專利名稱：表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置，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，可以通過改變石墨烯周圍介質(zhì)的屬性及厚度來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，引起了人們強烈的研究興趣。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Ci 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)控手段主要是通過外加電壓，改變石墨烯的化學(xué)勢，從而改變石墨烯電導(dǎo)率的空間分布，實現(xiàn)對石墨烯上支持的表面等離子體極化波的調(diào)控，從而實現(xiàn)光學(xué)變換器件。然而，在實際操作中，通過電壓進(jìn)行調(diào)控的方式存在很多局限，因為外加電壓不能太大，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公式表示為(“Dyadic Green’s functions and guidedsurface waves for a surface conductivity model of graphene, ” J. AppI. Phys.103(6)， 064302,2008),
π Ti(ω - J2T)』° ν δε6ε J
_ f °° fΛ-ε、- fdi￡) dc
Jo (ω - J2F)1 - 4(ε / 方)2 」，其中-e為電子電量，=為普朗克常數(shù)，fd ( ε ) = I/(1+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(xué)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(dǎo)率與化學(xué)勢有關(guān)，通過參雜方式可以改變石墨烯的化學(xué)勢，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)來調(diào)控表面等離子體極化波在金屬上的傳播，實現(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單有效，加工更方便。并且相對于金屬而言，石墨烯表面支持的表面等離子體極化波的損耗更小，場強局域性更好。

實用新型內(nèi)容技術(shù)問題為了解決通過外加電壓來調(diào)控表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播的方式在實際操作中的外加電壓不能過大，硅襯底與石墨烯的間隙的高低變化也有限度的許多限制，本實用新型提出了一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置，提供了另一種更簡單有效的調(diào)控表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播的方法，應(yīng)用此方法可以更簡便的實現(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。本實用新型采用如下技術(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，本實用新型具有以下優(yōu)點1，本實用新型利用介質(zhì)來調(diào)控表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播。現(xiàn)有技術(shù)中是通過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，再對電壓實施調(diào)控來實現(xiàn)的。然而，外加電壓受到很大的限制，不能太大，比如，對于300nm厚的二氧化硅襯底來說，當(dāng)電壓大于80V的時候，二氧化硅襯底就會被擊穿，當(dāng)二氧化硅襯底的厚度變小時，擊穿電壓會更小。但是在有些情況下，我們需要比較高的電壓來達(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，這時候采用傳統(tǒng)方法或裝置就無法對表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播實施調(diào)控。而本實用新型與此不同，本實用新型僅利用設(shè)置于石墨烯上的氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐，就可以實現(xiàn)對表面等離子體極化波在石墨烯上傳播的調(diào)控。例如，參見圖6，當(dāng)入射波為球面波，并在經(jīng)過氧化硅圓錐或氧化鋁圓錐下方的石墨烯時，就轉(zhuǎn)變成平面波；參見圖7，當(dāng)入射波為平面波，并在經(jīng)過氧化硅或氧化鋁圓錐下方的石墨烯時，就轉(zhuǎn)變成球面波。因此，本實用新型在對表面等離子體極化波在石墨烯上傳播實施調(diào)控時，無需外加電壓即可完成調(diào)控，從而避免了因為外加電壓不能過大所導(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小的限制。2，本實用新型利用介質(zhì)來調(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，再對電壓實施調(diào)控來實現(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不同，有些區(qū)域的二氧化硅的厚度會很厚，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，浪費了空間，而用介質(zhì)來調(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。避免了用電壓調(diào)控方式中存在的器件尺寸問題。3，本實用新型利用介質(zhì)來調(diào)控表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播，可以很方便的實現(xiàn)多種光學(xué)變換器件，易于加工制作。

圖I是本實用新型的原理圖，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10nm，半徑R為40nm的圓錐形的氧化硅11。此裝置放在空氣中。通過此設(shè)計的石墨烯不同區(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21。此裝置放在空氣中。通過此設(shè)計的石墨烯不同區(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，通過參雜使得石墨烯的介電常數(shù)為-46時，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，當(dāng)入射波為球面波，并在經(jīng)過氧化硅11圓錐下方的石墨烯時,就轉(zhuǎn)變成平面波。圖7是仿真結(jié)果圖，由圖可見，當(dāng)入射波為平面波，并在經(jīng)過氧化硅11圓錐下方的石墨烯時,就轉(zhuǎn)變成球面波。
具體實施方式
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Ex以及垂直于石墨烯表面的電場Ez，以及另一個方向上的Hy.通過解麥克斯韋方程組VxH = -i0SQsrEVxE = ωμ0μκ H我們可以得到區(qū)域I (z>do+d3):Hyl = Ae'pxe^hz
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)控裝置，其特征在于，包括支撐石墨稀(3)的基底(4),石墨稀(3),在石墨稀(3)的上表面上設(shè)有氧化招(21)圓維，在氧化招(21)圓錐上設(shè)有氧化硅(11)介質(zhì)層。
2.一種表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播調(diào)控裝置，其特征在于，包括支撐石墨稀(3)的基底(4)，石墨稀(3)，在石墨稀(3)的上表面上設(shè)有氧化娃(11)圓維，在氧化娃(11)圓錐上設(shè)有氧化鋁(21)介質(zhì)層。
專利摘要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。本實用新型能夠解決通過外加電壓來調(diào)控表面等離子體極化波在石墨烯上的傳播的方式在實際操作中的外加電壓不能過大，硅襯底與石墨烯的間隙的高低變化也有限度的許多限制的問題。
文檔編號G02F1/01GK202710877SQ20122014872
公開日2013年1月30日 申請日期2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月5日
發(fā)明者陸衛(wèi)兵, 朱薇, 許紅菊, 董正高 申請人:東南大學(xué)