本實用新型涉及光電子技術領域，尤其涉及一種基于石墨烯-介質-金屬層狀結構的納米器件。

背景技術：

以微納米技術制造的光電子器件，其性能大大優于傳統的電子器件，其具有如下優勢：1.工作速度快，納米光電子器件的工作速度是硅器件的1000倍，因而可使產品性能大幅度提高。2.功耗低，微納米光電子器件的功耗僅為硅器件的1/1000。而隨著中紅外(波長3-30μm)科學和技術的快速發展，對該波段的關鍵性微納器件，包括激光器、探測器、調制器以及各類功能器件的需求也在不斷上升。

偏振轉換器是中紅外技術的其中一項關鍵器件。電磁超材料由于能夠通過結構、尺寸和材料等選擇對中紅外波的振幅、相位、偏振以及傳播實現靈活多樣的控制，提供了一種實現不同類型和參數中紅外偏振轉換器件的有效途徑。對于中紅外波偏振態的調控，可以利用超材料的各向異性、手性和雙各向異性實現中紅外波偏振形態的改變，即實現偏振轉換。

現有技術中，Hua Cheng等人提出一種基于L-型等離子體平面天線的偏振轉換器。該技術方案采用L-型石墨烯，實現了可在單個頻率垂直方向的線偏振光的轉換。

Jun Ding等人曾基于提出另一種基于L型等離子體平面天線的偏振轉換器。該技術方案采用單層石墨烯的L型挖槽，實現了兩個頻率的垂直方向的線偏振光的轉換。

但是目前的市面上還不存在中紅外多頻率可調諧偏振轉換器，而且不能實現三個頻率同時工作。

2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，從而證實它可以單獨存在， 從此學術界和工程界開始了對石墨烯應用的探索。作為一種電磁超材料，石墨烯已成為中紅外技術領域的研究熱點。

偏振轉化率的英文縮寫為PCR，英文為polarization conversion ratio。

技術實現要素：

針對上述技術中存在的不足之處，本實用新型提供一種三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器，該偏振轉換器在工作頻段內有三個可工作頻率，在每個工作頻率處的偏振轉化率在75％以上，而且其中兩個工作頻率接近100％，且偏振工作頻帶可調諧。

為實現上述目的，本實用新型提供一種基于石墨烯-介質-金屬層狀結構的納米器件，該納米器件由多個偏振三維單元組成，多個偏振三維單元呈水平放置，且多個偏振三維單元的上下表面均在同一個水平面上；

每個偏振三維單元包括位于最底層的金層、位于中間層的二氧化硅隔離層和位于最上面層的石墨烯層，所述金層、二氧化硅隔離層和石墨烯層三者由下至上依次固定，且所述石墨烯層上開設有多個打孔。

其中，所述金層的厚度在0.1μm左右，所述二氧化硅隔離層的厚度為1.1μm，且其介電常數為2.1。

其中，所述石墨烯層的制備方法為：將邊長p＝0.175μm的正方形石墨烯，對稱割去兩塊寬w＝65nm，長L＝140nm，相聚d＝10nm的長方形石墨烯后得到該石墨烯層。

其中，所述寬w＝65nm，長L＝140nm，相聚d＝10nm的長方形石墨烯即為該打孔；且所述打孔為矩形狀；且所述打孔與石墨烯層之間形成箭頭結構。

其中，在頻率35THz-40.7THz的范圍內，該偏振轉換器的偏振轉化率具有三個峰值；且這三個峰值分別為35THz、38THz和40.7THz。

其中，所述峰值35THz的偏振轉化率大約為80％；所述峰值38THz的偏振轉化率接近100％，且所述峰值40.7THz的也偏振轉化率接近100％。

本實用新型的有益效果是：與現有技術相比，本實用新型提供的三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器，偏振轉換器由多個偏振三維單元組成，且每個偏振三維單元包括位于最底層的金層、位于中間層的二氧化硅隔離層 和位于最上面層的石墨烯層，石墨烯層上開設有多個打孔。該結構的改進，使得該偏振轉換器在工作頻段內有三個可工作頻率，在每個工作頻率處的偏振轉化率在75％以上，而且其中兩個工作頻率接近100％，且偏振工作頻帶可調諧。

附圖說明

圖1為本實用新型中偏振三維單元的結構圖；

圖2為本實用新型中三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器的結構圖；

圖3為本實用新型中石墨烯層的結構圖；

圖4為本實用新型中偏振轉換器的PCR結果圖；

圖5為本實用新型中偏振轉換器的反射率效果圖；

圖6為本實用新型中偏振轉換器的費米能級調控后的PCR結果圖；

圖7為本實用新型中偏振轉換器SOP-A和SOP-B的吸收圖。

主要元件符號說明如下：

1、偏振轉換器 10、偏振三維單元

101、金層 102、二氧化硅隔離層

103、石墨烯層 1031、打孔。

具體實施方式

為了更清楚地表述本實用新型，下面結合附圖對本實用新型作進一步地描述。

請參閱圖1-3，本實用新型的基于石墨烯-介質-金屬層狀結構的納米器件，該納米器件1由多個偏振三維單元10組成，多個偏振三維單元10呈水平放置，且多個偏振三維單元10的上下表面均在同一個水平面上；

每個偏振三維單元10包括位于最底層的金層101、位于中間層的二氧化硅隔離層102和位于最上面層的石墨烯層103，金層101、二氧化硅隔離層102和石墨烯層103三者由下至上依次固定，且石墨烯層上開設有多個打孔1031。

相較于現有技術的情況，本實用新型提供的三個頻率工作可調諧的石墨烯偏振轉換器，納米器件1由多個偏振三維單元10組成，且每個偏振三維單 元10包括位于最底層的金層101、位于中間層的二氧化硅隔離層102和位于最上面層的石墨烯層103，石墨烯層103上開設有多個打孔1031。該結構的改進，使得該偏振轉換器在工作頻段內有三個可工作頻率，在每個工作頻率處的偏振轉化率在75％以上，而且其中兩個工作頻率接近100％，且偏振工作頻帶可調諧。

在本實施例中，金層101的厚度在0.1μm左右，二氧化硅隔離層102的厚度為1.1μm，且其介電常數為2.1。當然，本案中并不局限于上述的厚度，可以根據實際需要進行改進。

圖1是本實用新型基于矩形結構的偏振轉化器的一個單元的三維示意圖；實際的偏振轉換器是以該單元為周期，向四周延伸的模型，如圖2給出的3X3的效果。石墨烯層的結構比較復雜，石墨烯層103的制備方法為：將邊長p＝0.175μm的正方形石墨烯，對稱割去兩塊寬w＝65nm，長L＝140nm，相聚d＝10nm的長方形石墨烯后得到該石墨烯層。寬w＝65nm，長L＝140nm，相聚d＝10nm的長方形石墨烯即為該打孔；且打孔為矩形狀；且打孔與石墨烯層之間形成箭頭結構。最終得到的如圖3所示。

請進一步參閱圖4，圖4給出了PCR值，由圖可知，在頻率35THz-40.7THz的范圍內，該偏振轉換器的偏振轉化率PCR具有三個峰值；且這三個峰值分別為35THz(A點)、38THz(B點)和40.7THz(C點)三個峰值。其中PCR峰值A大約為80％，峰值B、C的PCR接近100％，意味著這三個頻率的入射光激發了矩形天線中的局域等離子體共振，共振峰處入射光絕大部分被天線吸收后通過表面的微納結構輻射出垂直于原偏振方向的x方向線偏振光。圖5給出了反射率的計算結果，可以看到，Rxx在三個頻率有極小值，即在三個頻率x偏振光被吸收。而Ryx在對應的三個頻率有極大值，說明x偏光在這三個頻率處轉換為了y偏光。由此說明，通過此偏振轉換器太赫茲光可以在三個頻率發生偏振轉換。本實用新型正是因為采用了箭頭形天線結構，使得工作模式的數量增加為三個。

請進一步參閱圖6，圖6是通過改變費米能級調諧帶寬的PCR結果圖(費米能級取0.6eV,0.7eV,0.8eV,0.9eV,1.0eV),隨著費米能級增大，其工作寬帶右移。本偏振轉換器能夠發生偏振轉換的原因可以由下圖說明。如圖7所 示，從左到右分別是石墨烯表面在A、B、C三個共振頻率處的磁場分布。可以看到，對于每個共振頻率，都可以看做是箭頭內部的磁場耦合的效果，即石墨烯表面等離子體震蕩所致。具體的證明公式可以參考文獻[3]，Bludov Y V,Vasilevskiy M I,Peres N M R.Tunable graphene-based polarizer[J].Journal of Applied Physics,2012,112(8):084320-084320-5。

如果經由兩束偏振方向分別與x軸呈45度(SOP-A)的和-45度(SOP-B)的入射光，石墨烯表面等離子體效應使得這兩束光有個共振吸收點，且如果共振吸收頻率很靠近，則會發生耦合，產生偏振轉換效果?？梢钥闯?，兩束光的共振吸收點很靠近，且SOP-B有兩個共振吸收頻率，符合文獻[2]所指出的效應條件，從而進一步證明我們的器件可以發生三個頻率偏振轉換。該文獻為：Jun Ding,et al.,Mid-Infrared Tunable Dual-Frequency Cross Polarization Converters Using Graphene-Based L-Shaped Nanoslot Array,(2015)10:351–356。

電磁波屬于橫波，其電矢量、磁矢量以及波矢方向滿足右手定則。其中，電矢量是引起導體中載流子集體運動以及引起介質極化的主要原因。因此，可以通過入射電磁波和反射電磁波電場強度的比值來定義反射率。考慮到電磁波可以分解為相互正交的兩個偏振方向，反射率可以寫為反射矩陣的形式

其中

x,y為兩個相互正交的線偏振電磁波方向，i,r分別表示入射電磁波和反射電磁波。Rmn等于反射電磁波m方向電場分量Emr與入射電磁波n方向電場分量Eni的比值，φmn為相位。在我們的模型中，由于對稱性，故Rmn＝Rnm

定義Rxy與Rxy之間的相位差為：

設入射電磁波為y方向的線偏振電磁波，則偏振轉化率PCR可寫為

$PCR=\frac{|R_{xy}{|}^2}{|R_{yy}{|}^2+|R_{xy}{|}^2}$

Rxy＝0時，PCR＝0，意味著y方向偏振的入射光經過反射后無x方向偏振光，無偏振轉換效應。Ryy＝0時，PCR＝1，意味著y方向偏振的入射光經過反射后無y方向偏振光，即所有反射光均為x方向偏振，實現了相互垂直方向的線偏振光的100％轉換效率。0<PCR<1時，反射光含有兩種偏振方向分量，為橢圓偏振光。由于PCR直接反映了平面天線實現偏振轉化的水平，因此用來作為偏振轉化器的主要性能指標。上述為實用新型中PCR的計算方法。且圖4、圖5和圖6都是通過這個計算方式得到的圖形。

以上公開的僅為本實用新型的幾個具體實施例，但是本實用新型并非局限于此，任何本領域的技術人員能思之的變化都應落入本實用新型的保護范圍。