基于石墨烯‑介质‑金属层状结构的纳米器件制造技术

本实用新型专利技术公开了一种基于石墨烯‑介质‑金属层状结构的纳米器件，该转换器包括该偏振转换器由多个偏振三维单元组成，多个偏振三维单元呈水平放置，且多个偏振三维单元的上下表面均在同一个水平面上；每个偏振三维单元包括位于最底层的金层、位于中间层的二氧化硅隔离层和位于最上面层的石墨烯层，金层、二氧化硅隔离层和石墨烯层三者由下至上依次固定，且石墨烯层上开设有多个打孔。本实用新型专利技术该结构的改进，使得该偏振转换器在工作频段内有三个可工作频率，在每个工作频率处的偏振转化率在75％以上，而且其中两个工作频率接近100％，且偏振工作频带可调谐。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及光电子
，尤其涉及一种基于石墨烯-介质-金属层状结构的纳米器件。
技术介绍
以微纳米技术制造的光电子器件，其性能大大优于传统的电子器件，其具有如下优势：1.工作速度快，纳米光电子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可使产品性能大幅度提高。2.功耗低，微纳米光电子器件的功耗仅为硅器件的1/1000。而随着中红外(波长3-30μm)科学和技术的快速发展，对该波段的关键性微纳器件，包括激光器、探测器、调制器以及各类功能器件的需求也在不断上升。偏振转换器是中红外技术的其中一项关键器件。电磁超材料由于能够通过结构、尺寸和材料等选择对中红外波的振幅、相位、偏振以及传播实现灵活多样的控制，提供了一种实现不同类型和参数中红外偏振转换器件的有效途径。对于中红外波偏振态的调控，可以利用超材料的各向异性、手性和双各向异性实现中红外波偏振形态的改变，即实现偏振转换。现有技术中，Hua Cheng等人提出一种基于L-型等离子体平面天线的偏振转换器。该技术方案采用L-型石墨烯，实现了可在单个频率垂直方向的线偏振光的转换。Jun Ding等人曾基于提出另一种基于L型等离子体平面天线的偏振转换器。该技术方案采用单层石墨烯的L型挖槽，实现了两个频率的垂直方向的线偏振光的转换。但是目前的市面上还不存在中红外多频率可调谐偏振转换器，而且不能实现三个频率同时工作。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，从而证实它可以单独存在， 从此学术界和工程界开始了对石墨烯应用的探索。作为一种电磁超材料，石墨烯已成为中红外
的研究热点。偏振转化率的英文缩写为PCR，英文为polarization conversion ratio。
技术实现思路
针对上述技术中存在的不足之处，本技术提供一种三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，该偏振转换器在工作频段内有三个可工作频率，在每个工作频率处的偏振转化率在75％以上，而且其中两个工作频率接近100％，且偏振工作频带可调谐。为实现上述目的，本技术提供一种基于石墨烯-介质-金属层状结构的纳米器件，该纳米器件由多个偏振三维单元组成，多个偏振三维单元呈水平放置，且多个偏振三维单元的上下表面均在同一个水平面上；每个偏振三维单元包括位于最底层的金层、位于中间层的二氧化硅隔离层和位于最上面层的石墨烯层，所述金层、二氧化硅隔离层和石墨烯层三者由下至上依次固定，且所述石墨烯层上开设有多个打孔。其中，所述金层的厚度在0.1μm左右，所述二氧化硅隔离层的厚度为1.1μm，且其介电常数为2.1。其中，所述石墨烯层的制备方法为：将边长p＝0.175μm的正方形石墨烯，对称割去两块宽w＝65nm，长L＝140nm，相聚d＝10nm的长方形石墨烯后得到该石墨烯层。其中，所述宽w＝65nm，长L＝140nm，相聚d＝10nm的长方形石墨烯即为该打孔；且所述打孔为矩形状；且所述打孔与石墨烯层之间形成箭头结构。其中，在频率35THz-40.7THz的范围内，该偏振转换器的偏振转化率具有三个峰值；且这三个峰值分别为35THz、38THz和40.7THz。其中，所述峰值35THz的偏振转化率大约为80％；所述峰值38THz的偏振转化率接近100％，且所述峰值40.7THz的也偏振转化率接近100％。本技术的有益效果是：与现有技术相比，本技术提供的三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，偏振转换器由多个偏振三维单元组成，且每个偏振三维单元包括位于最底层的金层、位于中间层的二氧化硅隔离层 和位于最上面层的石墨烯层，石墨烯层上开设有多个打孔。该结构的改进，使得该偏振转换器在工作频段内有三个可工作频率，在每个工作频率处的偏振转化率在75％以上，而且其中两个工作频率接近100％，且偏振工作频带可调谐。附图说明图1为本技术中偏振三维单元的结构图；图2为本技术中三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器的结构图；图3为本技术中石墨烯层的结构图；图4为本技术中偏振转换器的PCR结果图；图5为本技术中偏振转换器的反射率效果图；图6为本技术中偏振转换器的费米能级调控后的PCR结果图；图7为本技术中偏振转换器SOP-A和SOP-B的吸收图。主要元件符号说明如下：1、偏振转换器 10、偏振三维单元101、金层 102、二氧化硅隔离层103、石墨烯层 1031、打孔。具体实施方式为了更清楚地表述本技术，下面结合附图对本技术作进一步地描述。请参阅图1-3，本技术的基于石墨烯-介质-金属层状结构的纳米器件，该纳米器件1由多个偏振三维单元10组成，多个偏振三维单元10呈水平放置，且多个偏振三维单元10的上下表面均在同一个水平面上；每个偏振三维单元10包括位于最底层的金层101、位于中间层的二氧化硅隔离层102和位于最上面层的石墨烯层103，金层101、二氧化硅隔离层102和石墨烯层103三者由下至上依次固定，且石墨烯层上开设有多个打孔1031。相较于现有技术的情况，本技术提供的三个频率工作可调谐的石墨烯偏振转换器，纳米器件1由多个偏振三维单元10组成，且每个偏振三维单 元10包括位于最底层的金层101、位于中间层的二氧化硅隔离层102和位于最上面层的石墨烯层103，石墨烯层103上开设有多个打孔1031。该结构的改进，使得该偏振转换器在工作频段内有三个可工作频率，在每个工作频率处的偏振转化率在75％以上，而且其中两个工作频率接近100％，且偏振工作频带可调谐。在本实施例中，金层101的厚度在0.1μm左右，二氧化硅隔离层102的厚度为1.1μm，且其介电常数为2.1。当然，本案中并不局限于上述的厚度，可以根据实际需要进行改进。图1是本技术基于矩形结构的偏振转化器的一个单元的三维示意图；实际的偏振转换器是以该单元为周期，向四周延伸的模型，如图2给出的3X3的效果。石墨烯层的结构比较复杂，石墨烯层103的制备方法为：将边长p＝0.175μm的正方形石墨烯，对称割去两块宽w＝65nm，长L＝140nm，相聚d＝10nm的长方形石墨烯后得到该石墨烯层。宽w＝65nm，长L＝140nm，相聚d＝10nm的长方形石墨烯即为该打孔；且打孔为矩形状；且打孔与石墨烯层之间形成箭头结构。最终得到的如图3所示。请进一步参阅图4，图4给出了PCR值，由图可知，在频率35THz-40.7THz的范围内，该偏振转换器的偏振转化率PCR具有三个峰值；且这三个峰值分别为35THz(A点)、38THz(B点)和40.7THz(C点)三个峰值。其中PCR峰值A大约为80％，峰值B、C的PCR接近100％，意味着这三个频率的入射光激发了矩形天线中的局域等离子体共振，共振峰处入射光绝大部分被天线吸收后通过表面的微纳结构辐射出垂直于原偏振方向的x方向线偏振光。图5给出了反射率的计算结果，可以看到，Rxx在三个频率有极小值，即在三个频率x偏振光被吸收。而Ryx在对应的三个频率有极大值，说明x偏光在这三个频率处转换为了y偏光。由此说明，通过此偏振转换器太赫兹光可以在三个频率发生偏振转换。本技术正是因为采用了箭头形本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于石墨烯‑介质‑金属层状结构的纳米器件，其特征在于，该纳米器件由多个偏振三维单元组成，多个偏振三维单元呈水平放置，且多个偏振三维单元的上下表面均在同一个水平面上；每个偏振三维单元包括位于最底层的金层、位于中间层的二氧化硅隔离层和位于最上面层的石墨烯层，所述金层、二氧化硅隔离层和石墨烯层三者由下至上依次固定，且所述石墨烯层上开设有多个打孔。

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯-介质-金属层状结构的纳米器件，其特征在于，该纳米器件由多个偏振三维单元组成，多个偏振三维单元呈水平放置，且多个偏振三维单元的上下表面均在同一个水平面上；每个偏振三维单元包括位于最底层的金层、位于中间层的二氧化硅隔离层和位于最上面层的石墨烯层...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨晨，张枫，
申请(专利权)人：安徽枫慧金属股份有限公司，
类型：新型
国别省市：安徽;34