本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于提高單層石墨烯對可見光吸收效率的光學(xué)結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

光電材料的吸收性能對于光電器件性能有著重要的影響。光伏器件、光電探測器等光電器件，都是依賴于光電材料將吸收的光轉(zhuǎn)化為電能或者電信號來實現(xiàn)其功能的。在轉(zhuǎn)化效率一定的情況下，吸收的光越多，產(chǎn)生的電能或者電信號的強(qiáng)度就越大，光電器件的整體效率就越高。

相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體光電材料，石墨烯在光電探測應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢，比如其具有獨特的電學(xué)特性(如：高的載流子迀移速率2.5×10⁵cm²V^-1s^-1)、機(jī)械特性(高的楊氏模量1TPa)、熱學(xué)性能(高的熱導(dǎo)率>3000WmK^-1)、光學(xué)特性(如：太赫茲的自由載流子響應(yīng)，近紅外、可見光的寬帶普遍吸收特性以及飽和吸收等非線性光學(xué)性質(zhì))、具有多種衍生物(如：氧化石墨烯、還原氧化石墨烯以及石墨烯和有機(jī)高分子的雜化材料等)和電學(xué)光學(xué)的可調(diào)控特性(如：門電壓、化學(xué)摻雜等方法)。然而，單層石墨烯厚度只有0.34nm，僅能吸收約2.3％的可見光和紅外光，這個值并不依賴入射光波長和材料本身，因此限制了石墨烯在可見、近紅外波段的應(yīng)用。

為了增強(qiáng)石墨烯的光吸收，人們提出了利用諧振腔、表面等離激元共振、多層介質(zhì)相干吸收、波導(dǎo)-光柵導(dǎo)模共振等方式，并取得了顯著的效果。其中，表面等離激元在增強(qiáng)光電材料的吸收方面尤為引人注目等。但傳統(tǒng)的表面等離激元材料主要是金、銀等貴金屬，這些材料成本較高，而且與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料制作工藝不兼容，使得其在太陽能電池、光電探測器等光電器件中的應(yīng)用受到很大限制。對于諧振腔結(jié)構(gòu)，通常是在石墨烯的上下表面都形成合理的反射膜，這樣入射的光就會在上下鏡面膜層之間形成多次振蕩，進(jìn)而使得光多次穿過石墨烯平面，大大增強(qiáng)石墨烯光學(xué)吸收。但是，此類諧振腔方法要求每層鍍膜的材料和厚度都必須根據(jù)所要使用的入射光波長去進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這就使得吸收增強(qiáng)的波長范圍變小。

波導(dǎo)-光柵共振方法是將石墨烯器件平鋪在波導(dǎo)-光柵上，讓石墨烯和波導(dǎo)-光柵表面充分接觸。當(dāng)在光柵結(jié)構(gòu)中引入光后，滿足特定條件的光波能夠激發(fā)波導(dǎo)中導(dǎo)波模式，光就會與石墨烯充分作用，形成非常強(qiáng)的光學(xué)吸收。由于波導(dǎo)內(nèi)光幾乎不損失，所以這種方法幾乎可以實現(xiàn)光的100％吸收。但是這種方法首先需要刻蝕工藝制備亞波長光柵結(jié)構(gòu)，且多采用機(jī)械剝離的石墨烯和波導(dǎo)形式，工藝比較復(fù)雜、困難，因此不適合實際生產(chǎn)應(yīng)用。另外更為重要的是，以上涉及的吸收增強(qiáng)方式及對應(yīng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)均有著很強(qiáng)的偏振依賴性，通常只在某一偏振(橫電TE或者橫磁TM)狀態(tài)下有響應(yīng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種用于提高單層石墨烯對可見光吸收效率的光學(xué)結(jié)構(gòu)。通過在棱鏡表面涂覆兩層電介質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)，能夠使石墨烯與倏逝波充分相互作用，提高單層石墨烯的吸收效率，在可見光波段將單層石墨烯對電磁波的吸收率提高至100％。同時實現(xiàn)對單層石墨烯吸收特性的調(diào)控，拓展其在可調(diào)光譜選擇性探測等領(lǐng)域的應(yīng)用。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種用于提高單層石墨烯對可見光光吸收效率的光學(xué)結(jié)構(gòu)，自上而下依次是石墨烯層、波導(dǎo)層、光學(xué)透明層、棱鏡。

所述單層石墨烯起到吸收的作用，波導(dǎo)層起到的作用是增強(qiáng)倏逝波的傳播，光學(xué)透明層的作用是用于將棱鏡和覆蓋有石墨烯與光學(xué)透明層的玻璃片相貼合，并優(yōu)化兩者貼合時由于折射率變化帶來的光傳播變化，三棱鏡的作用是供全反射。

進(jìn)一步地，所述單層石墨烯為單層非摻雜石墨烯。

進(jìn)一步地，所述波導(dǎo)層為石英片，是具有一定厚度的能夠轉(zhuǎn)移石墨烯的襯底材料，包括二氧化硅(SiO₂)、氧化鎂(MgO)、二氟化鎂(MgF₂)、二氧化鈦(TiO₂)、五氧化二鈮(Nb₂O₅)、二氧化鉿(HfO₂)中的一種。

進(jìn)一步地，所述光學(xué)透明層包括透明氟樹脂(Cytop)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、環(huán)烯烴聚合物(COP)、四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、氟乙烯丙烯中的一種。

進(jìn)一步地，所述的棱鏡包括BK7/K9、熔融石英、氟化鈣(CaF₂)、氟化鎂(MgF₂)中的一種。

當(dāng)入射光經(jīng)過棱鏡入射到光學(xué)結(jié)構(gòu)上時，如果入射光入射角度大于全內(nèi)反射臨界角時在玻璃片和石墨烯界面處發(fā)生全內(nèi)反射，此時石墨烯對光的吸收具有顯著的增強(qiáng)和偏振依賴性。但是由于玻璃片(波導(dǎo)層)的存在，在一定條件下，玻璃片薄層中的導(dǎo)波以倏逝場的形式與石墨烯相互作用，由于光場是沿波導(dǎo)傳播的，而且在TE與TM偏振下均會存在波導(dǎo)模式，因此這種結(jié)構(gòu)下不僅石墨烯與光的相互作用距離得到增強(qiáng)，而且光吸收增強(qiáng)不具有偏振依賴性。

本發(fā)明所提供的基于提高單層石墨烯對可見光光吸收效率的光學(xué)結(jié)構(gòu)的制備方法,包括以下步驟：

(1)將單層石墨烯轉(zhuǎn)移至潔凈的玻璃上，利用玻璃片將有石墨烯薄膜的銅箔處理平整；

(2)將PET-硅膠層貼附到銅箔上；

(3)將PET-硅膠/石墨烯/銅箔放入濃度為0.1g/ml的FeCl₃水溶液中，浸泡1小時，然后將樣品靜置,直到溶液將其所在區(qū)域銅箔腐蝕完全，最終石墨烯會在溶液重力和范德瓦爾斯力的共同作用下與目標(biāo)襯底粘附，最終留下PET-硅膠/石墨烯結(jié)構(gòu)；

(4)利用濃度為1mol/L稀鹽酸溶液浸泡20分鐘后，用去離子水反復(fù)對PET-硅膠/石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗，去除殘留的Fe³⁺離子之后，將清洗干凈的襯底取出，并用氮氣將之吹干；

(5)將PET-硅膠/石墨烯結(jié)構(gòu)緊貼到石英片上待緊貼后,將PET-硅膠層揭起,就得到了石英片基底的石墨烯；

(6)將附有石墨烯的石英片通過透明氟樹脂貼合到棱鏡上。

本發(fā)明基于以下兩方面原理：

(1)當(dāng)入射光照射到三棱鏡上時，在滿足全內(nèi)反射的情況下，光波將會沿反射面?zhèn)鞑ヒ欢ň嚯x，即古斯?jié)h欣位移。如果我們將石墨烯置于該反射面上，在全內(nèi)反射下光與石墨烯的作用距離就會得以增加，同時這種結(jié)構(gòu)下的作用將依賴于光的偏振。當(dāng)光在全內(nèi)反射條件時，由于古斯?jié)h欣位移的影響，石墨烯對不同入射偏振光具有不同的吸收。發(fā)生全內(nèi)反射時，與TM波相比較，TE波與石墨烯的相互作用更強(qiáng)，因而光學(xué)吸收率更大；

(2)具有一定厚度的玻璃片在此處的作用是提供導(dǎo)波模式，將石墨烯轉(zhuǎn)移至波導(dǎo)表面后，波導(dǎo)中傳播的光以倏逝波的形式與石墨烯相互作用，由于光場是沿波導(dǎo)傳播的，因此這種結(jié)構(gòu)下石墨烯與光的相互作用距離增強(qiáng)，這樣通過調(diào)控波導(dǎo)厚度、折射率等參數(shù)來控制石墨烯對光的吸收，包括吸收波長、角度以及強(qiáng)度等。另外，通過靜電摻雜的方式控制石墨烯的費米能級，也能夠利用外加電源控制石墨烯的共振吸收(包括吸收增強(qiáng)的波長位置和增強(qiáng)的幅度等)，進(jìn)而實現(xiàn)對單層石墨烯光譜響應(yīng)的控制。

有益效果與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有以下優(yōu)勢：

(1)本發(fā)明通過在Kretschmann棱鏡與石墨烯之間引入波導(dǎo)層與類折射率匹配層，改變石墨烯與光的相互作用方式，不僅可以增強(qiáng)石墨烯與光的相互作用，提高單層石墨烯對可見光的吸收，而且增強(qiáng)吸收對偏振無依賴；

(2)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，適合大面積石墨烯的應(yīng)用；

(3)本發(fā)明可以應(yīng)用于可見至紅外范圍內(nèi)的寬帶光波吸收；

(4)石墨烯可以與傳統(tǒng)的工藝兼容，同時，利用石墨烯的電場效應(yīng)，通過靜電摻雜的方式，可以實現(xiàn)對石墨烯二維材料吸收性能的有效調(diào)控。

附圖說明

圖1是用于增強(qiáng)單層石墨烯光吸收的結(jié)構(gòu)示意圖(1-單層石墨烯，2-波導(dǎo)層，3-光學(xué)透明層，4-棱鏡)；

圖2為本發(fā)明實施例的吸收增強(qiáng)效果圖，展示在TM與TE偏振狀態(tài)下對應(yīng)的石墨烯增強(qiáng)吸收率曲線；

圖3是本發(fā)明實施例的吸收增強(qiáng)效果圖，展示在波導(dǎo)層厚度(t₂)變化時，TE偏振狀態(tài)下的石墨烯增強(qiáng)吸收率曲線；

圖4是本發(fā)明實施例的吸收增強(qiáng)效果圖，展示在波導(dǎo)層厚度(t₂)變化時，TM偏振狀態(tài)下的石墨烯增強(qiáng)吸收率曲線。

具體實施方式

下面結(jié)合具體的實施例和附圖進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但本發(fā)明的實施方式不限于此。

本發(fā)明利用全內(nèi)反射以及波導(dǎo)效應(yīng)來控制單層石墨烯微納結(jié)構(gòu)對于可見光的吸收。

圖1所示為本發(fā)明提供的基于Kretschmann棱鏡的石墨烯吸收增強(qiáng)結(jié)構(gòu)示意圖。自上而下依次是單層石墨烯層、波導(dǎo)層(玻璃片)、光學(xué)透明層、棱鏡。

上述提供的用于增強(qiáng)單層石墨烯吸收的結(jié)構(gòu)，可以通過標(biāo)準(zhǔn)的加工工藝進(jìn)行制備。以圖中結(jié)構(gòu)為例，核心過程在于將單層石墨烯轉(zhuǎn)移到石英片上。具體包括以下幾個步驟：

(1)將單層石墨烯轉(zhuǎn)移至潔凈的玻璃上，利用玻璃片將有石墨烯薄膜的銅箔處理平整；

(2)將PET-硅膠層貼附到銅箔上；

(3)將PET-硅膠/石墨烯/銅箔放入濃度為0.1g/ml的FeCl₃水溶液中，浸泡1小時，然后將樣品靜置,直到溶液將其所在區(qū)域銅箔腐蝕完全，最終石墨烯會在溶液重力和范德瓦爾斯力的共同作用下與目標(biāo)襯底粘附，最終留下PET-硅膠/石墨烯結(jié)構(gòu)；

(4)利用濃度為1mol/L稀鹽酸溶液浸泡20分鐘后，用去離子水反復(fù)對PET-硅膠/石墨烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行清洗，去除殘留的Fe³⁺離子之后，將清洗干凈的襯底取出，并用氮氣將之吹干；

(5)將PET-硅膠/石墨烯結(jié)構(gòu)緊貼到石英片上待緊貼后,將PET-硅膠層揭起,就得到了石英片基底的石墨烯；

(6)將附有石墨烯的石英片通過透明氟樹脂貼合到棱鏡上。

上述制備方法無需有機(jī)物介入，操作簡便，避免了有機(jī)殘留物對石墨烯材料質(zhì)量和器件性能的損害。該方法在以石墨烯為功能單元的新型光電器件方面有廣泛的應(yīng)用前景。

本發(fā)明基于用于提高單層石墨烯光吸收結(jié)構(gòu)的效果檢測試驗：

(1)對于TE和TM偏振模式的入射偏振光，波長為633nm，入射角度范圍在50°至60°范圍內(nèi)，對光的吸收均得到較大提高，見圖2。此時單層石墨烯的厚度為0.34nm，光學(xué)透明層t₁的厚度為0.65μm，波導(dǎo)層t₂的厚度為1.4μm。在Kretschmann棱鏡結(jié)構(gòu)表面轉(zhuǎn)移單層石墨烯，可以觀察到明顯的共振吸收峰，最大的吸收率達(dá)到了100％，比沒有石墨烯吸收層時增強(qiáng)了43.5倍。

(2)圖3為本發(fā)明實施例中，用于增強(qiáng)單層石墨烯吸收的微納結(jié)構(gòu)中波導(dǎo)層厚度(t₂)不同時，TE偏振狀態(tài)下，分別對應(yīng)的吸收率曲線。此時，光學(xué)透明層厚度t₁固定在0.65μm，從圖上可以看出，當(dāng)t₂＝0.3μm時，在50°至60°入射角范圍內(nèi)，只有一個最大吸收峰，出現(xiàn)在50.3°附近，最大吸收率約為96％。

(3)當(dāng)光學(xué)透明層厚度t₁固定在0.65μm，當(dāng)t₂增大到0.8μm、1.3μm、1.8μm時，在50°至60°入射角范圍內(nèi)，TE偏振狀態(tài)下，會分別出現(xiàn)2、3、4個吸收峰，與沒有石墨烯層的結(jié)構(gòu)相比，吸收率均得到很大提高。

(4)圖4為本發(fā)明實施例中，用于增強(qiáng)單層石墨烯吸收的微納結(jié)構(gòu)中波導(dǎo)層厚度(t₂)不同時，TM偏振狀態(tài)下，分別對應(yīng)的吸收率曲線。此時，光學(xué)透明層厚度t₁固定在0.65μm，從圖上可以看出，當(dāng)t₂＝0.3μm時，在50°至60°入射角范圍內(nèi)，只有一個最大吸收峰，出現(xiàn)在52.2°附近，最大吸收率約為38％。

(5)當(dāng)光學(xué)透明層厚度t₁固定在0.65μm，當(dāng)t₂增大到0.8μm、1.3μm、1.8μm時，在50°至60°入射角范圍內(nèi)，TM偏振狀態(tài)下，會分別出現(xiàn)2、3、4個吸收峰，與沒有石墨烯層的結(jié)構(gòu)相比，吸收率均得到很大提高。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明精神實質(zhì)與原理下所做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。