專利名稱：基于石墨烯的s形波導(dǎo)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于石墨烯的S形彎曲波導(dǎo)，尤其是此基于石墨烯的S形彎曲波導(dǎo)，可以在彎曲的表面上傳播表面等離子體極化波。
背景技術(shù)：
表面等離子極化波的出現(xiàn)，為突破衍射極限，實現(xiàn)亞波長的光電器件以及光電集成電路提供了可能。光波導(dǎo)是集成光學(xué)中必不可少的器件。由于光波導(dǎo)中光束傳播方向的改變，光波導(dǎo)中的彎曲是必須的。普通的基于金屬的表面等離子體極化波波導(dǎo)在遇到彎曲等不平的平面時，由曲率導(dǎo)致的輻射損耗會產(chǎn)生，由于金屬上支持的表面等離子體極化波的折射率比較小，局域性相對較弱，在散射損失了一部分動量后，此時的折射率很可能小于空氣中的折射率，這時已經(jīng)不能支持表面等離子體極化波的傳輸了，而金屬要用在彎曲波導(dǎo)器件中，大多是通過在金屬上設(shè)計光學(xué)變換結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，光學(xué)變換的結(jié)構(gòu)如圖I所示。而石墨烯具有很強(qiáng)的柔韌性和穩(wěn)定性，通過化學(xué)摻雜，人們可以調(diào)節(jié)石墨烯上支持的表面等 離子體極化波的折射率，從而調(diào)節(jié)石墨烯上支持的表面等離子體極化波的局域性。相對于金屬，通過化學(xué)摻雜，石墨烯的局域性可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通金屬，且石墨烯具有很強(qiáng)的柔韌性和穩(wěn)定性，不需要做任何光學(xué)變換結(jié)構(gòu)也能很好的引導(dǎo)表面等離子體極化波沿著彎曲的表面?zhèn)鞑?，從而克服了金屬彎曲波?dǎo)中需要做光學(xué)變換結(jié)構(gòu)才能良好傳輸?shù)南拗?。迄今為止，尚無人使用石墨烯來設(shè)計S形波導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明提供一種基于石墨烯的S形波導(dǎo)，不需要做任何光學(xué)變換結(jié)構(gòu)即可以在彎曲的表面上傳播表面等離子體極化波，加工簡單，易于實現(xiàn)。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案
一種基于石墨烯的S形波導(dǎo)，包括硅襯底，在硅襯底上設(shè)有ニ氧化硅襯底，ニ氧化硅襯底的上表面為S形起伏表面，在ニ氧化硅襯底上鋪有石墨烯層，并且石墨烯層的化學(xué)勢為
0.8eV，石墨烯層的形狀與ニ氧化硅襯底上表面的形狀相吻合。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
本發(fā)明使用石墨烯來設(shè)計S形波導(dǎo)，現(xiàn)有技術(shù)中是使用金屬來設(shè)計彎曲波導(dǎo)，由于金屬上支持的表面等離子體極化波的折射率相對較小，局域性不是很好，一般都是通過在金屬上設(shè)計光學(xué)變換結(jié)構(gòu)，例如圖I中在金屬4的上面鋪設(shè)介電常數(shù)厚度不同的介質(zhì)層5，6，7來實現(xiàn)，加工困難，不利于實際應(yīng)用。而石墨烯具有很強(qiáng)的柔韌性和穩(wěn)定性，其折射率可以通過化學(xué)摻雜的方式來調(diào)節(jié)，使得其上支持的表面等離子體極化波的局域性很強(qiáng)，不需要做任何光學(xué)變換結(jié)構(gòu)也能很好的引導(dǎo)表面等離子體極化波沿著彎曲的石墨烯表面?zhèn)鞑ァ４税l(fā)明，加工簡便，易于實現(xiàn)，克服了金屬彎曲波導(dǎo)中需要做光學(xué)變換結(jié)構(gòu)才能良好傳輸?shù)南拗啤?br>

圖I是金屬表面等離子體極化波彎曲波導(dǎo)上的光學(xué)變換結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，4為金屬，5，6，7分別為厚度，介電常數(shù)不同的介質(zhì)層。圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，包括疊合在一起的三層結(jié)構(gòu)，最下面的是硅基底，硅基底上鋪ニ氧化硅襯底，ニ氧化硅襯底上鋪石墨烯層。ニ氧化硅襯底上表面設(shè)有S形起伏表面，其中，組成此S形的半圓的直徑D為120nm。圖3是在溫度為300K，化學(xué)勢為0. 8 eV吋，石墨烯上支持的表面等離子體極化波的有效折射率的實部隨頻率的變化曲線。由此圖可以看出，石墨烯上支持的表面等離子體極化波的有效折射率的實部在一個很寬的頻帶內(nèi)都很大，即局域性很強(qiáng)。
圖4是本發(fā)明的y方向磁場強(qiáng)度分布的仿真結(jié)果圖，頻率為160THZ時，左端為入射端，右端為出射端，由圖可見，表面等離子體極化波在彎曲的石墨烯表面上很好的從左端傳到了右端。
具體實施例方式 一種基于石墨烯的S形波導(dǎo)，包括硅襯底3，在硅襯底3上設(shè)有ニ氧化硅襯底2，ニ氧化硅襯底2的上表面為S形起伏表面，在ニ氧化硅襯底2上鋪有石墨烯層1，并且石墨烯層I的化學(xué)勢為0. 8eV (對應(yīng)的載流子濃度為4. 7e13Cm_2)，石墨烯層I的形狀與ニ氧化硅襯底2上表面的形狀相吻合。石墨烯的化學(xué)勢可以通過化學(xué)摻雜的方式來實現(xiàn)，現(xiàn)今技術(shù)中利用四氰代ニ甲基苯醌等分子吸附技術(shù)摻雜，可以使得石墨烯的載流子濃度達(dá)到Ie14Cm'石墨烯的電導(dǎo)率可以由Kubo公式表不為(“Dyadic Green’s functions andguidea surface waves for a surface conductivity model of graphene, ” J. AppI.Phys. 103(6)， 064302,2008)。
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-t;Ji co - j2F 8& ' dsds其中_e為電子電量，為普朗克常數(shù)，= +費(fèi)米狄
拉克分布，‘為波爾茲曼常數(shù)，_為角頻率，/《為化學(xué)勢，f表示散射率，T表示溫度。石墨烯的化學(xué)勢與載流子的濃度關(guān)系可以表示為如下所示
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其中M1為載流子濃度，為費(fèi)米速度。由上述公式可知，石墨烯的電導(dǎo)率是隨著化學(xué)勢的變化而變化的。并且通過化學(xué)摻雜的方式可以改變石墨烯的載流子濃度，從而改變石墨烯的化學(xué)勢，進(jìn)而可以使得其上支持的表面等離子體極化波的損耗可以降低到很小。因此，石墨烯有望在表面等離子體極化波領(lǐng)域成為替代金屬的一個比較好的選擇。
權(quán)利要求
1.一種基于石墨烯的S形波導(dǎo)，包括硅襯底(3)，在硅襯底(3)上設(shè)有ニ氧化硅襯底(2)，ニ氧化硅襯底(2)的上表面為S形起伏表面，在ニ氧化硅襯底(2)上鋪有石墨烯層(1)，并且石墨烯層(I)的化學(xué)勢為0. 8eV，石墨烯層(I)的形狀與ニ氧化硅襯底(2)上表面的形狀相吻合。
全文摘要
一種基于石墨烯的S形波導(dǎo)，包括硅襯底，在硅襯底上設(shè)有二氧化硅襯底，二氧化硅襯底的上表面為S形起伏表面，在二氧化硅襯底上鋪有石墨烯層，并且石墨烯的化學(xué)勢為0.8eV(對應(yīng)的載流子濃度為4.7e13cm-2)，石墨烯層的形狀與二氧化硅襯底上表面的形狀相吻合。石墨烯的化學(xué)勢可以通過化學(xué)摻雜的方式來實現(xiàn)，現(xiàn)今技術(shù)中利用四氰代二甲基苯醌等分子吸附技術(shù)摻雜，可以使得石墨烯的載流子濃度達(dá)到1e14cm-2。
文檔編號H01P3/18GK102832431SQ20121028968
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月14日
發(fā)明者陸衛(wèi)兵, 朱薇, 許紅菊 申請人:東南大學(xué)