[发明专利]石墨烯表面等离激元阵列波导周期性自成像器件的制备方法

摘要

石墨烯表面等离激元阵列波导周期性自成像器件的制备方法，其主体结构包括基底层、单原子层石墨烯和介质条波导；所述基底层位于底部，其厚度为100纳米，基底层材料的介电常数为3.92；基底层的上侧覆盖有单原子层石墨烯，所述单原子层石墨烯的宽度与基底的宽度相同，单原子层石墨烯的光学性质表示为石墨烯的相对介电常数，并由石墨烯的光电导率得出，所述单原子层石墨烯上表面覆盖有介质条波导构成的阵列波导，其克服了传统的金属表面等离激元阵列波导中的材料的相对介电常数和周期性成像不能够实时调节的缺陷，能够通过外部电压石墨烯的相对介电常数进行实时调节，不同的电压下有不同的费米能级进而出现不同的周期性自称像。

主权项

一种石墨烯表面等离激元阵列波导周期性自成像器件的制备方法，其特征在于具体按照如下步骤进行：S1、定义石墨烯表面等离激元阵列波导周期性自成像器件的主体结构：石墨烯表面等离激元阵列波导的主体结构包括：基底层、单原子层石墨烯和介质条波导；所述基底层位于底部，其厚度为100纳米，其宽度与阵列波导的周期以及介质条波导单元宽度有关(以N型阵列波导为例，基底宽度为N倍介质条波导单元宽度与N+1倍阵列波导周期宽度之和)，基底层材料的介电常数为3.92；基底层的上侧覆盖有单原子层石墨烯，其厚度为0.5nm，即一个单原子层的厚度，所述单原子层石墨烯的宽度与基底的宽度相同，单原子层石墨烯的光学性质表示为石墨烯的相对介电常数，并由石墨烯的光电导率得出，所述单原子层石墨烯上表面覆盖有介质条波导构成的阵列波导，其宽度为w＝100nm，高度为h＝100nm，相邻波导之间的间隔为80nm，相对介电常数为3.92；在本发明中，阵列波导包含七个相同的介质波导单元，除此之外周围的覆盖层是空气，介电常数为1；S2、石墨烯的光电导率计算并由此计算石墨烯相对介电常数：应用石墨烯的相对介电常数，相对介电常数要由电导率计算出来，计算公式分为面外相对介电常数为ε⊥＝2.5，面内相对介电常数为ε//(ω)＝2.5+iσ(ω)/(ε0ωt)，在自由相近似的情况下石墨烯的光电导率的计算表达公式如下：其中kB表示波尔兹曼常数，ω代表频率，EF是石墨烯的费米能级，是电荷的弛豫时间，μ是石墨烯的电荷的迁移率；在本发明的模拟过程中，费米速度设定为VF＝106m/s，电荷迁移率是10000cm2/(V·s)，温度为T＝300K，费米能级能够调节到1.17eV；从公式(1)中能够看出，石墨烯的介电常数主要与入射光的频率、石墨烯的费米能级有关，而这两个变量都是外部可调，尤其是石墨烯的费米能级可由外加电压调节，因此，在本发明中通过外加电压改变石墨烯的费米能级从而实现周期性自成像的实时可调性；S3、计算阵列波导中的总的磁场强度：通过计算阵列波导中的磁场强度从而直观的显示阵列波导的周期自成像现象，同时通过理论分析能够确定实现周期性自称像中所需要的模式特征以及模式阶数，波导中获得的磁场强度的理论解释如下：介质波导将会支持类似TM的波导模式，所以阵列波导中的总的磁场强度表示为：由于石墨烯等离激元阵列波导间的相互作用，在公式(2)中Cl(z)部分将随z坐标轴方向呈周期性变化；表示的从左向右的第l根波导支持的无干扰的模式的波方程，βl是单根介质石墨烯表面等离激元波导模式的传播常数，只考虑相邻波导的耦合效果，对于N型阵列波导中的模式耦合公式表示为：dH/dZ=iM~H~---(3)]]>其中，H是磁场矢量，它能够表示为为非0的矩阵单元，能够表示为l＝1,2,….N，且Ml,l+1＝κl,l+1,Ml+1,l＝κl+1,l其中l＝1,2,….N‑1，κi,j是耦合波导的耦合系数，石墨烯表面等离激元阵列波导中的模式是：(M~-σvI~)Hv=0---(4)]]>公式(4)中Hv是本征矢量，这个本征矢量满足关系式Hv(z)＝Hv(0)exp(iσvz)，其中v＝1,2…..N,σv是主模Hv的复合的传播常数，I是单位矩阵，石墨烯等离激元阵列波导的所有个基模模式或者是本征解能够通过解方程式(4)得来，每个石墨烯等离激元波导都是一样，因此它们的传播常数相等，即β＝βl，并且有相同的耦合系数即κi,j＝κ，通过公式(4)能够了解到石墨烯等离激元阵列波导含有不同的模式，根据此性质，在阵列波导中将利用石墨烯等离激元波导中不同的波导模式之间的耦合实现周期性自称像现象，在本发明中将利用阵列波导中的基模模式即最低阶模式，然后通过不同主模模式之间的相互耦合模式相加实现周期性的自称像现象，所述石墨烯的费米能级能够通过外部电压调节，因此本发明能够通过调节外部电压来调节周期性自称像性质，特别是周期性成像的周期。