双频带中红外石墨烯阵列陷波器的制作方法

本发明涉及光电材料和光子学等领域，具体涉及一种双频带中红外石墨烯阵列陷波器。

背景技术：

电磁波频谱中的红外波段可划分为近红外(0.76μm～2.5μm)、中红外(2.5μm～25μm)和远红外(25μm～1000μm)三个波段。自然界中一切物体都可以辐射红外线，通过利用探测仪测量目标本身与背景间的红外线差可以得到不同的热红外线形成的红外影像。大气和烟云等可以吸收可见光和近红外线，但是对8～14μm的热红外线(中红外波段)却是透明的。因此，这个波段被也称为热红外线的“大气窗口”。利用光谱技术进行热红外成像为在军事提供了先进的夜视装备和全天候前视系统。

石墨烯(graphene)是一种由单层碳原子形成的蜂窝状平面薄膜，它只有一个原子层厚度的准二维材料，又叫单原子层石墨。石墨烯具有十分良好的导电、导热、机械强度和柔韧性以及光学特性，在物理学、材料学、电子信息与计算机、航空航天等领域都得到了长足的发展。石墨烯表面的传导电子可以与入射的光子相互作用形成耦合电磁模(即，等离激元共振)，能够突破传统的光学衍射极限，因此可作为光传输器件包括光耦合器件中的信息载体。然而，单层石墨烯结构对可见光以及红外波段光的吸收率仅为2.3％。目前的研究技术在如何有效调控石墨烯结构对光波或电磁波的光谱响应特性包括石墨烯结构在不同频段的光谱陷波响应的可控操作等方面都存在很大的技术难题。如近期公开的专利申请[申请号201610062949.3]，虽然提供了一种基于石墨烯的光滤波器件，但结构本身需要涉及到电解质层、金属电极、石墨烯条带阵列、介质层、金属光栅和衬底等众多的结构元件和模块，不利于器件的简易制备和集成应用。

传统技术层面的光传输结构包括光学滤波器件都存在结构尺寸较大、不可调谐等不足之处。

技术实现要素：

针对上述不足，本发明为了提供一种工作在中红外波段的双频带石墨烯阵列陷波器，旨在引入石墨烯材料、利用石墨烯颗粒的电磁共振特性，简化陷波器的结构单元和增加光谱的可调控频带数目。

本发明是通过如下技术方案实现的：

双频带中红外石墨烯阵列陷波器，它包括衬底、石墨烯阵列结构层，其特征在于：自下而上依次由衬底和石墨烯阵列结构层组成，所述石墨烯阵列结构层由石墨烯颗粒与空气狭缝复合结构的周期性阵列组成。所述石墨烯颗粒具有强电磁共振效应，通过引入空气狭缝实现对石墨烯颗粒结构的切割，形成空间分离的颗粒对结构，产生电磁共振耦合，从而实现双频带的光学陷波效应。

所述石墨烯颗粒与空气狭缝组成的石墨烯颗粒对结构的周期性阵列图案设置在衬底上表面。

所述石墨烯颗粒的结构为圆柱形结构。

所述石墨烯阵列层厚度处于0.34nm-1nm范围。

所述衬底的材料为玻璃、柔性材料比如聚二甲基硅氧烷以及聚合物等材料。

所述双频带中红外石墨烯阵列陷波器结构可通过物理沉积法包括离子溅射法和磁控溅射法以及刻蚀技术包括电子束和激光刻蚀技术等来制备。

本发明的双频带中红外石墨烯阵列陷波器具有如下优点：

1、通过采用石墨烯阵列结构作为中红外光的共振耦合单元，利用石墨烯颗粒组成的耦合对结构能提供强的光学散射以及形成不同的共振杂化模式，实现了双频带陷波效应。

2、通过利用石墨烯阵列结构，从而实现了纳米尺度厚度上的光学陷波响应，从根本上克服了传统光学装置所面临的结构尺寸大、不利于高密度集成等内在问题。

3、本发明的双频带中红外石墨烯阵列陷波光谱范围发生在中红外波段，即热红外线的“大气窗口”，有利于在光谱技术包括热红外成像等方面的应用。

4、结构简单，便于制备，易于与其他光电器件进行系统集成。

5、基于石墨烯阵列结构的光学共振特性，易于进行光谱的调谐，产生在中红外波段可调谐的光学陷波特性，在红外探测、光电转换、红外成像以及热辐射器等领域都具有广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图进一步详细说明本发明的内容。但是，以下附图仅是本发明的理想化实施例的示意图，其中为了清楚地展示本发明所涉器件的结构，对其中选定的石墨烯阵列结构层区域的厚度以及空气狭缝宽度进行了适当放大，但其作为示意图不应该被认为严格反映了几何尺寸的比例关系。另外，本发明所示的实施例亦不应该被认为仅限于图中所示的区域的特定形状。概言之，以下附图是示意性的，不应该被认为限制本发明的范围。

图1是本发明中双频带中红外石墨烯阵列陷波器的结构示意图；

图2是本发明一可选实施方案中双频带中红外石墨烯阵列陷波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为30nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm。衬底为聚二甲基硅氧烷膜层，厚度为500nm。

图3是本发明一可选实施方案中双频带中红外石墨烯阵列陷波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为40nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm。衬底为聚苯乙烯膜层，厚度为500nm。

图4是本发明一可选实施方案中双频带中红外石墨烯阵列陷波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为20nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm。衬底为聚二氧化硅膜层，厚度为500nm。

图中标记：1、石墨烯颗粒，2、空气狭缝，3、衬底。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，一种双频带中红外石墨烯阵列陷波器，自下而上依次设置衬底3、石墨烯阵列结构层，所述石墨烯阵列结构层由石墨烯颗粒1和空气狭缝2组成；所述石墨烯颗粒1具有强电磁共振效应，通过引入空气狭缝实现对石墨烯颗粒结构进行切割，形成空间分离的颗粒对结构，产生电磁共振耦合，从而实现双频带的光学陷波效应。石墨烯颗粒为圆柱形结构，阵列为正方排列。

前述衬底3可选用但不限于玻璃等硬质，或塑料、聚合物等柔性衬底，用于支撑石墨烯阵列。

作为较佳实施方案之一，前述石墨烯颗粒1由圆柱形石墨烯共振单元排列并构成周期性的晶格结构。

下面结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例1：参阅图2，图2所示系本实施例双频带中红外石墨烯阵列陷波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为30nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm。衬底为聚二甲基硅氧烷膜层，厚度为500nm。从图上可以得出，在中红外波段出现了两个透射谷。在波长为10.956微米处呈现了第一个频带的透射陷波效应，透射率只有0.140。这说明在本发明技术方案中，尽管陷波器只有1nm厚的石墨烯层结构，却实现了超过85％的中红外光的透射抑制或光谱陷波。在波长为13.499微米处呈现了第二个频带的透射陷波效应，透射率也只有0.420，说明在本发明技术方案中，只有1nm厚的石墨烯层结构同时实现了双频带的中红外光的透射抑制或光谱陷波，表明在石墨烯阵列结构产生了一个双频带的光学陷波响应。

实施例2：参阅图3，图3所示系本实施例双频带中红外石墨烯阵列陷波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为40nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm。衬底为聚苯乙烯膜层，厚度为500nm。从图上可以发现，在中红外波段出现了两个透射谷。在波长为10.605微米处呈现了第一个频带的透射陷波效应，透射率只有0.142，在波长为13.257微米处呈现了第二个频带的透射陷波效应，透射率也只有0.423，说明在本发明技术方案中，只有1nm厚的石墨烯层结构同时实现了双频带的中红外光的光谱陷波，产生了一个双频带的光学陷波响应。对比实施例1，可以发现，通过一个简易的结构调控，把陷波器结构中的空气狭缝宽度增大到40nm，就实现了双频带光学陷波响应在中红外范围的光谱调谐。

实施例3：参阅图4，图4所示系本实施例双频带中红外石墨烯阵列陷波器的光吸收图。石墨烯阵列层厚度为1nm，石墨烯颗粒为圆柱形结构，直径为400nm，厚度为1nm，阵列周期大小为600nm，空气狭缝的宽度为20nm，长度为400nm，空气狭缝的阵列周期大小为600nm。衬底为聚二氧化硅膜层，厚度为500nm。从图上可以发现，在中红外波段出现了两个透射谷。在波长为11.310微米处呈现了第一个频带的透射陷波效应，透射率只有0.111，在波长为13.829微米处呈现了第二个频带的透射陷波效应，透射率也只有0.571，说明在本发明技术方案中，同样产生了一个双频带的光学陷波响应。对比实施例2，可以发现，通过把陷波器结构中的空气狭缝宽度减少到20nm，实现了在中红外范围的双频带光学陷波响应的光谱调谐。