[发明专利]一种用于提高单层石墨烯对可见光吸收效率的光学结构

说明书

技术领域

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种用于提高单层石墨烯对可见光吸收效率的光学结构。

背景技术

光电材料的吸收性能对于光电器件性能有着重要的影响。光伏器件、光电探测器等光电器件，都是依赖于光电材料将吸收的光转化为电能或者电信号来实现其功能的。在转化效率一定的情况下，吸收的光越多，产生的电能或者电信号的强度就越大，光电器件的整体效率就越高。

相比于传统的半导体光电材料，石墨烯在光电探测应用中具有独特的优势，比如其具有独特的电学特性(如：高的载流子迀移速率2.5×10⁵cm²V^-1s^-1)、机械特性(高的杨氏模量1TPa)、热学性能(高的热导率>3000WmK^-1)、光学特性(如：太赫兹的自由载流子响应，近红外、可见光的宽带普遍吸收特性以及饱和吸收等非线性光学性质)、具有多种衍生物(如：氧化石墨烯、还原氧化石墨烯以及石墨烯和有机高分子的杂化材料等)和电学光学的可调控特性(如：门电压、化学掺杂等方法)。然而，单层石墨烯厚度只有0.34nm，仅能吸收约2.3％的可见光和红外光，这个值并不依赖入射光波长和材料本身，因此限制了石墨烯在可见、近红外波段的应用。

为了增强石墨烯的光吸收，人们提出了利用谐振腔、表面等离激元共振、多层介质相干吸收、波导-光栅导模共振等方式，并取得了显著的效果。其中，表面等离激元在增强光电材料的吸收方面尤为引人注目等。但传统的表面等离激元材料主要是金、银等贵金属，这些材料成本较高，而且与传统的半导体材料制作工艺不兼容，使得其在太阳能电池、光电探测器等光电器件中的应用受到很大限制。对于谐振腔结构，通常是在石墨烯的上下表面都形成合理的反射膜，这样入射的光就会在上下镜面膜层之间形成多次振荡，进而使得光多次穿过石墨烯平面，大大增强石墨烯光学吸收。但是，此类谐振腔方法要求每层镀膜的材料和厚度都必须根据所要使用的入射光波长去进行优化设计，这就使得吸收增强的波长范围变小。

波导-光栅共振方法是将石墨烯器件平铺在波导-光栅上，让石墨烯和波导-光栅表面充分接触。当在光栅结构中引入光后，满足特定条件的光波能够激发波导中导波模式，光就会与石墨烯充分作用，形成非常强的光学吸收。由于波导内光几乎不损失，所以这种方法几乎可以实现光的100％吸收。但是这种方法首先需要刻蚀工艺制备亚波长光栅结构，且多采用机械剥离的石墨烯和波导形式，工艺比较复杂、困难，因此不适合实际生产应用。另外更为重要的是，以上涉及的吸收增强方式及对应的光学结构均有着很强的偏振依赖性，通常只在某一偏振(横电TE或者横磁TM)状态下有响应。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种用于提高单层石墨烯对可见光吸收效率的光学结构。通过在棱镜表面涂覆两层电介质薄膜结构，能够使石墨烯与倏逝波充分相互作用，提高单层石墨烯的吸收效率，在可见光波段将单层石墨烯对电磁波的吸收率提高至100％。同时实现对单层石墨烯吸收特性的调控，拓展其在可调光谱选择性探测等领域的应用。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种用于提高单层石墨烯对可见光光吸收效率的光学结构，自上而下依次是石墨烯层、波导层、光学透明层、棱镜。

所述单层石墨烯起到吸收的作用，波导层起到的作用是增强倏逝波的传播，光学透明层的作用是用于将棱镜和覆盖有石墨烯与光学透明层的玻璃片相贴合，并优化两者贴合时由于折射率变化带来的光传播变化，三棱镜的作用是供全反射。

进一步地，所述单层石墨烯为单层非掺杂石墨烯。

进一步地，所述波导层为石英片，是具有一定厚度的能够转移石墨烯的衬底材料，包括二氧化硅(SiO₂)、氧化镁(MgO)、二氟化镁(MgF₂)、二氧化钛(TiO₂)、五氧化二铌(Nb₂O₅)、二氧化铪(HfO₂)中的一种。

进一步地，所述光学透明层包括透明氟树脂(Cytop)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、环烯烃聚合物(COP)、四氟乙烯/六氟丙烯共聚物、氟乙烯丙烯中的一种。

进一步地，所述的棱镜包括BK7/K9、熔融石英、氟化钙(CaF₂)、氟化镁(MgF₂)中的一种。