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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

摘要

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。

著录项

  • 公开/公告号CN112255716A

    专利类型发明专利

  • 公开/公告日2021-01-22

    原文格式PDF

  • 申请/专利权人 江南大学;

    申请/专利号CN202011325031.6

  • 发明设计人 桑田;

    申请日2020-11-24

  • 分类号G02B5/00(20060101);G02B5/18(20060101);

  • 代理机构23211 哈尔滨市阳光惠远知识产权代理有限公司;

  • 代理人林娟

  • 地址 214000 江苏省无锡市滨湖区蠡湖大道1800号

  • 入库时间 2023-06-19 09:40:06

说明书

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

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]

现有的纳米光子学和光电探测领域,在可见光至近红外波段实现石墨烯高效率的光吸收,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。由于金属反射镜自身的欧姆损耗会削弱石墨烯对光的吸收效率,而全介质布拉格反射镜需要使用两种以上的材料,且由于膜层数多、整体厚度大,对制备技术要求高,不利于低成本的应用。

[技术方案]

本发明的目的是提供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,以克服现有的石墨烯光吸收装置存在的吸收效率不高、结构复杂、制备难度大、成本高等问题。

为实现上述发明目的,本发明的技术方案具体如下:

基于结构对称性破缺的高效光吸收装置,包括基底、光栅和吸收材料。光栅包括光栅层和膜层,光栅层位于膜层上,吸收材料位于膜层和基底之间。栅格间的膜层上具有刻槽,使光栅对称性破缺。光栅层和膜层的厚度分别为d

优选的,所述基底是石英基底。

优选的,所述光栅是硅或砷化镓、二氧化钛、硫化锌、硒化锌等高折射率薄膜材料。

优选的,所述高折射率薄膜材料是硅、砷化镓、二氧化钛、硫化锌或硒化锌。

优选的,所述光栅是一维、方块、L型、T型、十字架、圆环或圆柱型光栅。

优选的,吸收材料不仅是单层石墨烯,也可以是二维过渡金属硫化物等二维材料。

本发明还提供了一种提高石墨烯光吸收角度容差的方法,以上述的装置作为光吸收装置,入射方式采用全锥度入射。

本发明还提供了一种基于结构对称性破缺的高效光吸收装置的制备方法,包括:

(1)在石英基底上制备单层石墨烯;

(2)在具有单层石墨烯的石英基底上沉积硅薄膜;

(3)在硅薄膜上制备一定厚度的光刻胶薄膜;

(4)对光刻胶进行曝光,借助掩膜版在光刻胶薄膜上制备微结构图案,经显影、定影和烘烤,再经反应离子束刻蚀制备出具有一定周期和上下层结构的硅光栅;

(5)通过两次刻蚀的在硅光栅的下层结构中制作出刻槽。

本发明还提供了上述装置在光电探测、光热转化、光学传感、荧光光谱、光学滤波或高次谐波激发中的应用。

[有益效果]

本发明采用亚波长结构(即p<λ

通过选取微电子领域广泛使用、工艺相对成熟的硅材料,易于实现超紧凑、易集成、低成本的硅基超薄光子器件;

本发明的石墨烯光吸收增强源于结构的对称性破缺,因此石墨烯的光吸收具有很大的结构容差,只要结构的对称性处于破缺状态,即便结构参数发生较大改变,在对称保护模对应的激发波长处,单层石墨烯依然可以获得很高的光吸收效率;

本发明采用全锥度入射显著提高了基于对称破缺石墨烯吸波装置的角度容差,相对于传统入射,采用全锥度入射后,吸波装置峰值波长的光吸收效率和中心波长的光吸收效率的角度容差均大大提高;

本发明的基于对称破缺石墨烯吸波装置的折射率传感方法,通过借助吸波装置的反射光谱,可以实现高灵敏度折射率传感应用,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。

附图说明

图1为本发明的基于结构对称性破缺的石墨烯高效光吸收装置的结构示意图;其中,1是基底,2是光栅,3是吸收材料,4是刻槽;

图2为本发明实施例1中结构处于对称(s=0)和破缺(s=10nm)情形下的反射、透射和吸收光谱,结构参数为:p=690nm,d

图3为本发明实施例1一种实施方式中当结构中有(无)石墨烯情形的光谱,其他参数与图2相同。(a)当结构中无石墨烯时,对称结构(s=0)和对称破缺结构(s=10nm)的反射光谱;(b)当结构中无石墨烯时,对称结构(s=0)和对称破缺结构(s=10nm)的指数坐标透射光谱;(c)当s=10nm时,结构中(有)无石墨烯时的吸收光谱(指数坐标透射光谱)。

图4为本发明实施例1一种实施方式中当结构中无石墨烯、且处于对称破缺情形(s=10nm),对应泄露模和对称保护模的磁场分布,其他参数与图2相同。(a)泄露模1的磁场分布;(b)泄露模2的磁场分布;(c)对称保护模1的磁场分布;(d)对称保护模2的磁场分布。

图5为本发明实施例1一种实施方式中结构对应的吸收光谱,其他参数与图2相同。(a)不同窄刻槽宽度变化的吸收光谱;(b)窄刻槽宽度s=74nm时的吸收光谱。

图6为本发明实施例2一种实施方式中结构参数变化对吸收光谱的影响,其中窄刻槽宽度s=74nm,其他参数与图2相同。(a)不同窄刻槽位置移动Δs对应的吸收光谱;(b)不同光栅周期p对应的吸收光谱;(c)不同光栅层厚度d

图7为本发明实施例3一种实施方式中不同入射角对应的吸收光谱,其中窄刻槽宽度s=74nm,其他参数与图2相同。(a)传统入射条件下(入射面为xz平面)不同入射角θ

图8为本发明实施例4中基于吸波装置实现的折射率传感,其中窄刻槽宽度s=74nm,其他参数与图2相同。(a)不同背景折射率n

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1:基于结构对称性破缺实现石墨烯高效率光吸收的装置

基于结构对称性破缺实现石墨烯高效率光吸收的装置,其结构示意图如图1所示。单层石墨烯置于石英基底和硅光栅(包含硅光栅层和硅膜层)之间,硅光栅层和硅膜层的厚度分别为d

相应的制备过程如下:

(1)在石英基底上制备单层石墨烯,可以通过化学气相沉积(CVD)法将单层石墨烯直接沉积至石英基底上;也可以先以铜箔为基体采用CVD法制备单层石墨烯,然后再经过湿法转移,将单层石墨烯转移到石英基底上。

(2)在含石墨烯的石英基底上沉积硅薄膜,采用电子束蒸发镀膜、磁控溅射镀膜或等离子化学气相沉积等方式,将硅材料沉积于表面覆盖石墨烯的石英基底上,通过控制薄膜沉积速率和沉积时间,获得厚度约为690nm的硅薄膜。

(3)在硅薄膜上制备一定厚度的光刻胶,选用常规的旋涂装置,在暗室中采用旋涂的方式在硅薄膜上旋涂光刻胶,光刻胶既可以选用正胶,也可以选用负胶,通过调整旋涂装置的旋转速度,控制光刻胶薄膜的厚度,得到一定厚度的光刻胶薄膜。

(4)对光刻胶进行曝光,采用常规紫外曝光或电子束直写等方式,借助掩膜版在光刻胶薄膜上制备微结构图案,经过显影、定影和烘烤,后经反应离子束刻蚀等方式制备出周期为p,上下层深度分别为d

理想的吸波装置结构的具体参数为:p=690nm,d

在本实施例中,所设计的波段为光通信波段(1300nm-1650nm),在此波段中,硅材料的折射率为3.48,石英基底的折射率为1.47,单层石墨烯的光学常数采用Kubo公式计算,其介电常数为ε

式中,

当TM偏振光(磁场沿y方向)垂直入射至光栅表面时,由于结构的对称性破缺将激发对称性保护模式,使得入射光场在对称保护模的激发波长处产生高度局域和增强,进而促成单层石墨烯对入射光的高效率吸收。采用RCWA、FDTD等方法,可以分析计算相应的吸收性能及光场分布。由于采用亚波长光栅结构(p<λ

图2为本实施例中结构处于对称(s=0)和破缺(s=10nm)情形的反射、透射和吸收光谱。可以看出,当硅光栅处于结构对称情形时,也即是当光栅面型关于yz平面对称时,由于厚度仅为0.34nm的单层石墨烯固有的光吸收率很低,结构中石墨烯的光吸收整体很小。但是当结构的对称性发生破缺的时候,也即是在硅薄膜层中引入一个宽度s=10nm的窄刻槽以后,此时结构的反射光谱产生两处凹陷,相应的波长位置处产生了两个尖锐的共振吸收峰。显然,结构的对称性破缺促成了单层石墨烯的光吸收增强。

图3展示了本实施例中当结构中有(无)石墨烯情形的光谱,其他参数与图2相同,以研究结构对称性破缺与石墨烯光吸收增强的联系。从图3(a)中可以看出,当光栅结构中没有石墨烯时,尽管光栅结构的对称性发生微小的破缺(s=10nm),相对于对称结构光栅(s=0),非对称光栅的反射光谱将产生两个显著的共振突变。从图3(b)为对称结构(s=0)和对称破缺结构(s=10nm)的透射光谱,这里采用指数坐标来表示其透射光谱,可以更直观地看到相应的共振模式。从图3(b)中可见,当光栅结构发生对称性破缺(s=10nm)时,相较于对称结构(s=0)光谱,除了存在固有的泄露模式(泄露模1和泄露模2)外,还产生了因结构对称破缺产生的对称保护模式(对称保护模1和对称保护模2)。从图3(c)中可以看出,对于对称破缺的硅光栅(s=10nm),在对称保护模的激发波长处,单层石墨烯产生了显著的光吸收增强,其吸收峰位置和对称保护模的激发波长位置一致。

图4展示了结构中无石墨烯且处于对称破缺情形(s=10nm),对应泄露模和对称保护模的磁场分布,以解释为什么对称保护模可以显著提高石墨烯的光吸收效率。从图4中可以看到,对于泄露模式,尽管光场也产生了局域效应(即光场被光栅结构所束缚),但是其增强效果不显著,泄露模1和泄露模2的归一化幅值分别为6.17和6.51。而对于对称保护模式,光场不仅可以被高度局域于光栅结构中,而且产生了显著的增强效应,对称保护模1和对称保护模2的归一化幅值分别高达424.58和301.89。由于对称保护模可以使入射光场在结构中被高度局域和显著增强,因此当结构中加入单层石墨烯时,对称保护模显著的光场局域和增强效应,可以有效提升石墨烯的光吸收效率。

图5为本实施方式中结构的吸收光谱,其他参数与图2相同。从图5(a)中可以看出,窄刻槽宽度w的变化,将显著改变石墨烯的光吸收效率大小。由于窄刻槽宽度的变化将影响光栅结构的对称性,进而影响结构中对称保护模的激发,因此,通过调整和优化刻槽宽度,可以在不同波长位置实现石墨烯高效率的光吸收。图5(b)为刻槽宽度s=74nm时结构对应的吸收光谱,可以看到,在这一刻槽深度下,石墨烯在1.55μm波长附近实现了显著的光吸收增强,其峰值吸收效率高达97.8%。

实施例2:基于对称破缺实现高制备容差的石墨烯增强光吸收方法

由于石墨烯的光吸收增强源于结构的对称性破缺,只要结构中存在对称性破缺,就会产生对称保护模式,在对称保护模激发波长位置处,对应光场将在结构中被高度局域和增强,使得单层石墨烯可以保持较高的光吸收效率。因此,即便结构参数发生较大改变,光吸收增强效应依然比较显著。图6为本实施方式中结构参数变化对吸收光谱的影响,其中窄刻槽宽度s=74nm,其他参数与图2相同。从图6(a)中可以看到,当窄刻槽在膜层中发生显著移动时,尽管窄刻槽位置的变化Δs可以明显改变对称保护模的激发位置,导致吸收峰位置随Δs的变化发生移动,但是结构中石墨烯依然具有很高的光吸收效率,当Δs=80nm时单层石墨烯的光吸收效率依然约为60%。此外,从6(b)-(d)中可以看出,同样,即便当光栅周期p、光栅层厚度d

实施例3:基于对称破缺实现大角度容差的石墨烯增强光吸收方法

由于在传统入射条件下(在本实施例中入射面为xz平面),入射光的切向波矢(本实施例中为x方向)可以表达为k

图7为本实施方式中不同入射角对应的吸收光谱,其中窄刻槽宽度s=74nm,其他参数与图2相同。从图7(a)中可以看出,传统入射条件下(在本实施例中入射面为xz平面),石墨烯的光吸收效率对入射角度θ

实施例4:基于对称破缺石墨烯光吸收增强实现高灵敏度传感的方法

由于基于对称保护模的石墨烯光吸收增强具有较窄的吸收带宽,吸收效率高,且峰值位置对背景折射率的微小变化很敏感,因此可以用作高灵敏度的折射率传感器件。图8为本实施例中基于吸波装置实现的折射率传感,其中窄刻槽宽度s=74nm,其他参数与图2相同。从图8(a)中可见,即便背景折射率n

本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡是在本发明构思的精神和原则之内,本领域的专业人员能够做出的任何修改、等同替换和改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

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