專(zhuān)利名稱(chēng)：表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法及裝置，尤其是此表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法及裝置，可以通過(guò)改變石墨烯周?chē)橘|(zhì)的屬性及厚度來(lái)改變表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播路徑，從而可以實(shí)現(xiàn)龍柏透鏡等多種光學(xué)變換器件。
背景技術(shù)：
自2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯以來(lái)，引起了人們強(qiáng)烈的研究興趣。Ashkan Vakil和NaderEngheta教授于2011年提出了基于石墨烯的表面等離子體極化波的一系列光學(xué)變換器件(“Transformation optics using graphene,’’Science 332 (6035), 1291-1294, 2011)。目前，基于石墨烯的表面等離子體極化波的調(diào)控手段主要是通過(guò)外加電壓，改變石墨烯的化學(xué)勢(shì)，從而改變石墨烯電導(dǎo)率的空間分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)石墨烯上支持的表面等離子體極化波的調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)變換器件。然而，在實(shí)際操作中，通過(guò)電壓進(jìn)行調(diào)控的方式存在很多局限，因?yàn)橥饧与妷翰荒芴?，硅基底與石墨烯的間隙的高低變化也有限度，這就限制了石墨烯屬性變化的范圍，從而影響對(duì)表面等離子體極化波調(diào)控的效果。G. ff. Hanson教授提出，石墨烯的電導(dǎo)率可以由Kubo公式表不為(“Dyadic Green’s functions and guided surfacewaves for a surface conductivity model of graphene,^J. AppI. Phys. 103(6),064302,2008),
咖,Y,T) = je^ iCO-j2YA^^^
cTTfi2 \_(co-J2Tf ,0 L dsds J
-f ^ds ,
，0 O - j2T f - 40 / Kf 」其中_e為電子電量，fi = hjln為普朗克常數(shù)，fd( e ) = I/(1+exp [ ( e - U c) /(kBT)])是費(fèi)米狄拉克分布，kB為波爾茲曼常數(shù)，co為角頻率，U。為化學(xué)勢(shì)，r表示散射率，T表示溫度。由上述公式可知，石墨烯的電導(dǎo)率與化學(xué)勢(shì)有關(guān)，通過(guò)參雜方式可以改變石墨烯的化學(xué)勢(shì)，可以使得石墨烯上支持的表面等離子體極化波的損耗很小。2010年，張祥教授課題組應(yīng)用介質(zhì)來(lái)調(diào)控表面等離子體極化波在金屬上的傳播，實(shí)現(xiàn)了如龍伯透鏡，易頓透鏡的光學(xué)變換器件?，F(xiàn)在，我們提出一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法及裝置。此種方法相比而言更簡(jiǎn)單有效，加工更方便。并且相對(duì)于金屬而言，石墨烯表面支持的表面等離子體極化波的損耗更小，場(chǎng)強(qiáng)局域性更好。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題為了解決通過(guò)外加電壓來(lái)調(diào)控表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播的方式在實(shí)際操作中的外加電壓不能過(guò)大，硅襯底與石墨烯的間隙的高低變化也有限度的許多限制，本發(fā)明提出了一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法及裝置，提供了另一種更簡(jiǎn)單有效的調(diào)控表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播的方法，應(yīng)用此方法可以更簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)變換器件，在成像和通信領(lǐng)域有著廣泛的用途。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法，將氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐設(shè)置在石墨烯上，石墨烯的下方是支撐它的基底，然后再將帶基底的石墨烯連同設(shè)在石墨烯上的氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐放置在空氣中，最后將球面波輸入至石墨烯，在氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐與石墨烯共同作用下球面波轉(zhuǎn)換為平面波。一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法，將氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐設(shè)置在石墨烯上，石墨烯的下方是支撐它的基底，然后再將帶基底的石墨烯連同設(shè)在石墨烯上的氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐放置在空氣中，最后將平面波輸入至石墨烯，在氧化硅 圓錐或氧化鋁圓錐與石墨烯共同作用下平面波轉(zhuǎn)換為球面波。一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置，包括支撐石墨烯的基底，石墨烯，在石墨烯的上表面上設(shè)有氧化鋁圓錐，在氧化鋁圓錐上設(shè)有氧化硅介質(zhì)層。一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置，包括支撐石墨烯的基底，石墨烯，在石墨烯的上表面上設(shè)有氧化硅圓錐，在氧化硅圓錐上設(shè)有氧化鋁介質(zhì)層。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1，本發(fā)明利用介質(zhì)來(lái)調(diào)控表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播?，F(xiàn)有技術(shù)中是通過(guò)將電壓施加于相互疊加在一起的硅基底，二氧化硅襯底與石墨烯后，再對(duì)電壓實(shí)施調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然而，外加電壓受到很大的限制，不能太大，比如，對(duì)于300nm厚的二氧化硅襯底來(lái)說(shuō)，當(dāng)電壓大于80V的時(shí)候，二氧化硅襯底就會(huì)被擊穿，當(dāng)二氧化硅襯底的厚度變小時(shí)，擊穿電壓會(huì)更小。但是在有些情況下，我們需要比較高的電壓來(lái)達(dá)到特定的石墨烯表面支持的表面等離子體極化波的折射率，這時(shí)候采用傳統(tǒng)方法或裝置就無(wú)法對(duì)表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播實(shí)施調(diào)控。而本發(fā)明與此不同，本發(fā)明僅利用設(shè)置于石墨烯上的氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)表面等離子體極化波在石墨烯上傳播的調(diào)控。例如，參見(jiàn)圖6，當(dāng)入射波為球面波，并在經(jīng)過(guò)氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐下方的石墨烯時(shí)，就轉(zhuǎn)變成平面波；參見(jiàn)圖7，當(dāng)入射波為平面波，并在經(jīng)過(guò)氧化硅或氧化鋁圓錐下方的石墨烯時(shí)，就轉(zhuǎn)變成球面波。因此，本發(fā)明在對(duì)表面等離子體極化波在石墨烯上傳播實(shí)施調(diào)控時(shí)，無(wú)需外加電壓即可完成調(diào)控，從而避免了因?yàn)橥饧与妷翰荒苓^(guò)大所導(dǎo)致的石墨烯上表面等離子體極化波折射率的變化范圍過(guò)小的限制。2，本發(fā)明利用介質(zhì)來(lái)調(diào)控表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播?，F(xiàn)有技術(shù)中是通過(guò)將電壓施加于相互疊加在一起的硅基底，二氧化硅襯底與石墨烯后，再對(duì)電壓實(shí)施調(diào)控來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于要得到特定的石墨烯上支持的表面等離子體極化波的折射率的空間分布，設(shè)在石墨烯不同區(qū)域下面的二氧化硅襯底的厚度會(huì)不同，有些區(qū)域的二氧化硅的厚度會(huì)很厚，甚至器件的縱向的厚度比器件橫向的尺寸還要大，這樣就增加了器件的尺寸，浪費(fèi)了空間，而用介質(zhì)來(lái)調(diào)控表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播的方法中，設(shè)在石墨烯上面的氧化硅或氧化鋁的厚度都在納米量級(jí)。避免了用電壓調(diào)控方式中存在的器件尺寸問(wèn)題。3，本發(fā)明利用介質(zhì)來(lái)調(diào)控表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播，可以很方便的實(shí)現(xiàn)多種光學(xué)變換器件，易于加工制作。


圖I是本發(fā)明的原理圖，包括疊合在一起的四層結(jié)構(gòu)，最下面一層是半無(wú)限大基底4，基底4上面鋪石墨烯3，石墨烯3上面鋪一層厚度為d2的介質(zhì)層2，介質(zhì)層2上面是半無(wú)限大的介質(zhì)層I。圖2是表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法及裝置-龍伯透鏡的三維圖。石墨烯3上面設(shè)有高度為D為IOnm,半徑R為40nm的圓錐形的氧化娃介質(zhì)11。此裝置放在空氣中。通過(guò)此設(shè)計(jì)的石墨烯不同區(qū)域上面的氧化硅介質(zhì)的厚度的不同，使得此結(jié)構(gòu)支持的表面等離子體極化波的等效折射率滿足龍伯透鏡所需要的折射率的空間分布，就可以實(shí)現(xiàn)球面波到平面波的轉(zhuǎn)換，或者是平面波到球面波的轉(zhuǎn)換。圖3是表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法及裝置-龍伯透鏡的三維 圖。石墨烯3上面設(shè)有圓錐形的氧化鋁介質(zhì)21。此裝置放在空氣中。通過(guò)此設(shè)計(jì)的石墨烯不同區(qū)域上面的氧化鋁介質(zhì)的厚度的不同，使得此結(jié)構(gòu)支持的表面等離子體極化波的等效折射率滿足龍伯透鏡所需要的折射率的空間分布，就可以實(shí)現(xiàn)球面波到平面波的轉(zhuǎn)換，或者是平面波到球面波的轉(zhuǎn)換。圖4是圖2的俯視圖。圖5是在30THz，當(dāng)介質(zhì)1，介質(zhì)4為空氣介電常數(shù)為1，介質(zhì)2為氧化硅介電常數(shù)為3. 9，通過(guò)參雜使得石墨烯的介電常數(shù)為-46時(shí)，石墨烯3上支持的表面等離子體極化波隨著介質(zhì)2的厚度的變化關(guān)系曲線。圖6是仿真結(jié)果圖，由圖可見(jiàn)，當(dāng)入射波為球面波，并在經(jīng)過(guò)氧化硅11圓錐下方的石墨烯時(shí),就轉(zhuǎn)變成平面波。圖7是仿真結(jié)果圖，由圖可見(jiàn)，當(dāng)入射波為平面波，并在經(jīng)過(guò)氧化硅11圓錐下方的石墨烯時(shí),就轉(zhuǎn)變成球面波。
具體實(shí)施例方式一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法，將氧化硅11圓錐或氧化鋁21圓錐設(shè)置在石墨烯3上，石墨烯3的下方是支撐它的基底4，然后再將帶基底4的石墨烯3連同設(shè)在石墨烯3上的氧化硅11圓錐或氧化鋁21圓錐放置在空氣中，最后將球面波輸入至石墨烯3，在氧化硅11圓錐或氧化鋁21圓錐與石墨烯3共同作用下球面波轉(zhuǎn)換為平面波。一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法，將氧化硅11圓錐或氧化鋁21圓錐設(shè)置在石墨烯3上，石墨烯3的下方是支撐它的基底4，然后再將帶基底4的石墨烯3連同設(shè)在石墨烯3上的氧化硅11圓錐或氧化鋁21圓錐放置在空氣中，最后將平面波輸入至石墨烯3，在氧化硅11圓錐或氧化鋁21圓錐與石墨烯3共同作用下平面波轉(zhuǎn)換為球面波。一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置，包括支撐石墨烯3的基底4，石墨烯3，在石墨烯3的上表面上設(shè)有氧化鋁21圓錐，在氧化鋁21圓錐上設(shè)有氧化硅11介質(zhì)層。
一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置，包括支撐石墨烯3的基底4，石墨烯3，在石墨烯3的上表面上設(shè)有氧化硅11圓錐，在氧化硅11圓錐上設(shè)有氧化鋁21介質(zhì)層。此表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法及裝置的實(shí)現(xiàn)原理包括疊合在一起的四層結(jié)構(gòu)，如附圖I所示最下層是半無(wú)限大的支撐石墨烯的基底(氧化硅，氧化鋁)基底上是厚度為d3的石墨烯層，在石墨烯層上鋪厚度為d2的介質(zhì)層2 (氧化硅，氧化鋁)，在介質(zhì)層2上是半無(wú)限大的介質(zhì)層I (空氣，氧化硅或氧化鋁。注介質(zhì)層I的屬性不同于介質(zhì)層2。)石墨烯表面支持的表面等離子體極化波是一種橫磁波，它具有傳播方向的電場(chǎng)Ex以及垂直于石墨烯表面的電場(chǎng)Ez，以及另一個(gè)方向上的Hy.通過(guò)解麥克斯韋方程組
權(quán)利要求
1.一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法，將氧化硅(11)圓錐或氧化鋁(21)圓錐設(shè)置在石墨烯(3)上，石墨烯(3)的下方是支撐它的基底(4)，然后再將帶基底(4)的石墨烯(3)連同設(shè)在石墨烯(3)上的氧化硅(11)圓錐或氧化鋁(21)圓錐放置在空氣中，最后將球面波輸入至石墨烯(3 )，在氧化硅(11)圓錐或氧化鋁(21)圓錐與石墨烯(3 )共同作用下球面波轉(zhuǎn)換為平面波。
2.一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法，將氧化硅(11)圓錐或氧化鋁(21)圓錐設(shè)置在石墨烯(3)上，石墨烯(3)的下方是支撐它的基底(4)，然后再將帶基底(4)的石墨烯(3)連同設(shè)在石墨烯(3)上的氧化硅(11)圓錐或氧化鋁(21)圓錐放置在空氣中，最后將平面波輸入至石墨烯(3 )，在氧化硅(11)圓錐或氧化鋁(21)圓錐與石墨烯(3 )共同作用下平面波轉(zhuǎn)換為球面波。
3.一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置，包括支撐石墨烯(3)的基底(4)，石墨烯(3)，在石墨烯(3)的上表面上設(shè)有氧化鋁(21)圓錐，在氧化鋁(21)圓錐上設(shè)有氧化娃(11)介質(zhì)層。
4.一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置，包括支撐石墨烯(3)的基底(4)，石墨烯(3)，在石墨烯(3)的上表面上設(shè)有氧化硅(11)圓錐，在氧化硅(11)圓錐上設(shè)有氧化鋁(21)介質(zhì)層。
全文摘要
一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控方法，將氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐設(shè)置在石墨烯上，石墨烯的下方是支撐它的基底，然后再將帶基底的石墨烯連同設(shè)在石墨烯上的氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐放置在空氣中，最后將球面波輸入至石墨烯，在氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐與石墨烯共同作用下球面波轉(zhuǎn)換為平面波。一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置，包括支撐石墨烯的基底，石墨烯，在石墨烯的上表面上設(shè)有氧化鋁圓錐，在氧化鋁圓錐上設(shè)有氧化硅介質(zhì)層。一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置，包括支撐石墨烯的基底，石墨烯，在石墨烯的上表面上設(shè)有氧化硅圓錐，在氧化硅圓錐上設(shè)有氧化鋁介質(zhì)層。
文檔編號(hào)G02F1/01GK102681214SQ201210099490
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者朱薇, 董正高, 許紅菊, 陸衛(wèi)兵 申請(qǐng)人:東南大學(xué)