并在其透射和反射波中呈现出非均匀的相位分布。而基于石墨烯的吸收器具有可调谐的特征，因此吸收性能具有可调谐的石墨烯超表面吸收器的研究近年来发展迅速。

石墨烯是一种具有单分子碳原子层的二维材料，由于其独特的蜂窝晶格和电子能带结构而引起了人们对光子和电子研究的兴趣。与金属相比，当与入射电磁波相互作用时，石墨烯具有更出色的等离子体性能，因此石墨烯在光电子学领域具有许多潜在的应用。另外，可以通过静电掺杂调节化学势的方法或者侧端连接电压来连续调节石墨烯的表面电导率，从而改变石墨烯的费米能级，进而动态调谐吸收器的吸收峰，以实现吸收体的可调性能。这种独特的性能使石墨烯成为设计可调吸收器的极佳材料。基于这些特性，研究了具有近乎完美吸收性能的可调谐石墨烯吸收器。在许多实际应用中，基于多波带超材料吸收器的可以执行频率检测，而且可以减少环境干扰并具有较高的检测灵敏度和稳定性。然而，如何获得具有高灵敏度折射率传感的多波段石墨烯吸收器仍然是一个热点问题，值得我们的关注和研究。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，具有三个共振吸收峰，广角入射以及吸收水平可调节等特点，同时该耦合器件尺寸小厚度薄，结构简单易于集成与制作。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种混合图案化金属-石墨烯超表面的多波带吸收器，包括金属反射层、中间介质夹层和混合图案化金属-石墨烯结构；其中，混合图案化金属-石墨烯结构包括若干个超表面图案化金属-石墨烯周期单元；

若干个超表面图案化金属-石墨烯周期单元在中间介质夹层上表面周期性排列，形成共面层，金属反射层紧贴于中间介质夹层下表面；

太赫兹平面波光源垂直照射在混合图案化金属-石墨烯结构上，得到三个吸收峰，实现多波带吸收，通过改变侧端栅电压来调节混合图案化金属-石墨烯结构中石墨烯的费米能级，在侧端栅电压通电情况下，改变石墨烯的电导率大小，进而实现多波带吸收器吸收峰的动态调节。

进一步地，所述金属反射层的材料为金，其电导率为6.09×10^6S/m-6.45×10^6S/m，周期单元长度为1.9μm～2.1μm，周期单元宽度为1.9μm～2.1μm，周期单元厚度为0.2μm～0.5μm。

进一步地，所述中间介质夹层的材料为二氧化硅，其相对介电常数为3.9～4.5，周期单元长度为1.9μm～2.1μm，周期单元宽度为1.9μm～2.1μm，周期单元厚度为4.2μm～4.6μm。