CN108428986B - 一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件，包括：自下而上依次设置的衬底，石墨烯层和电极；所述衬底包括至少一个孔结构，用于支撑石墨烯层和电极；所述石墨烯层覆盖在所述衬底的孔结构上，构成悬空石墨烯结构；所述电极用于电学测量和静电调控石墨烯载流子浓度，置于石墨烯层之上。本发明提供一种悬空石墨烯结构上支持的传播等离激元，这种结构可以有效消除石墨烯等离激元的介电损耗，降低等离激元的衰减率。另外，由于空气介电常数很小，悬空石墨烯上的等离激元波长很长，配合其低衰减的特性，可实现长波长的传播距离。

Description

一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面等离激元领域，特别涉及一种悬空石墨烯传播等离激元器件及其制备方法。
背景技术
石墨烯是一种碳原子按照六边形蜂窝状晶格结构组成的单原子层二维材料，其具有良好的电学性质，包括高的载流子迁移率，双极性载流子特性和易于调谐的载流子浓度等。另外，石墨烯具有优异的力学性质，因此可以支持悬空石墨烯结构稳定存在。
石墨烯上电子谐共振的等离激元可以将入射的光场能量局域在石墨烯的表面，形成沿着石墨烯表面传播的等离激元模式。这种等离激元具有具有高的局域场束缚和易于调谐的优良性质。但是，石墨烯等离激元具有较高的衰减率，主要来自两方面：一是石墨烯中的电子受到声子散射，二是等离激元极化周围介电环境的介电损耗。降低石墨烯等离激元的衰减，实现长距离的传播是将石墨烯等离激元作为波导应用的关键问题。
因此，需要一种能够有效消除石墨烯等离激元的介电损耗，降低等离激元的衰减率，进而实现长距离的传播的悬空石墨烯传播等离激元波导器件及其制备方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件，该器件包括：自下而上依次设置的衬底，石墨烯层和电极；所述衬底包括至少一个孔结构，用于支撑石墨烯层和电极；
所述石墨烯层覆盖在所述衬底的孔结构上，构成悬空石墨烯结构；
所述电极用于电学测量和静电调控石墨烯载流子浓度，置于石墨烯层之上。
优选地，所述衬底的几何尺寸为500μm-5cm，厚度为1μm-5cm；所述孔结构中，孔以阵列形式排布，孔之间的间距为1μm-4cm，孔径为0.5μm-5cm，孔深度为0.1μm到5㎝。
优选地，所述孔结构为盲孔或通孔的结构。所述孔结构的纵切面为台阶状结构，横向切面形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、五角形结构、正六边形、八角形。
优选地，所述衬底的材料为金属、无机晶体或有机塑料；其中所述金属材料选自铁、铝、铜、金、银、铂、钢；所述无机晶体材料选自硅、石英、蓝宝石、氟化钙、氟化镁、氮化硅、氮化镓。
其中，所述石墨烯层可使用化学掺杂和静电调控掺杂。优选地，所述石墨烯层数可选自1层至10层。
优选地，所述电极的材料选自铬、钛、铁、铝、铜、金、银、铂。
本发明中可通过两种方式激发等离激元，一种是使用中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光可以直接激发等离激元，另一种是入射红外光照射到样品中孔的边界而激发等离激元。其中，使用所述近场光学显微镜针尖扫描悬空样品表面可以获得悬空石墨烯上支持的等离激元波的干涉图案。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：选取衬底，在所述衬底上制备孔结构；所述衬底选用坚固、平整稳定的材料，可选自金属、无机晶体或有机塑料，所述金属可选自Al、Cu、Au、钢，所述无机晶体可选自硅，石英、氟化钙。
优选地，所述衬底选用厚度为300nm二氧化硅结合500μm的硅片。
其中，利用机械加工、干法或者湿法刻蚀的方法制作若干孔结构，其中所述孔结构的孔径为0.5μm-5cm，孔深度为0.1μm到5㎝。
优选地，所述孔结构的横向切面形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、五角形结构、正六边形、八角形。
优选地，所述孔结构为盲孔或通孔的结构，通孔之间的间距为1μm-4cm；所述孔结构的纵切面为台阶状的结构。
步骤二：制备石墨烯薄膜；
步骤三：将石墨烯薄膜置于所述衬底上，并覆盖孔结构形成悬空石墨烯层；
步骤四：制备电极结构，利用热蒸镀、电子束蒸镀、聚焦离子沉积、磁控溅射等方法制备电极；
步骤五：掺杂石墨烯层，可使用化学掺杂方法或使用电极栅压的讲点掺杂；其中，所述化学掺杂方法为使用硝酸蒸汽或者二氧化氮气体。
步骤六：近场激发和表征等离激元；采用中红外散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)针尖的散射光直接激发等离激元，或者采用入射光照射到样品中孔的边界而激发等离激元，并使用上述中红外散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)针尖扫描样品表面可以获得悬空石墨烯上支持的等离激元波的干涉图案。
所述样品为步骤一至步骤五中制备得到的悬空石墨烯传播等离激元波导器件。
本发明提供一种悬空石墨烯结构上支持的传播等离激元，这种结构可以有效消除石墨烯等离激元的介电损耗，降低等离激元的衰减率。另外，由于空气介电常数很小，悬空石墨烯上的等离激元波长很长，配合其低衰减的特性，可实现长波长的传播距离。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1a示出了本发明中悬空石墨烯传播等离激元波导器件的结构示意图。
图1b示出了本发明中悬空石墨烯传播等离激元波导器件的纵向剖面图。
图2示出了悬空石墨烯传播等离激元波导器件的实物光学显微镜照片。
图3a示出了使用所述中红外散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)针尖激发的扫描4个具有不同尺寸的圆形孔上的悬空石墨烯等离激元模式的近场图像。
图3b示出了边界激发的悬空石墨烯等离激元模式近场图像，其中左侧为单层石墨烯，右侧为4层石墨烯。
图4为本发明的所述孔结构的的横向剖面放大图。
图5为本发明的悬空石墨烯传播等离激元波导器件制备方法的流程图。
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
参见图1a、图1b，本发明提供一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件100，该器件包括：自下而上依次设置的衬底101，石墨烯层103和电极107；所述衬底101包括至少一个孔结构102，用于支撑石墨烯层103和电极107；所述石墨烯层103覆盖在所述衬底101的孔结构102上，构成悬空石墨烯结构；所述电极107用于电学测量和静电调控石墨烯载流子浓度，置于石墨烯层103之上，如图1b所示。
具体地，所述衬底101的材料为金属、无机晶体或有机塑料；其中所述金属材料选自铁、铝、铜、金、银、铂、钢；所述无机晶体材料选自硅、石英、蓝宝石、氟化钙、氟化镁、氮化硅、氮化镓。所述衬底101的几何尺寸为500μm-5cm，厚度为1μm-5cm；所述孔结构102中，孔以阵列形式排布，孔之间的间距为1μm-4cm，孔径为0.5μm-5cm，孔深度为0.1μm到5㎝。其中，所述石墨烯层103可使用化学掺杂和静电调控掺杂。进一步地，所述石墨烯层数可选自1层至10层。所述电极107的材料选自铬、钛、铁、铝、铜、金、银、铂。
其中，采用中红外散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)针尖106的散射光直接激发等离激元104，或者采用入射光105照射到样品中孔结构102的边界而激发等离激元104，并使用上述中红外散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM)针尖106扫描样品表面可以获得悬空石墨烯上支持的等离激元波的干涉图案，如图1a所示。参见图2，为悬空石墨烯传播等离激元波导器件的实物光学显微镜照片。
参见图3a、图3b，其中图3a为使用所述s-SNOM针尖激发的扫描4个具有不同尺寸的圆形孔上的悬空石墨烯等离激元模式的近场图像，测量的圆形孔的直径分别为：0.5μm，1μm,1.5μm,2.5μm。图3b为边界激发的悬空石墨烯等离激元模式近场图像，其中左侧为单层石墨烯，右侧为4层石墨烯。
根据本发明的一个优选实施例，所述孔结构102为通孔的结构。所述通孔的纵切面为台阶状结构(如图1b所示)，横向切面形状可为圆环形、圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、五角形结构、正六边形、八角形,如图4a-4g所示。
参见图5，,本发明还提供一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件制备方法，包括如下步骤：
步骤一：选取衬底，在所述衬底上制备孔结构。
根据本发明的一个优选实施例，所述衬底选用厚度为300nm二氧化硅结合500μm的硅片。然后利用机械加工、干法或者湿法刻蚀的方法在所述衬底上制作若干孔结构，其中所述孔结构的孔径为0.5μm-5cm，孔深度为0.1μm到5㎝。
进一步地，所述孔结构的横向切面形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、五角形结构、正六边形、八角形。所述孔结构为盲孔或通孔的结构，通孔之间的间距为1μm-4cm；所述孔结构的纵切面为台阶状的结构。
步骤二：制备石墨烯薄膜；
步骤三：将石墨烯薄膜置于所述衬底上，并覆盖孔结构形成悬空石墨烯层；
步骤四：制备电极结构，利用热蒸镀、电子束蒸镀、聚焦离子沉积、磁控溅射等方法制备电极；
步骤五：掺杂石墨烯层，可使用化学掺杂方法或使用电极栅压的讲点掺杂；其中，所述化学掺杂方法为使用硝酸蒸汽或者二氧化氮气体。
步骤六：近场激发和表征等离激元；采用中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光直接激发等离激元，或者采用入射光照射到样品中孔的边界而激发等离激元，并使用上述中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖扫描样品表面可以获得悬空石墨烯上支持的等离激元波的干涉图案。所述样品为步骤一至步骤五中制备得到的悬空石墨烯传播等离激元波导器件。
本发明提供一种悬空石墨烯结构上支持的传播等离激元，这种结构可以有效消除石墨烯等离激元的介电损耗，降低等离激元的衰减率。另外，由于空气介电常数很小，悬空石墨烯上的等离激元波长很长(波长可达800nm)，配合其低衰减(衰减率为1/20)的特性，可实现长波长的传播距离(边界激发传输距离可达10微米)。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (10)

1.一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件，该器件包括：自下而上依次设置的衬底，石墨烯层和电极；所述衬底包括至少一个孔结构，用于支撑石墨烯层和电极；所述石墨烯层覆盖在所述衬底的孔结构上，构成悬空石墨烯结构；所述电极置于石墨烯层之上，用于电学测量和静电调控石墨烯载流子浓度；
其中，所述等离激元可通过中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光直接激发；
所述等离激元也可通过入射红外光照射到样品中孔的边界而激发。
2.根据权利要求1所述的悬空石墨烯传播等离激元波导器件，其特征在于，所述衬底的几何尺寸为500μm-5cm，厚度为1μm-5cm；所述孔结构中，孔以阵列形式排布，孔之间的间距为1μm-4cm，孔径为0.5μm-5cm，孔深度为0.1μm到5㎝。
3.根据权利要求1所述的悬空石墨烯传播等离激元波导器件，其特征在于，所述孔结构为盲孔或通孔的结构，所述孔结构的纵切面为台阶状结构。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的悬空石墨烯传播等离激元波导器件，其特征在于，所述孔结构的横向切面形状为圆环形、圆形、椭圆形、三角形、矩形、五角形结构、正六边形、八角形中的一种。
5.根据权利要求1或2所述的悬空石墨烯传播等离激元波导器件，其特征在于，所述衬底的材料为金属、无机晶体或有机塑料；其中所述金属材料选自铁、铝、铜、金、银、铂、钢中的一种；所述无机晶体材料选自硅、石英、蓝宝石、氟化钙、氟化镁、氮化硅、氮化镓中的一种。
6.根据权利要求1所述的悬空石墨烯传播等离激元波导器件，其特征在于，所述石墨烯层可使用化学掺杂或静电调控掺杂，所述石墨烯层数可选自1层至10层。
7.一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：选取衬底，在所述衬底上利用机械加工、干法或者湿法刻蚀的方法制作若干孔结构；
步骤二：制备石墨烯薄膜；
步骤三：将石墨烯薄膜置于所述衬底上，并覆盖孔结构形成悬空石墨烯层；
步骤四：利用热蒸镀、电子束蒸镀、聚焦离子沉积、磁控溅射方法中的一种制备电极结构；
步骤五：掺杂石墨烯层，使用化学掺杂方法或使用电极栅压的静电掺杂；
步骤六：近场激发和表征等离激元；采用中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光直接激发等离激元，或者采用入射光照射到所述孔结构的边界而激发等离激元，并使用上述中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖扫描悬空石墨烯传播等离激元波导器件表面可以获得悬空石墨烯上支持的等离激元波的干涉图案。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤一中所述孔结构的孔径为0.5μm-5cm，孔深度为0.1μm到5㎝。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤一中所述孔结构的横向切面形状为圆形、椭圆形、三角形、矩形、五角形结构、正六边形、八角形中的一种。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤一中所述孔结构为盲孔或通孔的结构，通孔之间的间距为1μm-4cm；所述孔结构的纵切面为台阶状的结构。
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