一种中红外波段基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器
技术领域
本发明涉及一种中红外波段基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器，属于石墨烯材料在中红外波段谐振器件应用领域。
背景技术
电磁感应透明(EIT)是一种由量子干涉引起的吸收透射增强的现象，可以实现用电磁场控制材料的光学响应。这种现象首先在原子系统中被观察到，它可以在三能级系统中实现。原子EIT效应已经广泛应用于慢光、非线性光学等领域。但是，原子EIT效应的实现是很困难的，需要非常苛刻的环境和操作条件，这极大地限制了传统原子EIT的应用与发展。为了克服这些问题，人们研究出了类似于原子EIT系统的新的系统。而等离子体诱导透明(PIT)便是一种类EIT效应，引起了人们的广泛关注，并应用在传感、慢光、光学存储等领域。PIT效应的实现通常使用明暗模耦合，即利用明态模式和暗态模式之间直接的相消干涉产生。
中红外的频率主要是15—150THz(2μm—20μm)范围的光谱，中红外光谱在环境监测，传感和天文检测等各个领域具有非常巨大的潜力，因为许多材料的指纹落在该光谱区域。尤其是在传感领域，很多分子指纹分布在中红外波段内，这些分子指纹可以通过传感器非常精准地判断出来，这种特性让中红外波段传感器在近几年受到广泛的关注。但是，传统的传感器一般运用金属和半导体材料，具有较大的欧姆和辐射损耗，性能会受到严重的损耗，品质因数和灵敏度普遍较低。为了在中红外区域减少的损耗，等离子体激元共振(PFR)应当表现出高质量因子。该特征对于表面增强红外吸收(SEIRA)具有很强的作用，由于中红外指纹区域中的材料特异性振动吸收，可以提供分子信息。而等离子体诱导透明现象作为等离子体激元中一种共振形式，在中红外波段表现出了超高品质因数和高灵敏度，这表明了其在传感等领域具有巨大的潜力。
考虑到了结构难易等要求，本发明提出了一种基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器，可以为石墨烯等离子体激元结构的可调机制和高灵敏度器件的设计(例如，传感器，调制器和天线)提供重要前提。
近年来随着研究者们对石墨烯的研究，基于石墨烯的等离子体诱导透明效应也吸引了大家的关注。众所周知，基于传统金属超材料激发的等离子体透明效应，具有一个严重的缺点，即一旦制造结构，透明窗口的工作波长就固定了。而基于石墨烯的等离子体诱导透明效应，可以通过调控石墨烯的费米能级来控制透明窗口，因此在如慢光器件、传感器等领域展现了很大的应用潜力。本谐振器通过偏置调整单层石墨烯的费米能级，可以实现对谐振光谱进行动态调谐，这样可以使光学共振与分子振动指纹重叠。作为新型的石墨烯材料，其加工技术也得到了广大科研工作者的研究变得日趋的成熟，最常用的加工技术是CVD法。因此本发明具有重要的科学意义和实际应用价值，在中红外谐振领域实际应用中也有着一定的前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、能够在中红外波段方便地激发高性能等离子体诱导透明的基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器。
考虑到了结构难易等要求，本发明提出了一种基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器，为基于石墨烯等离子体激元结构的高可调性谐振器的发展提供了重要的帮助。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器，该谐振器为三维周期性结构，采用石墨烯圆环和石墨烯对称扇形盘结构用于激发等离子体诱导透明谐振；其特征在于：结构组成自下而上分别为一层掺杂硅基底层，一层氟化钙介质层，顶层为石墨烯圆环和石墨烯对称扇形盘结构。
本技术方案中的中红外波段等离子体诱导透明谐振器以石墨烯材料为基础，可以通过氧化石墨还原法来制作，器件的加工还包括光刻及刻蚀技术。本发明所述的石墨烯材料选用的费米能级能在0.5eV～1.0eV之间，这在实验上进行掺杂是很容易实现的。
本发明所述的有效增益是：
(1)本谐振器结构简单紧凑，能够在中红外波段激发出高性能的等离子体诱导透明谐振。
(2)本谐振器激发出的等离子体诱导透明的透明窗口非常尖锐，证明激发出了性能优异的等离子体诱导透明谐振。
(3)利用作为明态模式的石墨烯对称扇形盘和作为暗态模式的石墨烯圆环之间的相消干涉，从而激发出高性能的等离子体诱导透明谐振。
(4)本谐振器的激发出的等离子体诱导透明谐振可以通过添加偏振电压的方式来调节石墨烯的费米能级，从而改变等离子体诱导透明的谐振频率和谐振强度，以满足谐振器不同的需求。
附图说明
图1为该谐振器单元结构示意图；
图2为该谐振器顶部石墨烯结构结构示意图；
图3为该谐振器在不同石墨烯费米能级下等离子体诱导透明谐振的透射光谱；
图4为该谐振器在不同物质折射率下等离子体诱导透明谐振的透射光谱；
以上图片中含有：px＝py＝100nm，r1＝25nm，r2＝40nm，w＝10nm，θ＝150°，d＝20nm，h＝20nm。
附图标记说明：1-掺杂硅基底层；2-氟化钙介质层；3-石墨烯圆环；4-石墨烯对称扇形盘。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于该实施例。
附图1为基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器件的一个单元结构示意图。采用结构单元的长和宽为px与py，掺杂硅基底层的厚度为h，氟化钙介质层的厚度为d，石墨烯圆环和石墨烯对称扇形盘厚度为1nm，石墨烯对称扇形盘半径长度为r1，石墨烯圆环的半径长度为r2，石墨烯圆环的宽度为w，石墨烯圆环-对称扇形盘结构如附图2所示。
该谐振器的工作原理或工作过程可通过如下内容来解释。由于石墨烯材料具有非常高的电子迁移率特性，通过对石墨烯添加偏置电压，调节石墨烯的费米能级，增强了石墨烯层的电导率，使其呈现金属的性质，与氟化钙介质和空气介质作用激发出表面等离子体共振。在这里可以采用氧化石墨还原法制作一层厚度为1nm的石墨烯薄膜，再转移到氟化钙介质层上，通过掩膜光刻法得到石墨烯圆环-对称扇形盘阵列。为了调谐石墨烯的费米能级，在石墨烯层上方旋涂离子凝胶层，与掺杂硅基底层共同添加偏振电压，这种顶部门控的方法可以方便地调节石墨烯的费米能级。在中红外波段，当中红外电磁波垂直入射到石墨烯圆环-对称扇形盘表面时，可以直接激发石墨烯对称扇形盘中的表面等离子体激元(SPPs)，并在49.2THz附近产生偶极共振。而石墨烯圆环在49.2THz附近无法直接激发共振，但是利用石墨烯对称扇形盘的偶极共振可以在此频率点间接激发出石墨烯圆环的六级共振。此时石墨烯对称扇形盘和石墨烯圆环之间产生相消干涉，因此激发出等离子体诱导透明共振。而等离子体诱导透明共振的透明窗口具有高灵敏度和品质因数的特点，可以实现高性能的传感应用。当谐振器上方通入不同的气体或者滴上不同的液体，由于这些气体或液体的折射率不同，使得谐振器在中红外频段的谐振激发频率发生偏移，从而可以对这些气体或液体进行探测，最终实现传感应用。
附图3是在不同石墨烯费米能级EF下基于石墨烯的等离子体诱导透明谐振器的透射光谱。等离子体诱导透明共振的典型特征为非对称线型，即图中两个谐振谷和中间的透明窗口便表示激发出了典型的等离子体诱导透明共振。在透射光谱中，等离子体诱导透明共振的透明窗口越窄，证明激发出的共振越好，因此图中尖锐的透明窗口便证明激发出了性能优异的等离子体诱导透明共振。通过添加偏振电压的方法调节石墨烯的费米能级，随着石墨烯的费米能级从0.5eV(0.5电子伏特)提高到0.9eV(0.9电子伏特)，等离子体诱导透明共振的强度增强，即谐振处的透射率变化增大，谐振频率也随着费米能级的提高逐渐增加，从38-40THz移动到52-54THz，进一步提高了在中红外频段中的激发频率。
附图4是当石墨烯费米能级为0.7eV(0.7电子伏特)时，当谐振器上方物质发生改变时，物质折射率变化所引起的谐振器透射曲线的变化，当折射率n从1变化到1.4时，等离子体诱导透明共振的透明窗口的位置从46.1THz偏移到39.1THz，于是便可以从透明窗口的位置变化判断待测气体或液体的物质成分。
