本實(shí)用新型涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于石墨烯-介質(zhì)-金屬層狀結(jié)構(gòu)的納米器件。

背景技術(shù)：

以微納米技術(shù)制造的光電子器件，其性能大大優(yōu)于傳統(tǒng)的電子器件，其具有如下優(yōu)勢(shì)：1.工作速度快，納米光電子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可使產(chǎn)品性能大幅度提高。2.功耗低，微納米光電子器件的功耗僅為硅器件的1/1000。而隨著中紅外(波長(zhǎng)3-30μm)科學(xué)和技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)該波段的關(guān)鍵性微納器件，包括激光器、探測(cè)器、調(diào)制器以及各類(lèi)功能器件的需求也在不斷上升。

偏振轉(zhuǎn)換器是中紅外技術(shù)的其中一項(xiàng)關(guān)鍵器件。電磁超材料由于能夠通過(guò)結(jié)構(gòu)、尺寸和材料等選擇對(duì)中紅外波的振幅、相位、偏振以及傳播實(shí)現(xiàn)靈活多樣的控制，提供了一種實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型和參數(shù)中紅外偏振轉(zhuǎn)換器件的有效途徑。對(duì)于中紅外波偏振態(tài)的調(diào)控，可以利用超材料的各向異性、手性和雙各向異性實(shí)現(xiàn)中紅外波偏振形態(tài)的改變，即實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)有技術(shù)中，Hua Cheng等人提出一種基于L-型等離子體平面天線的偏振轉(zhuǎn)換器。該技術(shù)方案采用L-型石墨烯，實(shí)現(xiàn)了可在單個(gè)頻率垂直方向的線偏振光的轉(zhuǎn)換。

Jun Ding等人曾基于提出另一種基于L型等離子體平面天線的偏振轉(zhuǎn)換器。該技術(shù)方案采用單層石墨烯的L型挖槽，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)頻率的垂直方向的線偏振光的轉(zhuǎn)換。

但是目前的市面上還不存在中紅外多頻率可調(diào)諧偏振轉(zhuǎn)換器，而且不能實(shí)現(xiàn)三個(gè)頻率同時(shí)工作。

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，從而證實(shí)它可以單獨(dú)存在， 從此學(xué)術(shù)界和工程界開(kāi)始了對(duì)石墨烯應(yīng)用的探索。作為一種電磁超材料，石墨烯已成為中紅外技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

偏振轉(zhuǎn)化率的英文縮寫(xiě)為PCR，英文為polarization conversion ratio。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述技術(shù)中存在的不足之處，本實(shí)用新型提供一種三個(gè)頻率工作可調(diào)諧的石墨烯偏振轉(zhuǎn)換器，該偏振轉(zhuǎn)換器在工作頻段內(nèi)有三個(gè)可工作頻率，在每個(gè)工作頻率處的偏振轉(zhuǎn)化率在75％以上，而且其中兩個(gè)工作頻率接近100％，且偏振工作頻帶可調(diào)諧。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供一種基于石墨烯-介質(zhì)-金屬層狀結(jié)構(gòu)的納米器件，該納米器件由多個(gè)偏振三維單元組成，多個(gè)偏振三維單元呈水平放置，且多個(gè)偏振三維單元的上下表面均在同一個(gè)水平面上；

每個(gè)偏振三維單元包括位于最底層的金層、位于中間層的二氧化硅隔離層和位于最上面層的石墨烯層，所述金層、二氧化硅隔離層和石墨烯層三者由下至上依次固定，且所述石墨烯層上開(kāi)設(shè)有多個(gè)打孔。

其中，所述金層的厚度在0.1μm左右，所述二氧化硅隔離層的厚度為1.1μm，且其介電常數(shù)為2.1。

其中，所述石墨烯層的制備方法為：將邊長(zhǎng)p＝0.175μm的正方形石墨烯，對(duì)稱割去兩塊寬w＝65nm，長(zhǎng)L＝140nm，相聚d＝10nm的長(zhǎng)方形石墨烯后得到該石墨烯層。

其中，所述寬w＝65nm，長(zhǎng)L＝140nm，相聚d＝10nm的長(zhǎng)方形石墨烯即為該打孔；且所述打孔為矩形狀；且所述打孔與石墨烯層之間形成箭頭結(jié)構(gòu)。

其中，在頻率35THz-40.7THz的范圍內(nèi)，該偏振轉(zhuǎn)換器的偏振轉(zhuǎn)化率具有三個(gè)峰值；且這三個(gè)峰值分別為35THz、38THz和40.7THz。

其中，所述峰值35THz的偏振轉(zhuǎn)化率大約為80％；所述峰值38THz的偏振轉(zhuǎn)化率接近100％，且所述峰值40.7THz的也偏振轉(zhuǎn)化率接近100％。

本實(shí)用新型的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型提供的三個(gè)頻率工作可調(diào)諧的石墨烯偏振轉(zhuǎn)換器，偏振轉(zhuǎn)換器由多個(gè)偏振三維單元組成，且每個(gè)偏振三維單元包括位于最底層的金層、位于中間層的二氧化硅隔離層 和位于最上面層的石墨烯層，石墨烯層上開(kāi)設(shè)有多個(gè)打孔。該結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使得該偏振轉(zhuǎn)換器在工作頻段內(nèi)有三個(gè)可工作頻率，在每個(gè)工作頻率處的偏振轉(zhuǎn)化率在75％以上，而且其中兩個(gè)工作頻率接近100％，且偏振工作頻帶可調(diào)諧。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型中偏振三維單元的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本實(shí)用新型中三個(gè)頻率工作可調(diào)諧的石墨烯偏振轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本實(shí)用新型中石墨烯層的結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本實(shí)用新型中偏振轉(zhuǎn)換器的PCR結(jié)果圖；

圖5為本實(shí)用新型中偏振轉(zhuǎn)換器的反射率效果圖；

圖6為本實(shí)用新型中偏振轉(zhuǎn)換器的費(fèi)米能級(jí)調(diào)控后的PCR結(jié)果圖；

圖7為本實(shí)用新型中偏振轉(zhuǎn)換器SOP-A和SOP-B的吸收?qǐng)D。

主要元件符號(hào)說(shuō)明如下：

1、偏振轉(zhuǎn)換器 10、偏振三維單元

101、金層 102、二氧化硅隔離層

103、石墨烯層 1031、打孔。

具體實(shí)施方式

為了更清楚地表述本實(shí)用新型，下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步地描述。

請(qǐng)參閱圖1-3，本實(shí)用新型的基于石墨烯-介質(zhì)-金屬層狀結(jié)構(gòu)的納米器件，該納米器件1由多個(gè)偏振三維單元10組成，多個(gè)偏振三維單元10呈水平放置，且多個(gè)偏振三維單元10的上下表面均在同一個(gè)水平面上；

每個(gè)偏振三維單元10包括位于最底層的金層101、位于中間層的二氧化硅隔離層102和位于最上面層的石墨烯層103，金層101、二氧化硅隔離層102和石墨烯層103三者由下至上依次固定，且石墨烯層上開(kāi)設(shè)有多個(gè)打孔1031。

相較于現(xiàn)有技術(shù)的情況，本實(shí)用新型提供的三個(gè)頻率工作可調(diào)諧的石墨烯偏振轉(zhuǎn)換器，納米器件1由多個(gè)偏振三維單元10組成，且每個(gè)偏振三維單 元10包括位于最底層的金層101、位于中間層的二氧化硅隔離層102和位于最上面層的石墨烯層103，石墨烯層103上開(kāi)設(shè)有多個(gè)打孔1031。該結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，使得該偏振轉(zhuǎn)換器在工作頻段內(nèi)有三個(gè)可工作頻率，在每個(gè)工作頻率處的偏振轉(zhuǎn)化率在75％以上，而且其中兩個(gè)工作頻率接近100％，且偏振工作頻帶可調(diào)諧。

在本實(shí)施例中，金層101的厚度在0.1μm左右，二氧化硅隔離層102的厚度為1.1μm，且其介電常數(shù)為2.1。當(dāng)然，本案中并不局限于上述的厚度，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行改進(jìn)。

圖1是本實(shí)用新型基于矩形結(jié)構(gòu)的偏振轉(zhuǎn)化器的一個(gè)單元的三維示意圖；實(shí)際的偏振轉(zhuǎn)換器是以該單元為周期，向四周延伸的模型，如圖2給出的3X3的效果。石墨烯層的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，石墨烯層103的制備方法為：將邊長(zhǎng)p＝0.175μm的正方形石墨烯，對(duì)稱割去兩塊寬w＝65nm，長(zhǎng)L＝140nm，相聚d＝10nm的長(zhǎng)方形石墨烯后得到該石墨烯層。寬w＝65nm，長(zhǎng)L＝140nm，相聚d＝10nm的長(zhǎng)方形石墨烯即為該打孔；且打孔為矩形狀；且打孔與石墨烯層之間形成箭頭結(jié)構(gòu)。最終得到的如圖3所示。

請(qǐng)進(jìn)一步參閱圖4，圖4給出了PCR值，由圖可知，在頻率35THz-40.7THz的范圍內(nèi)，該偏振轉(zhuǎn)換器的偏振轉(zhuǎn)化率PCR具有三個(gè)峰值；且這三個(gè)峰值分別為35THz(A點(diǎn))、38THz(B點(diǎn))和40.7THz(C點(diǎn))三個(gè)峰值。其中PCR峰值A(chǔ)大約為80％，峰值B、C的PCR接近100％，意味著這三個(gè)頻率的入射光激發(fā)了矩形天線中的局域等離子體共振，共振峰處入射光絕大部分被天線吸收后通過(guò)表面的微納結(jié)構(gòu)輻射出垂直于原偏振方向的x方向線偏振光。圖5給出了反射率的計(jì)算結(jié)果，可以看到，Rxx在三個(gè)頻率有極小值，即在三個(gè)頻率x偏振光被吸收。而Ryx在對(duì)應(yīng)的三個(gè)頻率有極大值，說(shuō)明x偏光在這三個(gè)頻率處轉(zhuǎn)換為了y偏光。由此說(shuō)明，通過(guò)此偏振轉(zhuǎn)換器太赫茲光可以在三個(gè)頻率發(fā)生偏振轉(zhuǎn)換。本實(shí)用新型正是因?yàn)椴捎昧思^形天線結(jié)構(gòu)，使得工作模式的數(shù)量增加為三個(gè)。

請(qǐng)進(jìn)一步參閱圖6，圖6是通過(guò)改變費(fèi)米能級(jí)調(diào)諧帶寬的PCR結(jié)果圖(費(fèi)米能級(jí)取0.6eV,0.7eV,0.8eV,0.9eV,1.0eV),隨著費(fèi)米能級(jí)增大，其工作寬帶右移。本偏振轉(zhuǎn)換器能夠發(fā)生偏振轉(zhuǎn)換的原因可以由下圖說(shuō)明。如圖7所 示，從左到右分別是石墨烯表面在A、B、C三個(gè)共振頻率處的磁場(chǎng)分布。可以看到，對(duì)于每個(gè)共振頻率，都可以看做是箭頭內(nèi)部的磁場(chǎng)耦合的效果，即石墨烯表面等離子體震蕩所致。具體的證明公式可以參考文獻(xiàn)[3]，Bludov Y V,Vasilevskiy M I,Peres N M R.Tunable graphene-based polarizer[J].Journal of Applied Physics,2012,112(8):084320-084320-5。

如果經(jīng)由兩束偏振方向分別與x軸呈45度(SOP-A)的和-45度(SOP-B)的入射光，石墨烯表面等離子體效應(yīng)使得這兩束光有個(gè)共振吸收點(diǎn)，且如果共振吸收頻率很靠近，則會(huì)發(fā)生耦合，產(chǎn)生偏振轉(zhuǎn)換效果?？梢钥闯?，兩束光的共振吸收點(diǎn)很靠近，且SOP-B有兩個(gè)共振吸收頻率，符合文獻(xiàn)[2]所指出的效應(yīng)條件，從而進(jìn)一步證明我們的器件可以發(fā)生三個(gè)頻率偏振轉(zhuǎn)換。該文獻(xiàn)為：Jun Ding,et al.,Mid-Infrared Tunable Dual-Frequency Cross Polarization Converters Using Graphene-Based L-Shaped Nanoslot Array,(2015)10:351–356。

電磁波屬于橫波，其電矢量、磁矢量以及波矢方向滿足右手定則。其中，電矢量是引起導(dǎo)體中載流子集體運(yùn)動(dòng)以及引起介質(zhì)極化的主要原因。因此，可以通過(guò)入射電磁波和反射電磁波電場(chǎng)強(qiáng)度的比值來(lái)定義反射率?？紤]到電磁波可以分解為相互正交的兩個(gè)偏振方向，反射率可以寫(xiě)為反射矩陣的形式

其中

x,y為兩個(gè)相互正交的線偏振電磁波方向，i,r分別表示入射電磁波和反射電磁波。Rmn等于反射電磁波m方向電場(chǎng)分量Emr與入射電磁波n方向電場(chǎng)分量Eni的比值，φmn為相位。在我們的模型中，由于對(duì)稱性，故Rmn＝Rnm

定義Rxy與Rxy之間的相位差為：

設(shè)入射電磁波為y方向的線偏振電磁波，則偏振轉(zhuǎn)化率PCR可寫(xiě)為

$PCR=\frac{|R_{xy}{|}^2}{|R_{yy}{|}^2+|R_{xy}{|}^2}$

Rxy＝0時(shí)，PCR＝0，意味著y方向偏振的入射光經(jīng)過(guò)反射后無(wú)x方向偏振光，無(wú)偏振轉(zhuǎn)換效應(yīng)。Ryy＝0時(shí)，PCR＝1，意味著y方向偏振的入射光經(jīng)過(guò)反射后無(wú)y方向偏振光，即所有反射光均為x方向偏振，實(shí)現(xiàn)了相互垂直方向的線偏振光的100％轉(zhuǎn)換效率。0<PCR<1時(shí)，反射光含有兩種偏振方向分量，為橢圓偏振光。由于PCR直接反映了平面天線實(shí)現(xiàn)偏振轉(zhuǎn)化的水平，因此用來(lái)作為偏振轉(zhuǎn)化器的主要性能指標(biāo)。上述為實(shí)用新型中PCR的計(jì)算方法。且圖4、圖5和圖6都是通過(guò)這個(gè)計(jì)算方式得到的圖形。

以上公開(kāi)的僅為本實(shí)用新型的幾個(gè)具體實(shí)施例，但是本實(shí)用新型并非局限于此，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員能思之的變化都應(yīng)落入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。