專利名稱：基于石墨烯二維材料的金屬納米線表面等離子體調(diào)制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微納光子學(xué)元件，尤其涉及一種基于石墨烯二維材料的金屬納米線表面等離子體調(diào)制器。
背景技術(shù)：
由于表面等離子體的超衍射極限能力，使得它在微納光子學(xué)的研究領(lǐng)域中表現(xiàn)出巨大的潛力，近年來引起了研究者的廣泛關(guān)注。表面等離子體的理想材料是重金屬一類，如金，銀等。但這類重金屬難以調(diào)節(jié)其電子密度，因此，調(diào)制表面等離子體的難度很大，調(diào)制方案較少。近年來引起人們廣泛關(guān)注的石墨烯材料，由于其具有載流子速度快和費(fèi)米能級容易調(diào)節(jié)等特性，在光和等離子調(diào)制方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于石墨烯二維材料的金屬納米線表面等離子體調(diào)制器。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:一種基于石墨烯二維材料的金屬納米線表面等離子體調(diào)制器，它包括襯底、石墨烯和金屬納米線，其中，所述襯底包括第一二氧化硅層、硅層和第二二氧化硅層，第一二氧化硅層和第二二氧化硅層分別生長在硅層的上下表面上，石墨烯置于第一二氧化硅層上，石墨烯上連接第一電極，硅層上連接第二電極，金屬納米線的一端位于第一二氧化硅層上，另一端位于石墨烯上。進(jìn)一步地，所述第一二氧化娃層的厚度為30-300nm,優(yōu)選300nm。進(jìn)一步地，所述石墨烯為單層或雙層石墨烯二維材料。石墨烯通過機(jī)械剝離法或者化學(xué)沉積法直接在第一二氧化硅層上進(jìn)行制備。進(jìn)一步地，所述金屬納米線直徑為IOOnm-1OOOnm,材料優(yōu)選為銀或金。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明通過調(diào)節(jié)石墨烯中的載流子濃度，改變其費(fèi)米能級的位置，進(jìn)而改變石墨烯的光吸收特性，從而實現(xiàn)金屬納米線中表面等離子體的調(diào)制。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意 圖2為單層石墨烯的調(diào)制 圖3是關(guān)于雙層石墨烯的調(diào)制圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明基于石墨烯二維材料的金屬納米線表面等離子體調(diào)制器包括襯底、石墨烯4和金屬納米線7，其中，襯底包括第一二氧化硅層1、硅層2和第二二氧化硅層3，第一二氧化硅層I和第二二氧化硅層3分別生長在硅層2的上下表面上，石墨烯4置于第一二氧化硅層I上，石墨烯4上連接第一電極5，硅層2上連接第二電極6，金屬納米線7的一端位于第一二氧化娃層2上,另一端位于石墨烯4上。 第一二氧化硅層2的厚度為30-300nm，優(yōu)選300nm，
石墨烯4為單層或雙層石墨烯二維材料。石墨烯4通過機(jī)械剝離法或者化學(xué)沉積法直接在第一二氧化硅層2上進(jìn)行制備。石墨烯4的碳原子層數(shù)(單層或者雙層)，由拉曼光譜來進(jìn)行檢驗。金屬納米線7可由水熱法制備,直徑為IOOnm-1OOOnm,其材料優(yōu)選為銀或金。金屬納米線7的一小段伸出石墨烯層4與第一二氧化硅層2接觸，可以避免在調(diào)制過程中，入射光耦合進(jìn)入金屬納米線7的效率改變。在石墨烯4上連接第一電極5,娃層2上連接第二電極6,第一電極5和第二電極6既可以使用聚焦離子束沉積(FIB)進(jìn)行制備，也可以通過光刻技術(shù)進(jìn)行制備，或者采用點銀漿的方式實現(xiàn)，優(yōu)選使用光刻技術(shù)。電極的面積大小，不超過ΙμπιΧΙ μ m。通電時可以實現(xiàn)石墨烯4中注入電子或者空穴的目的，以此來改變石墨烯4中的費(fèi)米能級位置，從而改變石墨烯4對于金屬納米線中表面等離子體的吸收特性。本發(fā)明的工作過程如下:將第一電極5接入可變電壓源正極，第二電極6接入可變電壓源負(fù)極，可變電壓源電壓調(diào)節(jié)范圍為0V-40V。采用高倍高數(shù)值孔徑的物鏡，優(yōu)選100倍，0.9數(shù)值孔徑的顯微物鏡。用可見波段的激光，通過聚焦耦合的方法，照射金屬納米線7露出石墨烯的一端，激發(fā)其表面等離子體?？梢姴ǘ蔚募す猓瑑?yōu)選紅、綠波段。可見波段的激光，功率范圍為5-15毫瓦，優(yōu)選10毫瓦。改變可變電壓源的電壓，從而來調(diào)制在金屬納米線7中傳播的表面等離子體，可以實現(xiàn)在金屬納米線7的另一端輸出不同強(qiáng)度的調(diào)制光。單層石墨烯的調(diào)制效果如圖2所示。雙層石墨烯的調(diào)制效果如圖3所示。兩幅調(diào)制圖均顯示，在施加電壓的情況下，該結(jié)構(gòu)能夠很好的調(diào)制金屬納米線中傳播的表面等離子體。本發(fā)明的創(chuàng)新性和進(jìn)步性在于，利用原子級別厚度的石墨烯二維材料，實現(xiàn)了目前難以克服的金屬表面等離子體的調(diào)制。器件尺寸非常小，可實現(xiàn)微納集成。本發(fā)明的器件特色和實質(zhì)性應(yīng)用在于，在器件的尺寸為40 μ m *1 μ m時，可以實現(xiàn)3dB金屬納米線中表面等離子體的調(diào)制深度。在第一電極5的面積小于I μ m*l μ m時，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的工作速度可以實現(xiàn)lOOMHz-lGHz。
權(quán)利要求
1.一種基于石墨烯二維材料的金屬納米線表面等離子體調(diào)制器，其特征在于，它包括襯底、石墨烯(4)和金屬納米線(7 )等，其中，所述襯底包括第一二氧化硅層(I)、硅層(2 )和第二二氧化硅層(3)，第一二氧化硅層(I)和第二二氧化硅層(3)分別生長在硅層(2)的上下表面上，石墨烯(4)置于第一二氧化硅層(I)上，石墨烯(4)上連接第一電極(5)，硅層(2)上連接第二電極(6)，金屬納米線(7)的一端位于第一二氧化硅層(2)上，另一端位于石墨烯(4)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于石墨烯二維材料的金屬納米線表面等離子體調(diào)制器，其特征在于，所述第一二氧化娃層(2)的厚度為30-300nm,優(yōu)選300nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于石墨烯二維材料的金屬納米線表面等離子體調(diào)制器，其特征在于，所述石墨烯(4)為單層或雙層石墨烯二維材料；石墨烯(4)通過機(jī)械剝離法或者化學(xué)沉積法直接在第一二氧化硅層(2)上進(jìn)行制備。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于石墨烯二維材料的金屬納米線表面等離子體調(diào)制器，其特征在于，所述金屬納米線(7)直徑為lOOnm-lOOOnm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于石墨烯二維材料的金屬納米線表面等離子體調(diào)制器，其特征在于，所述金屬納米線(7)的材料優(yōu)選為銀或金。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于石墨烯二維材料的金屬納米線表面等離子體調(diào)制器，將金屬納米線放置于石墨烯上，用激光器激發(fā)金屬納米線的表面等離子體。金屬納米線的表面等離子體在傳播過程中，與石墨烯材料通過能級躍遷相互作用。調(diào)節(jié)石墨烯的費(fèi)米能級，可以極大地改變石墨烯的光吸收特性，增加或減少石墨烯對于金屬納米線中表面等離子體的吸收，從而實現(xiàn)表面等離子體的調(diào)制。由于石墨烯具有尺寸小(單原子層)，載流子速度快，費(fèi)米能級容易調(diào)節(jié)等特點，使得本發(fā)明結(jié)構(gòu)在表面等離子的吸收調(diào)制中，表現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢。
文檔編號G02B6/122GK103105644SQ20131001437
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月16日
發(fā)明者楊青, 錢浩亮, 馬耀光, 劉旭 申請人:浙江大學(xué)