一种调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置，该装置包括：一高导电材料衬底；在高导电材料衬底上形成的一绝缘层；在绝缘层上形成的一二维晶体单层；在二维晶体单层上形成的一透光介质层；以及在透光介质层上形成的具有周期性单元结构的金属纳米超材料。本实用新型专利技术基于金属表面等离激元共振原理，利用金属纳米超材料各向异性共振场调控半导体荧光场，实现偏振荧光并达到偏振可调的目的。本实用新型专利技术调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置，有效拓宽了二维晶体禁带荧光的线性可调范围和温度适用范围。

A device to modulate the polarization of two-dimensional crystal band gap fluorescence

The utility model discloses a device for modulating the polarization of band gap fluorescence of two-dimensional crystal, the device includes: a high conductive material substrate; an insulating layer formed on the high conductive material substrate; a two-dimensional crystal monolayer formed on the insulating layer; a light transmitting medium layer formed on the two-dimensional crystal monolayer; and gold with periodic unit structure formed on the light transmitting medium layer It belongs to nanometer super material. Based on the principle of metal surface plasmon resonance, the utility model uses the anisotropic resonance field of metal nano super material to regulate the semiconductor fluorescence field, so as to realize polarization fluorescence and achieve the purpose of polarization adjustable. The device for modulating the polarization of two-dimensional crystal band gap fluorescence effectively widens the linear adjustable range and temperature applicable range of two-dimensional crystal band gap fluorescence.

【技术实现步骤摘要】
一种调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置
本技术属于纳米光电子
，具体涉及一种调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置。
技术介绍
极性可调的微纳光源在信息安全、高灵敏传感、结构分析、病原体诊断等方面具备特殊优势。近年兴起的新型二维晶体具有广泛的直接禁带选择性、结构稳定性、光电可调性和衬底多样性，具备片上微纳光源的优异条件。但由于室温下荧光的偏振随机性限制了微纳光源的应用范围，因此需要对片上光源进行偏振调制。宏观光路利用偏振片和偏振棱镜来调制光的偏振。偏振片主要由聚乙烯醇偏光膜在上下两面复合上透明的三醋酸纤维素保护膜组成。聚乙烯醇偏光膜的主要成分是聚乙烯醇和碘，采用湿法拉伸工艺制成。典型的工艺过程是：首先，用流延法或熔融挤出法制得透明的聚乙烯醇厚膜，将其浸入含碘的化合物溶液中反应，对薄膜进行碘染色；然后，在不同速度旋转的辊子间，按一定的方向将PVA膜单向拉伸3～5倍，使聚乙烯醇分子键高度取向，同时将嵌入其中的碘分子定向，使其具有二向色性，吸收偏振方向与拉伸方向相同的光分量，透射与拉伸方向垂直的光分量。由于聚乙烯醇偏光膜在温热的环境中很快发生变形、收缩、松弛、衰退等，而且强度很低、质脆易破、不便于使用和加工。因此需要在其上下表面贴附具有高透光率、耐温热性好、强度高及光学上各向同性的三醋酸纤维素保护膜。这使偏振片厚度加大，不能直接集成于光子器件上。此外，偏振器还可由二向色性晶体，例如方解石，按照特有的长宽比例和端面角度要求进行设计、切割、抛光组装而成。虽然偏振棱镜制备的偏振器具有消光比高、透射率高和损伤阈值高的优势。但其块状的晶体特征，使得其在微纳光子系统中的实用性和兼容性非常低。因此，不论是从材料结构还是加工工艺，传统偏振元件都不适用于光子芯片。有别于宏观光学元件，片上光子器件调制有其特有的理论基础和工作方法。在二维晶体荧光偏振性调制方面，前人采用温度和磁场作为两种调制手段进行研究。首先，在低温下，利用二维晶体谷极化效应可以产生线偏振荧光。二维晶体谷极化指单层晶体因中心对称破缺在K空间形成了两个谷(K+和K-)。这两个谷可被圆偏振光探测，受外界圆偏振激光激发时，会发射相应属性的圆偏振荧光。因线偏振光是左、右旋光的相干叠加，所以当用线偏振光激发二维晶体时，其中的左、右旋成分会分别与左、右谷发生作用，使左、右谷电子同时从各自价带跳到导带，发出左、右旋荧光，二者相干叠加形成线偏振荧光。该过程发生需要满足一个重要条件，即左、右谷激子的退相干时间大于电子-空穴复合时间。反之，在电子空穴复合前左、右谷激子已经退相干则只能得到随机偏振荧光。温度越高，声子共振引起的谷间散射越强，退相干时间越短，这是室温下偏振随机的主要原因。温度越低谷间散射越小，退相干时间越长，荧光线偏性越好。利用此原理，在极低温30K下，相关工作已经测得35％的荧光线性度。其次，当不加磁场时，低温下线偏振荧光的光轴与激发激光的光轴永远保持平行；当加一个垂直于二维晶体表面的磁场时，线偏振荧光的偏振方向会受谷Zeeman分裂效应的影响而发生偏转，同时偏振度降到16％。由此可见，温度和磁场是调制二维晶体荧光偏振性的可行手段。但是这两种方法有其自身的缺点和局限：一是荧光偏振性调制力度小；二是极端条件下，难以广泛应用。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为克服上述调制方法的缺点和不足，本技术提出采用各向异性超材料调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置，以解决二维晶体禁带荧光的偏振调制力度小、受温度限制的问题。(二)技术方案本技术提供了一种对二维晶体禁带荧光偏振性进行调制的装置，该结构包括：一高导电材料衬底；在所述高导电材料衬底上形成的一绝缘层；在所述绝缘层上形成的一二维晶体单层；在所述二维晶体单层上形成的一透光介质层；以及在所述透光介质层上形成的具有周期性单元结构的金属纳米超材料。其中，所述高导电材料衬底是高掺杂硅或金属，厚度为500-750μm，所述高导电材料起到结构支撑的作用，并对所述二维晶体单层荧光进行反射；其中，所述绝缘层是SiO2、Al2O3，厚度为270-310nm，所述绝缘层作为二维晶体单层的生长衬底；其中，所述二维晶体单层为过渡金属硫族化合物MX2，其中M＝Mo、W；X＝S、Se、Te；所述二维晶体单层厚度小于1nm，所述二维晶体单层在泵浦光的激发下，发射荧光；其中，所述透光介质层为Al2O3或SiO2，厚度为10-50nm，所述透光介质层的厚度影响所述金属纳米超材料在激发场处的共振透射和吸收，对荧光强度进行调制，且所述透光介质层保护二维晶体材料，免受水、氧或杂质离子的影响；其中，所述金属纳米超材料是金、银、铝等金属的纳米结构，厚度为30-100nm。其中，所述具有周期性单元结构的金属纳米超材料，具有线型、V型或N型空气隙结构；所述V型或N型空气隙结构与水平方向的夹角为空气隙倾角θ。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本技术提出的对二维晶体禁带荧光偏振性进行调制的装置，具有以下有益效果：(1)本技术提供的对二维晶体禁带荧光偏振性进行调制的装置，采用超材料对二维晶体禁带荧光偏振性进行调制，由于超材料表面等离激元共振是光与超材料表面电子的集体共振行为，不受温度影响，因此本技术提出的偏振调制方法有效拓宽温度适用范围。(2)本技术提供的对二维晶体禁带荧光偏振性进行调制的装置，通过优化结构设计，调节超材料共振模与二维晶体荧光之间的的耦合程度，产生不同线性度的荧光信号，进而可拓宽线性度可调范围。(3)本技术提供的对二维晶体禁带荧光偏振性进行调制的装置，由于超材料尺寸小、不受光学衍射极限限制、且适合片上定点集成，使得该装置的尺寸灵活可调，适用于片上集成和微纳光源调制。可调控的最小面积由超材料结构单元决定，在百纳米平方量级，为芯片级光子器件、系统和功能开发提供器件基础。(4)本技术提供的对二维晶体禁带荧光偏振性进行调制的装置，在制备过程中，通过蒸镀方法制得的透光介质层将二维晶体与外界隔绝，降低水、氧等因素对二维晶体的影响，提高了器件寿命。(5)本技术提供的对二维晶体禁带荧光偏振性进行调制的装置，其中的二维晶体的衬底材料具有多重选择性，与硅基光子平台和微纳制备技术有良好的兼容性。附图说明图1为依照本技术实施例的调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置结构示意图。图2为依照本技术提出的调制二维晶体禁带荧光偏振性装置的制备方法流程图。图3为图1所示调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置的测试流程图。图4A为依照本技术一实施例的WS2单层光学成像图。图4B为依照本技术一实施例的WS2单层在TE、TM方向的荧光光强图。图4C为依照本技术一实施例的WS2单层荧光峰值随出射角度的变化图。图4D为依照本技术一实施例的WS2单层荧光线性度随荧光波长的变化曲线图。图5A为依照本技术实施例的纳米线栅S本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置，其特征在于，包括：/n一高导电材料衬底；/n在该高导电材料衬底上形成的一绝缘层；/n在该绝缘层上形成的一二维晶体单层；/n在该二维晶体单层上形成的一透光介质层；以及/n在该透光介质层上形成的具有周期性单元结构的金属纳米超材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置，其特征在于，包括：
一高导电材料衬底；
在该高导电材料衬底上形成的一绝缘层；
在该绝缘层上形成的一二维晶体单层；
在该二维晶体单层上形成的一透光介质层；以及
在该透光介质层上形成的具有周期性单元结构的金属纳米超材料。


2.根据权利要求1所述的调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置，其特征在于，所述高导电材料衬底是高掺杂硅或金属衬底，厚度为500-750μm；该高导电材料衬底起到结构支撑的作用，并对所述二维晶体单层发出的荧光进行反射。


3.根据权利要求1所述的调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置，其特征在于，所述绝缘层是SiO2、Al2O3，厚度为270-310nm；所述绝缘层作为所述二维晶体单层的生长衬底。


4.根据权利要求1所述的调制二维晶体禁带荧光偏振性的装置，其特征在于，所述二维晶体单层为过...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩春蕊，叶剑挺，齐月静，王宇，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：新型
国别省市：北京;11