專利名稱：基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種使用石墨烯實現(xiàn)的表面等離子體極化波分束器，尤其涉及一種基于石墨烯可以做為ENZ材料的特性來設計的表面等離子體極化波分束器。此器件可以把一個球面表面等離子體極化波分成許多束平面表面等離子體極化波。
背景技術：
近些年，介電常數(shù)的實部趨于零的材料(ENZ材料)引起了人們極大的關注，ENZ材料可以將一個給定的入射波的等相位面，通過設計ENZ材料出射面的外形，將出射波等
相位面的形狀變換成所需要的任意形狀，而無需考慮入射波的波前。該技術在成像和通信領域有著廣泛的應用前景。在紅外和光波段，一些低損耗的貴金屬，如金和銀，半導體和一些極性電解質(zhì)，在它們的等離子體頻率附近可以用作ENZ材料。但是，由于它們的色散性質(zhì)，這些ENZ材料只能工作于它們的離子體頻率附近。自2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，引起了人們強烈的研究興趣。G.W. Hanson教授提出，石墨烯的電導率可以由Kubo公式表示為(“Dyadic Green’sfunctions and guided surface waves for a surface conductivitymodel of graphene, ” J. App I. Phys. 103 (6)，064302, 2008)。
‘ 「火2( -;.2Γ)「 I 「Γ dfd(s) dfd(~sH σ{ω,μ^Τ,Τ) = --- --ε ^---^- \ ε
π η_ (ω - j2i ) 0 、 δεδε J
-廠^ ε
,0 (ω - ；2Γ)2 - 4(ε / H)2 _其中_e為電子電量，方= 々/2；Γ為普朗克常數(shù)，fd( ε ) = l/(l+exp[( ε - μ c) /(kBT)])是費米狄拉克分布，kB為波爾茲曼常數(shù)，ω為角頻率，μ。為化學勢，Γ表示散射率，T表示溫度。由上述公式可知，石墨烯的電導率是隨著化學勢的變化而變化的。不同的電導率又對應著不同的介電常數(shù)，它們的對應關系為Re(eg，eq) =-0gi/(0 Δ+E0^-Ogji/ω Δ, Im(eg, eq) =所以，我們可以通過改變石墨烯的化學勢來得到我們想要的介電常數(shù)。在多個頻率點，通過選擇適當?shù)幕瘜W勢，就可以使石墨烯的介電常數(shù)的實部趨近于零。例如，在頻率為50ΤΗζ，溫度為3Κ，化學勢為0. 12155eV時，石墨烯的介電常數(shù)為ε = 2. 28e_4+i0. 2178，它的介電常數(shù)的實部趨近于零，因此可以作為一種ENZ材料。A. Vakil教授和N. Engheta教授提出，可以使用uneven ground plane (凹凸不平的地平面)技術來實現(xiàn)在一片石墨烯上的不同區(qū)域有不同的化學勢(“TransfromationOpticas UsingGraphene, ” Science 332 (6035)，1291-1293 2011)。石墨烯化學勢與門電壓的關系為
Vg= Jt26 (kBTf f Α/"Γ -^-dx + kBTMc ln(i^ +1) + kBTMc ln(e^ +1)，
πη vFs0sr^-McβΒτ e +1其中，ε。，ε ^分別表示空氣和Sio2的介電常數(shù)，t是Sio2層的厚度。所以我們可以通過改變門電壓來改變石墨烯的化學勢從而改變石墨烯的介電常數(shù)。迄今為止，尚無人使用石墨烯來設計表面等離子體極化波分束器。

實用新型內(nèi)容技術問題為了解決利用金屬等材料ENZ特性制作的分束器只能工作在其等離子體頻率附近的限制，本實用新型提出了一種基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器，此分束器可以把一個球面表面等離子體極化波分成若干束平面表面等離子體極化波。在成像和通信領域有著廣泛的用途。本實用新型采用如下技術方案一種基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器，其特征在于，包括硅襯底，在硅 襯底的上表面設有環(huán)形槽，且環(huán)形槽的內(nèi)側(cè)面為圓柱面、外側(cè)面為多棱柱面，在硅襯底的上表面上覆蓋有二氧化硅襯底，在二氧化硅襯底的下表面設有與硅襯底的環(huán)形槽相適配的環(huán)形突起，在~■氧化娃襯底的上表面設有石墨稀層。本實用新型最下面的是硅襯底，硅襯底上面鋪二氧化硅襯底，二氧化硅襯底上面再鋪石墨烯層，偏置電壓源的一極加在硅襯底上，另一極加在石墨烯上。不同區(qū)域硅襯底的厚度不同，不同厚度的硅襯底導致了不同厚度的二氧化硅襯底，從而在同一個偏置電壓下，不同區(qū)域的石墨烯所感應到的化學勢不同。所以不同區(qū)域上的石墨烯具有不同的介電常數(shù)。當硅襯底環(huán)形槽區(qū)域?qū)氖﹨^(qū)域的介電常數(shù)的實部趨近于零，硅襯底其它區(qū)域?qū)氖┙殡姵?shù)的實部為負數(shù)時，就可以實現(xiàn)表面等離子體極化波分束器的功能。與現(xiàn)有技術比，本實用新型具有以下優(yōu)點1，本實用新型首次實現(xiàn)了基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器。2，本基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器通過設計硅襯底不同區(qū)域的厚度和偏置電壓，可以工作于多個頻點，克服了現(xiàn)有ENZ材料只能工作于其等離子體頻率附近的限制。3，本基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器結(jié)構簡單，重量輕，易于集成，在成像和通信領域有著廣泛的應用前景。

圖I是本實用新型的結(jié)構示意圖；圖中包括硅襯底1，二氧化硅襯底2，石墨烯3。偏置電壓源4的一極加在硅襯底上，另一極加在石墨烯上。圖2是圖I中硅襯底I的結(jié)構示意圖，其中區(qū)域5和區(qū)域6的厚度不一樣，區(qū)域6上面對應區(qū)域的石墨烯介電常數(shù)的實部趨于零，可用作ENZ材料，區(qū)域5上面對應區(qū)域的石墨烯的介電常數(shù)的實部為負，可以傳播表面等離子體極化波(SPP波)。圖3是圖I中二氧化硅襯底的結(jié)構示意圖，突起區(qū)域9對應于圖2中的區(qū)域6。區(qū)域10對應于圖2中的區(qū)域5。圖4是仿真示意圖，根據(jù)設計，石墨烯區(qū)域7部分介電常數(shù)的實部為負，區(qū)域8部分介電常數(shù)的實部趨近于零。圖5是在不同頻率下，石墨烯介電常數(shù)的實部隨化學勢的變化關系，由圖中可以看出，在40T，50T, 70T, 80T, 100T時，石墨烯介電常數(shù)的實部在特定的化學勢下都可以在零附近。圖6是仿真結(jié)果圖，由圖中可以看出通過設計石墨烯介電常數(shù)為零的區(qū)域，可以使一個球面波分成若干束平面波。
具體實施方式
一種基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器，包括硅襯底1，在硅襯底I的上表面設有環(huán)形槽6，且環(huán)形槽6的內(nèi)側(cè)面為圓柱面、外側(cè)面為多棱柱面，在硅襯底I的上表面上覆蓋有二氧化硅襯底2，在二氧化硅襯底2的下表面設有與硅襯底I的環(huán)形槽相適配的環(huán)形突起9，在二氧化硅襯底2的上表面設有石墨烯層。偏置電壓源4的一極加在石墨烯上，另一極加在硅襯底上。在硅襯底的不同區(qū)域刻蝕了不同的厚度，這樣鋪在硅襯底上面的二氧化硅在對應的區(qū)域就有不同的厚度。根據(jù) 公式
權利要求1.種基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器，包括硅襯底(1)，在硅襯底(I)的上表面設有環(huán)形槽(6)，且環(huán)形槽(6)的內(nèi)側(cè)面為圓柱面、外側(cè)面為多棱柱面，在硅襯底(I)的上表面上覆蓋有二氧化硅襯底(2)，在二氧化硅襯底(2)的下表面設有與硅襯底(I)的環(huán)形槽相適配的環(huán)形突起(9 )，在二氧化硅襯底(2 )的上表面設有石墨烯層(3 )。
專利摘要一種基于石墨烯的表面等離子體極化波分束器，包括硅襯底，在硅襯底的上表面設有環(huán)形槽，且環(huán)形槽的內(nèi)側(cè)面為圓柱面、外側(cè)面為多棱柱面，在硅襯底的上表面上覆蓋有二氧化硅襯底，在二氧化硅襯底的下表面設有與硅襯底的環(huán)形槽相適配的環(huán)形突起，在二氧化硅襯底的上表面設有石墨烯層。偏置電壓源的一極加在硅襯底上，另一極加在石墨烯上。通過設計不同區(qū)域硅襯底的厚度和合適的偏置電壓，本實用新型可以在多個頻點實現(xiàn)把表面等離子體極化球面波分成若干束特定方向的表面等離子體極化平面波。本實用新型結(jié)構簡單，重量輕，易于集成，在成像和通信領域有著廣泛的應用前景。
文檔編號G02F1/01GK202486453SQ20122000825
公開日2012年10月10日 申請日期2012年1月10日 優(yōu)先權日2012年1月10日
發(fā)明者朱薇, 董正高, 許紅菊, 陸衛(wèi)兵 申請人:東南大學