基于石墨烯调频新月共振结构的宽带、高灵敏度红外光谱增强技术研究

The improvements of field enhancement and working bandwidth are crucial for the development and practical application of surface enhanced infrared absorption (SEIRA) spectroscopy. In this project, the design of crescent resonator and graphene-enabled plasmon tuning are proposed for high performance SEIRA substrate. By optimizing width, thickness, radius of the resonator, together with thickness and material choice of the dielectric layer between resonator and metal reflection layer, the relationship between the resonator structure parameters and the field enhancement factor are to be explored. For a deep understanding of the plasmon tuning mechanism, the influence of graphene layer number, gate voltage, design of reflection layer, and coupling efficiency between metal plasmon and graphene on the field enhancement factor and plasmon tuning ability need to be studied. The success of this project will not only provide theoretical and experimental basis for the development of infrared absorption spectroscopy with high sensitivity in a broad frequency range, but also beneficial for infrared light modulator and photon detection.

提升基底的增强效果和工作带宽是推动表面增强红外吸收光谱技术发展和实际应用的关键。本项目提出石墨烯调频新月共振结构增强红外吸收的技术方案，从新月共振结构设计提升场增强因子和表面等离激元共振频率动态调控两个方面着手提升基底性能。研究新月共振结构骨架的宽度、厚度、半径，金属反射层和共振结构之间介质层材料和厚度的选择等结构因素与场增强因子的关联；探索石墨烯层数、栅压调控、金属反射层设计、石墨烯与金属等离激元的耦合效率对于复合结构调频性能和场增强效果的影响规律,掌握石墨烯对金属等离激元共振动态调频的机制。本项目的顺利实施将为开发具有高场增强因子且工作频率宽带可调的红外光谱增强检测基底提供理论和实验基础，对于红外光调制器和光探测器等器件领域同样具有重要的指导价值。

本项目通过中红外共振的新月共振单元的设计，解决了普通红外等离激元共振单元电场增强因子不高的缺点。进一步结合石墨烯表面等离激元，赋予复合结构共振波长动态可调的功能，从而满足表面增强红外吸收光谱技术宽频带电场增强的需求。石墨烯/新月共振器复合结构的电场增强因子可以达到300倍，工作波长的动态调谐范围达到30%以上。同时，从新月共振单元局域表面等离激元到石墨烯薄膜传播表面等离激元的耦合，使得不仅共振"热点"处可以提供有效的场增强，石墨烯连续薄膜表面也可以提供均匀的电场增强。除了应用于红外光谱增强测试，本项目基于石墨烯/超表面复合结构还提出两类具有新功能的有源光电子器件：（1）基于石墨烯和开环共振器的复合结构，设计了一种反射相位在0和π之间动态可调的超表面单元。通过不同的相位单元排列，可以实现反射光束方向的动态控制，其功能类似于相控阵雷达；（2）通过设计耦合窄带共振吸收模式和石墨烯，可以实现调制深度高达90%，工作波长范围从5μm到6μm的红外光调制器。应用于相位调制时，反射相位调控范围可以达到180°。本项目深入研究石墨烯和超表面之间的耦合作用，以及复合结构的功能实现，为新型红外光电子器件的发展提供了坚实的基础。