一种调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法技术

本发明专利技术提供了一种调控金属天线‑石墨烯复合超表面光电导的方法，该方法具体为：利用不同波长的共振激光辐照特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构，激发出不同干涉场的的表面等离子体激元(SPP)波，不同干涉场的SPP波在石墨烯表面传输并与石墨烯作用后衰变转换成的热载流子浓度分布不同，从而可精确调控石墨烯的光电导；同时给出了特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构的具体制备方法，由于该金属天线‑石墨烯复合超表面结构具有高局域性，与共振激光相比，其产生的SPP波的波长更小，金属天线与石墨烯界面处的电磁场能量密度显著增强，该方法可广泛用于基于表面等离子体的纳米光子器件和纳米光电集成电路以及光通信技术等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法
本专利技术属于表面等离激元光学领域，具体涉及到一种基于石墨烯表面的人工金属电磁超表面结构设计以产生表面等离激元(SPP)波，进而利用SPP波不同的干涉场电磁能量在石墨烯表面的传输及能量转换的不同以调控石墨烯光电导的方法。
技术介绍
表面等离激元光学在微纳光电器件集成、生物传感、超分辨成像等
具有重要的应用。表面等离激元(SPP)波是在光(即电磁波)的照射下在金属(或者半导体)-介质(如SiO2)表面引起的表面自由电子的集体振荡，它是电磁波与金属(或者半导体)表面自由电子共振耦合而形成的一种沿着金属(或者半导体)表面传播的近场电磁波，具有良好的表面局域性能和电磁波束缚特性。SPP波有两个明显的特点，一是SPP波在传播方向上具有比光波大的传播波矢，即SPP波有较短的波长；二是SPP波在与传播方向垂直的方向上是一个消逝波，即SPP波的场能量局域在传输介质表面。金属或者半导体表面SPP波传输过程中不断衰变成非辐射热载流子，因此，通过对SPP波的激发、传播及衰变转换的调控，可以实现对光波的传播、吸收和转换调控，进而调控金属或者半导体材料的导电特性。石墨烯是一种二维单原子层薄膜，在平面上排成蜂窝状晶格结构，它是目前世界上最薄却也是最坚硬的纳米薄膜材料，具有优异的电学、光学及力学性质。石墨烯在介电函数上和贵金属有相似的特点，其表面通常能支持太赫兹到中红外频率范围激光激发出SPP波。与金属相比，石墨烯具有更好的电学调控性能和更强的表面电磁束缚能力。由于石墨烯的SPP波的波矢和激发光波真空波矢相差太大，不易发生波矢匹配，难以耦合，使得石墨烯表面不易激发SPP波。通常，需要将石墨烯图案化，使其支持SPP波传播；或在石墨烯表面增加金属天线，金属天线耦合入射光可产生极强的大波矢近场，进而在其周围石墨烯表面激发出SPP波。因此，通过在石墨烯表面构建金属天线阵列，可以实现SPP波的传输及干涉。通常，在线性媒质中，光的干涉的三个必要条件分别是，两束光波的频率相同或很接近，偏振方向相同或具有一定同方向偏振分量，相位差基本恒定；这样，满足相干条件的光波干涉结果表现为光场强度在空间形成稳定的明暗相间干涉条纹分布。而且，通过调节两束光的相位差可以实现不同的干涉态，如相长干涉、相消干涉及中间干涉态。线性媒质中的光学干涉通常遵循惠更斯线性叠加原理，光束将相互穿过而不互相干扰。然而，在非线性媒质中，光的干涉还需要考虑光与非线性媒质的相互作用，此时两束光的干涉可不遵循惠更斯叠加原理(Controllinglight-with-lightwithoutnonlinearity，JianfaZhang,etal.,Light:ScienceandApplications,Vol.1,e18(1-5),31March2012)。由于石墨烯是一种非线性光学材料，因此探究石墨烯表面的SPP波的干涉，需要考虑SPP波的非线性叠加。石墨烯表面SPP波的不同干涉态，其衰变转换成的热载流子能量亦不同，从而可以通过改变石墨烯表面SPP波的干涉态改变石墨烯内的载流子浓度分布，进而改变其能带结构，从而调控石墨烯的光电导。对于特定掺杂浓度的石墨烯，费米能级为EF，当光子能量小于2EF时，由于泡利不相容原理，电子的带间跃迁被阻碍；而当光子能量大于2EF时，电子吸收光子，发生带内跃迁。在石墨烯薄膜中，带内跃迁可以改变其载流子分布。这样，在共振激光照射下，金属天线-石墨烯复合超表面结构被激发出SPP波并在石墨烯表面传播，传播过程中SPP波会不断衰变产生热载流子注入到石墨烯内(Theoreticalpredictionsforhot-carriergenerationfromsurfaceplasmondecay，RavishankarSundararaman,etal.,NatureCommunications,Vol.5,Articlenumber:5788(1-8),16December2014)。因此，可以通过构建SPP波干涉场，将衰变的热载流子注入到石墨烯内，改变石墨烯的掺杂性质，从而来调控石墨烯的光电导。利用随机相位近似方法，可以得到石墨烯的光电导为(Opticalfar-infraredpropertiesofagraphenemonolayerandmultilayer，L.A.Falkovsky,etal.,PhysRevB,Vol.76,153410(1-4),31October，2007)：其中，为石墨烯的费米能级，为普朗克常数，Vf为费米速率，n为载流子浓度，ω为共振激光的圆频率，e为电子电荷，kB为玻尔兹曼常数，T为当前温度，τ为弛豫时间。在上述
技术介绍
中，如光(即电磁波)的干涉、石墨烯的非线性、SPP波在石墨烯表面的传输衰变等基本原理技术相互独立，功能相对单一。若综合以上基本原理技术，通过调控石墨烯表面SPP波的不同干涉态的衰变并注入热载流子至石墨烯内，即可实现精确地光学调控石墨烯光电导。
技术实现思路
本专利技术的目的是基于光(即电磁波)的干涉、石墨烯的非线性、SPP波在石墨烯表面的传输衰变等基本原理技术，设计一种基于金属天线-石墨烯复合超表面结构以产生SPP波，并利用SPP波的不同干涉场衰变转换成的热载流子浓度分布的不同，从而改变石墨烯的能带结构，达到精确调控石墨烯的光电导的目的。本专利技术的技术方案如下：利用n条不同波长λ1,λ2,λ3,...,λn的共振激光分别辐照特定金属天线-石墨烯复合超表面结构，激发出n条具有不同波长的表面等离子体激元(SPP)波，不同波长的表面等离子体激元(SPP)波产生不同的干涉场，不同干涉场的表面等离子体激元(SPP)波在石墨烯表面传输并与石墨烯作用后衰变转换成的热载流子浓度分布不同，从而改变石墨烯的能带结构，进而调控石墨烯的光电导，其中，n为正整数。其中，所述特定金属天线-石墨烯复合超表面结构的制备方法包括如下步骤：1)定义特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的主体结构包括：基底、单层石墨烯薄膜和金属天线阵列，所述基底位于底部，其材料为硅、石英玻璃、氟化钙或碳化硅，其形状为边长为1～2mm的正方体；所述基底的上表面覆盖单层石墨烯薄膜，单层石墨烯薄膜的厚度为0.5nm，其表面形状与基底表面形状相同，为边长为1～2mm的正方形；在所述单层石墨烯薄膜表面构建金属天线阵列，所述金属天线阵列中的每一个金属天线单元的形状和尺寸均相同，为长方体且该长方体的三个维度的尺寸分别为长l＝2500～3000nm、宽w＝400～800nm以及高t＝30～80nm，每一个金属天线单元之间平行于金属天线单元长度l方向的纵向空白间距为d，垂直于长度l方向的横向空白间距为s，金属天线单元的个数由基底面积和金属天线单元纵向空白间距为d和横向空白间距为s决定；2)特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算2-1)通过仿真软件对步骤1)中的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型进行仿真，得到该模型被特定波长λ0的共振激光激发出的表面等离子体激元(SPP)波的光场分布，其中，λ0不同于λ1,λ2,λ3,...,λn；2-2)根据步骤2-1)得到的SPP波本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种调控金属天线‑石墨烯复合超表面光电导的方法，其特征在于，该方法具体为：利用n条不同波长λ1,λ2,λ3,...,λn的共振激光分别辐照特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构，激发出n条具有不同波长的表面等离子体激元(SPP)波，不同波长的表面等离子体激元(SPP)波产生不同的干涉场，不同干涉场的表面等离子体激元(SPP)波在石墨烯表面传输并与石墨烯作用后衰变转换成的热载流子浓度分布不同，从而改变石墨烯的能带结构，进而调控石墨烯的光电导，其中，n为正整数，其中，所述特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构的制备方法包括如下步骤：1)定义特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构模型特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构模型的主体结构包括：基底、单层石墨烯薄膜和金属天线阵列，所述基底位于底部，其材料为硅、石英玻璃、氟化钙或碳化硅，其形状为边长为1～2mm的正方体；所述基底的上表面覆盖单层石墨烯薄膜，单层石墨烯薄膜的厚度为0.5nm，其表面形状与基底表面形状相同，为边长为1～2mm的正方形；在所述单层石墨烯薄膜表面构建金属天线阵列，所述金属天线阵列中的每一个金属天线单元的形状和尺寸均相同，为长方体且该长方体的三个维度的尺寸分别为长l＝2500～3000nm、宽w＝400～800nm以及高t＝30～80nm，每一个金属天线单元之间平行于金属天线单元长度l方向的纵向空白间距为d，垂直于长度l方向的横向空白间距为s，金属天线单元的个数由基底面积和金属天线单元纵向空白间距为d和横向空白间距为s决定；2)特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算2‑1)通过仿真软件对步骤1)中的特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构模型进行仿真，得到该模型被特定波长λ0的共振激光激发出的表面等离子体激元(SPP)波的光场分布，其中，λ0不同于λ1,λ2,λ3,...,λn；2‑2)根据步骤2‑1)得到的SPP波的光场分布仿真结果，利用计算机程序计算出特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构模型被特定波长λ0的共振激光激发所产生的SPP波的波长λ0_SPP，将该波长λ0_SPP作为SPP波的仿真预设波长；2‑3)根据步骤2‑2)计算出的SPP波的仿真预设波长λ0_SPP，设置金属天线阵列中相邻金属天线单元之间的纵向空白间距d的大小，并利用计算机程序对设置了纵向空白间距d的特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构模型进行数值仿真计算：若纵向空白距离设置为d＝m0×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波相长干涉的干涉场；若纵向空白距离设置为d＝(m0‑1/2)×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波相消干涉的干涉场；若纵向空白距离设置为(m0‑1/2)×λ0_SPP＜d＜m0×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波中间干涉态的干涉场，其中m0为正整数，基于上述设置了纵向空白间距d的特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算结果，制备特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构实物，其中，为消除SPP波在金属天线单元横向空白间距s中的干涉，三种干涉场中金属天线单元之间的横向空白间距s均设置为被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波衰变距离的两倍；3)制备特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构实物3‑1)脱水烘烤：将具有步骤1)所述材料和尺寸的附有单层石墨烯薄膜的基底放置在真空或干燥氮气的烘箱中，以150℃～200℃的温度烘烤30分钟；3‑2)旋转涂胶与软烤：利用旋涂机在经过步骤3‑1)处理的基底上的单层石墨烯薄膜表面旋涂一层厚度为40～100nm的光刻胶，首先将旋涂机的转速调整为500r/min，随后将旋涂机的转速增大至5000r/min以实现均匀旋涂，光刻胶均匀旋涂之后，将基底放置在真空软板中软烤2～5分钟，软烤温度为80～100℃，以去除光刻胶中的溶剂丙酮，使得光刻胶的曝光特性固定；3‑3)电子束曝光：利用步骤2‑3)得到的设置了纵向空白间距d的特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算结果，用聚焦电子束对经过步骤3‑2)处理的基底上的光刻胶进行曝光，得到特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构的天线阵列结构；3‑4)显影及蒸镀金属膜：利用显影液对经过步骤3‑3)处理的基底进行显影，接着，在显影后的基底表面蒸镀一层厚度为40nm的金属膜；3‑5)去胶(Lift‑off)：在经过步骤3‑4)处理的基底上使用丙酮溶液将剩余的光刻胶和附着在光刻胶上的金属一并去除，得到特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构的金属天线阵列结构，由此得到特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构。...

【技术特征摘要】
1.一种调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法，其特征在于，该方法具体为：利用n条不同波长λ1,λ2,λ3,...,λn的共振激光分别辐照特定金属天线-石墨烯复合超表面结构，激发出n条具有不同波长的表面等离子体激元(SPP)波，不同波长的表面等离子体激元(SPP)波产生不同的干涉场，不同干涉场的表面等离子体激元(SPP)波在石墨烯表面传输并与石墨烯作用后衰变转换成的热载流子浓度分布不同，从而改变石墨烯的能带结构，进而调控石墨烯的光电导，其中，n为正整数，其中，所述特定金属天线-石墨烯复合超表面结构的制备方法包括如下步骤：1)定义特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的主体结构包括：基底、单层石墨烯薄膜和金属天线阵列，所述基底位于底部，其材料为硅、石英玻璃、氟化钙或碳化硅，其形状为边长为1～2mm的正方体；所述基底的上表面覆盖单层石墨烯薄膜，单层石墨烯薄膜的厚度为0.5nm，其表面形状与基底表面形状相同，为边长为1～2mm的正方形；在所述单层石墨烯薄膜表面构建金属天线阵列，所述金属天线阵列中的每一个金属天线单元的形状和尺寸均相同，为长方体且该长方体的三个维度的尺寸分别为长l＝2500～3000nm、宽w＝400～800nm以及高t＝30～80nm，每一个金属天线单元之间平行于金属天线单元长度l方向的纵向空白间距为d，垂直于长度l方向的横向空白间距为s，金属天线单元的个数由基底面积和金属天线单元纵向空白间距为d和横向空白间距为s决定；2)特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算2-1)通过仿真软件对步骤1)中的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型进行仿真，得到该模型被特定波长λ0的共振激光激发出的表面等离子体激元(SPP)波的光场分布，其中，λ0不同于λ1,λ2,λ3,...,λn；2-2)根据步骤2-1)得到的SPP波的光场分布仿真结果，利用计算机程序计算出特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型被特定波长λ0的共振激光激发所产生的SPP波的波长λ0_SPP，将该波长λ0_SPP作为SPP波的仿真预设波长；2-3)根据步骤2-2)计算出的SPP波的仿真预设波长λ0_SPP，设置金属天线阵列中相邻金属天线单元之间的纵向空白间距d的大小，并利用计算机程序对设置了纵向空白间距d的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型进行数值仿真计算：若纵向空白距离设置为d＝m0×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波相长干涉的干涉场；若纵向空白距离设置为d＝(m0-1/2)×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波相消干涉的干涉场；若纵向空白距离设置为(m0-1/2)×λ0_SPP＜d＜m0×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波中间干涉态的干涉场，其中m0为正整数，基于上述设置了纵向空白间距d的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算结果，制备特定金属天线-石墨烯复合超表面结构实物，其中，为消除SPP波在金属天线单元横向空白间距s中的干涉，三种干涉场中金属天线单元之间的横向空白间距s均设置为被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波衰...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄小平，黄秋莹，张培锋，孙静泊，周杰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51