一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件及方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件及方法属于石墨烯氧化钼异质结技术领域。包括自上而下依次设置的石墨烯覆盖层、氧化钼薄层和衬底层，所述石墨烯覆盖层上设置有金属天线，本发明专利技术依靠化学掺杂或者电学栅压动态调控石墨烯的载流子浓度，从而实现异质结构中激发的双曲声子极化激元和等离激元杂化模式波前形状的动态调控以及拓扑转变。依靠改变载流子浓度的手段实现了动态调控石墨烯氧化钼异质结杂化激元的波前形状，所述方法简单易行，调控手段灵活精确。调控手段灵活精确。调控手段灵活精确。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件及方法


[0001]本专利技术涉及石墨烯氧化钼异质结
，更具体的说是一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件及方法并涉及石墨烯氧化钼异质结器件及其制备方法。

技术介绍

[0002]在凝聚态物理中，材料能带费米面的形状改变(拓扑变化)直接影响材料的电学性能，从而导致超导、拓扑绝缘体等一系列新颖的物理现象的出现。因此，材料的拓扑相变一直是学术界的研究热点。相对于电子体系的拓扑相变，光学领域的拓扑相变手段较为缺乏。近期随着光学转角体系拓扑相变研究的兴起，其对光子的调控提供了一个全新的维度，对光学成像，光子集成以及量子光学产生重要的影响。
[0003]不同于石墨烯与氮化硼等二维材料，氧化钼是一种双轴各向异性材料。在红外波段内其面内等频线是双曲形状，可以产生的双曲波前的声子极化激元，实现光沿在某一特殊方向传播，同时抑制垂直方向的极化波传输。因此，具有明显的传播各向异性以及低损耗的特性。目前，利用双曲声子激元可以实现平面内的纳米聚焦，负折射，超透镜等多方面的应用，因而在平面光学中控制与调控光领域具有重要的应用。
[0004]杂化激元是研究不同极化激元模式(包括等离激元，声子激元，激子激元以及磁子激元等)相互耦合的一种新模式。相比于单一的激元模式，杂化激元模式融合了不同激元模式的优点。在石墨烯氧化钼异质结构中，可以激发石墨烯的等离激元与氧化钼的声子极化激元进行杂化。这种杂化激元融合了等离激元载流子可调的性能以及声子激元低损耗的优点，在光调控领域具有较为广阔的应用价值。
[0005]对于极化激元传输波前的调控一直以来都是微纳光学领最为重要的研究方向之一。在现有技术中，依靠构造超材料或者是使用双层氧化钼转角可以实现极化激元波前的拓扑转变。但是，其波前形状由双层氧化钼转角的结构相对确定，无法实现在特定频率下动态连续调控极化激元的波前形状。另一方面，利用超材料会引入巨大的损耗，不利于平面内波的传输。
[0006]为了解决上述问题，如何提供一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件及方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

[0007]有鉴于此，本专利技术提供了一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件及方法，该器件石墨烯氧化钼异质结平面光学器件依靠改变载流子浓度从而实现动态连续调控极化激元波前形状，并且实现由开口的双曲波前面到闭合的椭圆波前面的转化。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件，该器件包括：
[0010]自上而下依次设置的石墨烯覆盖层、氧化钼薄层和衬底层，所述石墨烯覆盖层上设置有金属天线；
[0011]优选的，所述金属天线的几何尺寸为10nm
‑
30um，厚度20nm
‑
5um。
[0012]更优的，所述金属天线的材料为自铁、铝、铜、金、银、铂、钢；
[0013]更优的，所述金属天线的形状为棒状、长方体，椭圆体等。
[0014]优选的，所述氧化钼薄层的几何尺寸为1um
‑
50um，厚度为10nm
‑
1um。
[0015]优选的，所述石墨烯覆盖层通过费米能级变化实现，所述费米能级变化通过化学掺杂以及电学栅压调控。
[0016]优选的，所述电学栅压调控通过底栅结构以及顶栅结构实现，其中，施加的偏压0
‑
100V，调控石墨烯载流子浓度为0
‑1×
10
14
cm
‑2；所述化学掺杂通过引入气体以及固体材料与石墨烯功函数差别进行石墨烯费米能级调控。
[0017]优选的，所述衬底层包括依次设置的二氧化硅衬底以及设置在所述二氧化硅衬底上部的金衬底；所述金衬底上部设置所述氧化钼薄层；
[0018]所选用入射的电磁波集中在红外区域，所述区域主要波数为545
‑
1200cm
‑1。
[0019]更优的，所述衬底层的材料包括任意平整的金属材料、无机介电材料和有机高分子材料等。
[0020]更优的，金属材料包括金、银、铜、铁、铝；所述无机介电材料选自二氧化硅、硅、石英、蓝宝石、锗、氧化铝、氮化硼、氟化钙、氟化镁、砷化镓、氮化镓；所述有机高分子材料衬底选自PET、PMMA、PDMS和塑料等。
[0021]另一方面，本专利技术还提供了一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件的制备方法，包括如下步骤：
[0022]S100：制备氧化钼薄层；
[0023]S200：制作金属天线；
[0024]S300：制备衬底层，将样品氧化钼置于所述衬底层上；
[0025]S400：制备单层石墨烯，并将石墨烯转移到氧化钼上，制备上层介质层和转移金属电极形成底栅结构；
[0026]S500：制备金属天线于石墨烯上，选择水平偏振光入射到金属天线上，激发异质结中双曲声子激元和等离激元杂化模式；
[0027]S600：改变化学掺杂或者电学栅压大小，调控石墨烯载流子浓度，得到不同形状的极化激元波前。
[0028]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件及方法，具体说是一种载流子诱导石墨烯氧化钼异质结中杂化激元波前拓扑变化的调控器件及其制备方法。通过改变化学掺杂或者电学栅压大小，动态调控石墨烯载流子浓度，实现异质结构中激发的双曲声子激元和等离激元杂化模式波前形状的动态调控。具体有益效果如下：
[0029](1)通过改变化学掺杂或者电学栅压大小，动态调节石墨烯载流子浓度，实现杂化激元的波前形状动态调控—由开口的双曲波前面到闭合的椭圆波前面的转化；
[0030](2)结合了石墨烯等离激元以及声子极化激元的优点，实现了动态调控，低损耗的传播；
[0031](3)所提供的器件可以应用于平面光学领域，器件小型化易于集成；
[0032](4)通过选用的石墨烯与氧化钼，避免了构造人工超材料加工引入的缺陷所带来
的损耗。
附图说明
[0033]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0034]图1为本专利技术提供的电压调控石墨烯氧化钼异质结器件结构示意图；
[0035]图2为本实施例1提供的石墨烯氧化钼异质结器件制备方法流程图；
[0036]图3(a)为实施例2提供的金衬底下0.1eV费米能级情况下杂化激元波前的实验图；
[0037]图3(b)为本实施例2提供的图3(a)的傅里叶变换效果图；
[0038]图3(c)为本实施例2提供的金衬底下0.7eV费米能级情况下杂化激元波前的实验图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件，其特征在于，该器件包括：自上而下依次设置的石墨烯覆盖层、氧化钼薄层和衬底层，所述石墨烯覆盖层上设置有金属天线。2.根据权利要求1所述的一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件，其特征在于，所述金属天线的几何尺寸为10nm
‑
30um，厚度20nm
‑
5um。3.根据权利要求1所述的一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件，其特征在于，所述氧化钼薄层的几何尺寸为1um
‑
50um，厚度为10nm
‑
1um。4.根据权利要求1所述的一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件，其特征在于，所述石墨烯覆盖层通过费米能级变化实现，所述费米能级变化通过化学掺杂以及电学栅压调控。5.根据权利要求4所述的一种石墨烯氧化钼异质结极化激元波前调控器件，其特征在于，所述电学栅压调控通过底栅结构以及顶栅结构实现，其中，施加的偏压0
‑
100V，调控石墨烯载流子浓度为0

【专利技术属性】
技术研发人员：戴庆，胡海，腾汉超，陈娜，曲云鹏，
申请(专利权)人：国家纳米科学中心，
类型：发明
国别省市：