本發(fā)明屬于光電技術(shù)領(lǐng)域，具體地講，涉及一種基于石墨烯二維超材料的功能器件。

背景技術(shù)：

二維超材料又稱為超表面，其是由分立的、具有不同散射相位的散射體按照一定的規(guī)則排布而形成的功能器件。這種新穎的功能器件的設(shè)計(jì)理念首先是由Yu Nanfang等在Science期刊第334卷333頁(yè)提出的。

通過(guò)設(shè)定層面內(nèi)散射體的相位突變空間分布規(guī)則，超表面不僅能實(shí)現(xiàn)如異常反射/透射界面、會(huì)聚/發(fā)散透鏡、全息成像及旋光等傳統(tǒng)功能，還能產(chǎn)生反常光子自旋霍爾效應(yīng)等新奇的光學(xué)現(xiàn)象，這是傳統(tǒng)光學(xué)器件所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。然而大多數(shù)二維超材料都基于金屬或介質(zhì)結(jié)構(gòu)，它們一經(jīng)制備功能就固定不變，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)。

石墨烯在中遠(yuǎn)紅外及太赫茲波段的電磁特性受其費(fèi)米能級(jí)(載流子濃度)影響很大，因此可通過(guò)外加偏壓控制注入載流子濃度及其電磁特性。2013年，Carraso等在Applied Physics Letters第102卷104103頁(yè)說(shuō)明了用石墨烯塊設(shè)計(jì)可重構(gòu)的反射陣列的可行性。之后，Advanced Optical Materials第2卷794頁(yè)、Scientific Reports第5卷12423頁(yè)、Applied Physics Letters第107卷053105頁(yè)分別介紹了用一維石墨烯條帶設(shè)計(jì)的異常反射界面、會(huì)聚透鏡和光束掃描器件的工作。

然而之前文獻(xiàn)中報(bào)道的石墨烯超材料，僅可實(shí)現(xiàn)一維電磁特性調(diào)控，并且每個(gè)石墨烯條帶需獨(dú)立偏置電壓以調(diào)制其散射相位，其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)很難實(shí)現(xiàn)。此外，由于石墨烯條帶的散射場(chǎng)強(qiáng)不同而引起的高階衍射效應(yīng)，以及歐姆損耗，導(dǎo)致這些石墨烯超材料的轉(zhuǎn)換效率均很低，極大地限制了石墨烯超材料的應(yīng)用空間。

因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待改進(jìn)和發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于石墨烯二維超材料的功能器件，其包括在襯底上順序設(shè)置的反射層、介質(zhì)層以及石墨烯微納結(jié)構(gòu)層，其中，所述石墨烯微納結(jié)構(gòu)層包括排布的多個(gè)石墨烯組合單元，每一個(gè)石墨烯組合單元包括排列的多個(gè)石墨烯散射單元，所述多個(gè)石墨烯散射單元的結(jié)構(gòu)彼此相同。

進(jìn)一步地，所有石墨烯散射單元的費(fèi)米能級(jí)通過(guò)單一電極調(diào)控。

進(jìn)一步地，所述石墨烯散射單元為矩形結(jié)構(gòu)或橢圓形結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，當(dāng)所述石墨烯散射單元為矩形結(jié)構(gòu)時(shí)，所述多個(gè)石墨烯組合單元以陣列排布的方式進(jìn)行排布。

進(jìn)一步地，所述多個(gè)石墨烯散射單元的排列方式具體為：沿著第一方向，以所述石墨烯散射單元的長(zhǎng)度方向與所述第一方向的夾角依次遞增π/8的排列方式間隔排列所述多個(gè)石墨烯散射單元。

進(jìn)一步地，所述功能器件為太赫茲波分光器。

進(jìn)一步地，當(dāng)所述石墨烯散射單元呈橢圓形結(jié)構(gòu)時(shí)，所述多個(gè)石墨烯組合單元沿著第二方向間隔排布。

進(jìn)一步地，所述多個(gè)石墨烯散射單元沿著第一方向間隔排列，其中，第i個(gè)石墨烯散射單元的長(zhǎng)軸方向與所述第一方向的夾角θ_i滿足式子1，

[式子1]

其中，λ₀表示入射光的波長(zhǎng)，f₀為一預(yù)定值，x_i表示第i個(gè)石墨烯散射單元的位置坐標(biāo)值。

進(jìn)一步地，所述多個(gè)石墨烯組合單元沿著第二方向間隔排布。

進(jìn)一步地，所述功能器件為太赫茲波平面會(huì)聚反射陣列器件。

進(jìn)一步地，所述反射層為金屬反射層。

本發(fā)明的有益效果：在本發(fā)明中，通過(guò)改變石墨烯散射單元的排列方式，可以實(shí)現(xiàn)不同功能的功能器件。在這些功能器件中，通過(guò)利用單電極統(tǒng)一調(diào)制石墨烯散射單元的費(fèi)米能級(jí)，以調(diào)控石墨烯散射單元的共振頻率，結(jié)合石墨烯的高遷移率特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)調(diào)控。此外，由于在石墨烯二 維超材料中產(chǎn)生PB相移的反射光強(qiáng)很大，因此可獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。

附圖說(shuō)明

通過(guò)結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，本發(fā)明的實(shí)施例的上述和其它方面、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的石墨烯二維超材料基本單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的基于石墨烯二維超材料的功能器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是圖3的俯視圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的太赫茲波分光器的反射角與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系圖；

圖6是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的太赫茲波分光器在不同費(fèi)米能級(jí)下其異常反射光的光譜；

圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的基于石墨烯二維超材料的功能器件的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是圖7的俯視圖；

圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的太赫茲波平面會(huì)聚反射器件的聚焦光強(qiáng)分布圖。

具體實(shí)施方式

以下，將參照附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。然而，可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為限制于這里闡述的具體實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例是為了解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種實(shí)施例和適合于特定預(yù)期應(yīng)用的各種修改。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的石墨烯二維超材料基本單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的石墨烯二維超材料基本單元包括：順序設(shè)置在襯底110上的反射層120、介質(zhì)層130和石墨烯散射單元140。在本實(shí)施例 中，可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的光刻、電子束光刻、刻蝕等微納加工方法制作石墨烯散射單元140。

反射層120的厚度至少為100納米，其對(duì)中遠(yuǎn)紅外光及太赫茲波的反射率要高于95％。在本實(shí)施例中，反射層120可以為金屬反射層，其制作材料可包括但不限于金、銀、鋁、銅；但本發(fā)明并不限制于此。例如反射層120也可以為介質(zhì)反射層。

介質(zhì)層130不應(yīng)對(duì)中遠(yuǎn)紅外光及太赫茲波有較強(qiáng)的吸收。在本實(shí)施例中，介質(zhì)層130的對(duì)中遠(yuǎn)紅外光及太赫茲波吸收率應(yīng)不大于30％。此外，介質(zhì)層130既可以采用二氧化硅、二氧化鈦和氟化鎂等常用光學(xué)介質(zhì)材料，又可采用PMMA或樹(shù)脂等有機(jī)聚合物材料制成。

圖2是圖1的俯視圖。參照?qǐng)D2，在本實(shí)施例中，石墨烯散射單元140呈矩形結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明并不限制于此，例如，石墨烯散射單元140也可呈橢圓形結(jié)構(gòu)、H形結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，石墨烯散射單元140的長(zhǎng)寬比約為2∶1。在XY坐標(biāo)系中，石墨烯散射單元140的長(zhǎng)度方向與X軸方向具有一定的夾角θ。另外，需要說(shuō)明的是，本申請(qǐng)中所說(shuō)的“矩形結(jié)構(gòu)”和“橢圓形結(jié)構(gòu)”是指：石墨烯散射單元在圖2、圖4或圖8示意的俯視角度觀測(cè)到的形狀為矩形和橢圓形。

此外，在本實(shí)施中，石墨烯散射單元140的最大線徑介于100nm～20μm之間，具體根據(jù)設(shè)計(jì)的調(diào)制波段選擇。一般情況下，設(shè)計(jì)的調(diào)制波段位于散射共振頻率附近。散射共振頻率其中，L為石墨烯散射單元140的最大線徑。

參照?qǐng)D1和圖2，在坐標(biāo)系XY內(nèi)，當(dāng)圓偏振光A入射時(shí)，其將同時(shí)受到石墨烯散射單元140的散射和金屬層120和介質(zhì)層130的共同反射作用。以圓偏振光A為左旋圓偏振光為例，實(shí)際散射光的偏振特性將發(fā)生改變，散射光中同時(shí)含有左旋和右旋成分，散射場(chǎng)可以視為左旋和右旋偏振光的線性疊加。

進(jìn)一步地，當(dāng)左旋圓偏振光入射時(shí)，散射場(chǎng)中右旋圓偏振光將會(huì)有2θ的幾何相位突變。若圓偏振光A以右旋圓偏振光為例，同樣地，當(dāng)右旋圓偏振光入射，則散射場(chǎng)中的左旋圓偏振光將獲得-2θ的幾何相位突變，這種幾何相位稱為PB(Pancharatnam-Berry)相位。

這樣，在散射場(chǎng)中，僅具有相位突變的正交偏振光可實(shí)現(xiàn)石墨烯二維超材料的空間相移分布，因此這部分光的能量比例是石墨烯二維超材料的轉(zhuǎn)換效率。 進(jìn)一步地，在本實(shí)施例中，可通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)層130的厚度來(lái)提高該轉(zhuǎn)換效率。理論上，無(wú)能量損耗時(shí)可實(shí)現(xiàn)100％的轉(zhuǎn)換效率。

通過(guò)控制多個(gè)石墨烯散射單元140的排列方式，以形成不同的功能器件。在這些不同的功能器件中，所有石墨烯散射單元140的費(fèi)米能級(jí)通過(guò)單一電極調(diào)控。以下將對(duì)基于石墨烯二維超材料的功能器件進(jìn)行描述。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的基于石墨烯二維超材料的功能器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖3的俯視圖。

參照?qǐng)D3和圖4，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的基于石墨烯二維超材料的功能器件包括：在襯底110上的反射層120、介質(zhì)層130以及石墨烯微納結(jié)構(gòu)層200，其中，石墨烯微納結(jié)構(gòu)層200包括排布的多個(gè)石墨烯組合單元210，每一個(gè)石墨烯組合單元210包括排列的多個(gè)石墨烯散射單元140，所述多個(gè)石墨烯散射單元140的結(jié)構(gòu)彼此相同。

具體而言，多個(gè)石墨烯組合單元210以陣列排布的方式進(jìn)行排布。每個(gè)石墨烯散射單元140都呈矩形結(jié)構(gòu)。為了使所有石墨烯散射單元140的費(fèi)米能級(jí)通過(guò)單一電極調(diào)控，在本實(shí)施例中，例如可在石墨烯微納結(jié)構(gòu)層200上設(shè)置一透明電極層，通過(guò)向該透明電極層通電來(lái)調(diào)控所有的石墨烯散射單元140。在本實(shí)施例中，該透明電極層可由氧化銦錫(ITO)制成，但本發(fā)明并不限制于此。

在本實(shí)施例中，針對(duì)每一個(gè)石墨烯組合單元210，其包括的多個(gè)石墨烯散射單元140的排列方式具體為：沿著第一方向以?shī)A角θ依次遞增π/8的排列方式間隔排列多個(gè)石墨烯散射單元140，即排列8個(gè)石墨烯散射單元140，這樣PB相位依次遞增4/8；其中，石墨烯散射單元140的長(zhǎng)度方向與第一方向具有一定的夾角θ。在本實(shí)施例中，在XY坐標(biāo)系中，X軸方向表示第一方向，Y軸方向表示第二方向。

這樣，根據(jù)以上描述的石墨烯散射單元140的排列方式形成的功能器件為太赫茲波分光器。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解的是，通過(guò)改變石墨烯散射單元140的排列方式，可以形成預(yù)先設(shè)計(jì)的功能器件。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的太赫茲波分光器的反射角與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系圖。參照?qǐng)D5，當(dāng)圓偏振太赫茲波正入射時(shí)，其正交偏振光會(huì)發(fā)生異常反射現(xiàn)象，異常反射角度α＝arcsin(λ/Γ)，其中，λ為太赫茲波波長(zhǎng)，Γ為石墨烯組合單元210的長(zhǎng)度。在本實(shí)施例中，針對(duì)不同波長(zhǎng)的太赫茲波的異常反射角度， 有限元仿真結(jié)果與理論設(shè)計(jì)結(jié)果相符。由此可知，太赫茲波分光器能將不同頻率的太赫茲波反射到不同方向上。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的太赫茲波分光器在不同費(fèi)米能級(jí)下其異常反射光的光譜。參照?qǐng)D6，只有接近石墨烯散射單元140電偶極共振頻率的太赫茲波才能被有效地散射，且通過(guò)調(diào)制石墨烯的載流子濃度(費(fèi)米能級(jí))，石墨烯散射單元140的電偶極共振頻率將移動(dòng)，因此可通過(guò)電學(xué)方法實(shí)現(xiàn)太赫茲波的頻譜選擇功能。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的基于石墨烯二維超材料的功能器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是圖7的俯視圖。

參照?qǐng)D7和圖8，根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的基于石墨烯二維超材料的功能器件包括：在襯底110上的反射層120、介質(zhì)層130以及石墨烯微納結(jié)構(gòu)層300，其中，石墨烯微納結(jié)構(gòu)層300包括排布的多個(gè)石墨烯組合單元310，每一個(gè)石墨烯組合單元310包括排列的多個(gè)石墨烯散射單元140，所述多個(gè)石墨烯散射單元140的結(jié)構(gòu)彼此相同。

具體而言，所述多個(gè)石墨烯組合單元310沿著第二方向周期性間隔排布。每個(gè)石墨烯散射單元140都呈橢圓形結(jié)構(gòu)。為了使所有石墨烯散射單元140的費(fèi)米能級(jí)通過(guò)單一電極調(diào)控，在本實(shí)施例中，例如可在石墨烯微納結(jié)構(gòu)層200上設(shè)置一透明電極層，通過(guò)向該透明電極層通電來(lái)調(diào)控所有的石墨烯散射單元140。在本實(shí)施例中，該透明電極層可由氧化銦錫(ITO)制成，但本發(fā)明并不限制于此。

在本實(shí)施例中，針對(duì)每一個(gè)石墨烯組合單元310，其包括的多個(gè)石墨烯散射單元140的排列方式具體為：所述多個(gè)石墨烯散射單元140沿著第一方向間隔排列，其中，第i個(gè)石墨烯散射單元140的長(zhǎng)軸方向與第一方向的夾角θ_i滿足式子1，

[式子1]

其中，λ₀表示入射光的波長(zhǎng)，f₀為一預(yù)定值，x_i表示第i個(gè)石墨烯散射單元的位置坐標(biāo)值。

這樣，根據(jù)以上描述的石墨烯散射單元140的排列方式形成的功能器件為太赫茲波平面會(huì)聚反射器件。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)理解的是，通過(guò)改變石墨烯散射單元 140的排列方式，可以形成預(yù)先設(shè)計(jì)的功能器件。

進(jìn)一步地，所述的太赫茲波平面會(huì)聚反射器件能將入射的太赫茲波會(huì)聚于一條平行于Y軸的直線上。若將石墨烯散射單元140按旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的方式排列，太赫茲波能夠會(huì)聚于一點(diǎn)，因此可根據(jù)實(shí)際需求合理排列石墨烯散射單元140。

預(yù)先對(duì)太赫茲波平面會(huì)聚反射器件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其焦距被預(yù)先設(shè)定為300μm，即f₀為300μm；每個(gè)石墨烯組合單元310被設(shè)計(jì)為包括50個(gè)石墨烯散射單元140，并且每個(gè)石墨烯散射單元140的長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度分別為4μm和2μm；相鄰兩個(gè)石墨烯散射單元140之間的間隔為8μm；入射的太赫茲波的波長(zhǎng)為58μm。

參照?qǐng)D8和圖9對(duì)預(yù)先設(shè)計(jì)的太赫茲波平面會(huì)聚反射器件的聚焦光強(qiáng)分布進(jìn)行說(shuō)明。圖9是根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例的太赫茲波平面會(huì)聚反射器件的聚焦光強(qiáng)分布圖。

參照?qǐng)D8和圖9，即使在如此小的數(shù)值孔徑下，太赫茲波平面會(huì)聚反射器件的焦點(diǎn)附近的光強(qiáng)度仍增強(qiáng)了5倍，表明基于石墨烯二維超材料的功能器件具有很高的轉(zhuǎn)換效率。

綜上所述，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，通過(guò)改變石墨烯散射單元的排列方式，可以實(shí)現(xiàn)不同功能的功能器件。在這些功能器件中，通過(guò)利用單電極統(tǒng)一調(diào)制石墨烯散射單元的費(fèi)米能級(jí)，以調(diào)控石墨烯散射單元的共振頻率，結(jié)合石墨烯的高遷移率特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)調(diào)控。此外，由于在石墨烯二維超材料中產(chǎn)生PB相移的反射光強(qiáng)很大，因此可獲得較高的轉(zhuǎn)換效率。

雖然已經(jīng)參照特定實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解：在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在此進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。