可調諧的納米天線及其製備方法
2023-05-14 04:47:51
可調諧的納米天線及其製備方法
【專利摘要】本發明提供可調諧的納米天線，包括三層，上層的金屬結構、中間層的單層石墨烯、底部的基底材料，上層的金屬結構為蝴蝶結型結構，所述蝴蝶結型結構包括兩個等腰梯形和一個正方形組成。可調諧的納米天線的製備方法，包括如下步驟：利用化學氣相沉積法方法在SiO2-基底上覆蓋一層單層石墨烯；在單層石墨烯表面旋塗光刻膠；用電子束刻蝕技術完成結構的刻蝕和顯影；採用真空電子束蒸鍍技術實現金層的蒸鍍；經過lift-off過程得到最終的納米光學天線。尺寸小：該超材料結構厚度在幾十納米級別，更加有利於集成光學中的應用。信號強度高：在特定頻率入射光的照射下，該納米光學天線對磁場增強可達20000多倍，更便於信號的探測。調製效果明顯。
【專利說明】可調諧的納米天線及其製備方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及集成光學領域，尤其涉及可調諧的納米天線及其製備方法。
【背景技術】
[0002] 納米天線通常只對特定頻率的電磁波產生諧振，只有當入射光為特定波長時才會 產生局域場增強，因此並不具備可調諧的性質。
[0003] 目前大多數的納米天線只能提供電局域場增強，而不能提供強的磁局域場增強。
[0004] 目前在中紅外波段實現可調諧的納米天線對響應波長的調節能力有限，同時對局 域場的增強強度較低。
[0005] 納米光學天線由具有周期性的稀有金屬（金、銀、銅等）納米結構組成，其基本原 理是當光照射在金屬與介質分界面時，由於金屬材料的介電常數在可見光波段及紅外波段 為負數，金屬表面的自由電子將會隨著電場振蕩，當電子的振蕩頻率和入射電磁波的頻率 一致時就會產生共振，將會產生表面等離子體激元（SPPs)，這種共振效應會產生強的自由 電子集體振蕩。由於表面等離子體激元是金屬和介質交界面的一種電磁場分布模式，因而 通過在金屬和介質的交界面上通過求解Maxwell (麥克斯韋）方程可知界面兩邊介質的介 電常數必須一正一負，而普通金屬在等離子體頻率下為負介電常數，故表面等離激元出現 在金屬介質界面上，又由於納米天線尺寸在微納米量級，因此反饋間隙很小，導致很強的靜 電耦合，從而可以獲得巨大的電磁場。目前研究的光學納米天線多為對稱振子結構，由兩片 金屬薄膜和其中的反饋間隙構成。共振天線的長度取決於入射光的波長。從理論上來說， 共振時天線長度約為入射光波長的一半，可實際上卻比入射光波長的一半要小得多。納米 天線振子臂形狀可為長方形，梯形，蝴蝶結形等，薄膜材料多為金屬或者碳納米管。由於納 米光學天線具有獨特的光學性能，其目前已被廣泛地應用於生物醫學、太陽能利用、高靈敏 度檢測器、非線性光學及光催化等領域。
[0006] 傳統天線可以進行直接的調製，比如改變收音機或電視的天線方向/長度以達到 調控天線的目的，與之類似，納米天線也可以通過調控以達到可對不同頻率入射光產生響 應的性能。目前對納米光學天線的調控分為通過改變天線設計的被動控制和通過改變天線 周圍工作環境的主動控制模式。前者是指通過從天線的設計參數入手改變天線的結構參數 或者其納米構件的組合方式，進而改變天線的工作頻率、增益、方向性等性能，從而達到納 米天線的調控，即結構決定功能。後者是指通過改變天線周圍介質的介電常數，以可達到改 變天線性能參數，這種調控以主動形式非結構上調控天線。其在化學方法上可通過導電高 分子薄膜電化學氧化/還原轉換或者通過氧化/還原雙態可逆分子開關來實現，而在物理 方法上可以通過覆蓋光電激活介質（如液晶）以外加電場來達到調控目的。
[0007] 然而，目前的可調納米天線對光頻率的調製能力有限，而且需要用來實現調控的 功能層往往在實驗上比較難獲得，結構也比較笨重，不利於集成，因此很難有實際的應用， 同時，目前在中紅外波段的納米天線只能產生微弱的磁諧振，對於入射光波的增強作用僅 為幾十倍，所以產生的信號比較微弱。
【發明內容】
[0008] 針對現有可調控納米天線的不足，為了有效提高納米天線光學器件的調製能力和 信號強度（即增加其局域場強度），從而實現高速光開關、光調製器等全光器件的設計，特 提出以下將納米天線和石墨烯組成複合結構以實現新型的高效、快速的可調諧的納米天 線，並給出相應製備方案。
[0009] 為了解決現有技術中問題，本發明提供了一種可調諧的納米天線，其包括三層， 上層的金屬結構、中間層的單層石墨烯、底部的基底材料，上層的金屬結構為蝴蝶結型結 構，所述蝴蝶結型結構包括兩個等腰梯形和一個正方形組成，兩個等腰梯形的上底位於正 方形相對的兩條邊上，兩個等腰梯形的上底的長度和正方形的變成相等，正方形的邊長G 為20±2nm，兩個等腰梯形的下底的長度D為1.2±0. Ιμπι，兩個等腰梯形的高相等，兩個 等腰梯形的高的長度加上正方形的邊長的長度等於等腰梯形的下底的長度D，可調諧的 納米天線的周期P = 2. 5±0· 2 μ m，金屬結構厚度H1 = 20±5nm，單層石墨烯厚度％ = 0. 33nm±0. 05nm。
[0010] 作為本發明的進一步改進,正方形的邊長G為20±lnm。
[0011] 作為本發明的進一步改進，兩個等腰梯形的下底的長度D為1.2±0.05μπι。
[0012] 作為本發明的進一步改進，可調諧的納米天線的周期P = 2. 5±0. 1 μ m。
[0013] 作為本發明的進一步改進，金屬結構厚度H1 = 20±3nm。
[0014] 作為本發明的進一步改進，單層石墨烯厚度H2 = 0· 33nm±0. 03nm。
[0015] 作為本發明的進一步改進，二氧化矽作為基底材料。
[0016] 作為本發明的進一步改進，上層的金屬結構為金。
[0017] 上述任意一項的可調諧的納米天線的製備方法，包括如下步驟：
[0018] 利用化學氣相沉積法方法在SiO2基底上覆蓋一層單層石墨烯；
[0019] 在單層石墨烯表面旋塗光刻膠；
[0020] 用電子束刻蝕技術完成結構的刻蝕和顯影；
[0021] 採用真空電子束蒸鍍技術實現金層的蒸鍍；
[0022] 經過剝離過程得到最終的納米光學天線。
[0023] 本發明的有益效果是：
[0024] 尺寸小：該超材料結構厚度在幾十納米級別，更加有利於集成光學中的應用。
[0025] 信號強度高：在特定頻率入射光的照射下，該納米光學天線對磁場增強可達 20000多倍，更便於信號的探測。
[0026] 調製效果明顯：該光學納米天線的可調性好，隨外加電壓的改變，諧振位置與諧振 強度均有明顯改變。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1是常見的納米天線結構示意圖；
[0028] 圖2是本發明可調諧的納米天線的結構示意圖；
[0029] 圖3是本發明可調諧的納米天線的俯視圖；
[0030] 圖4是本發明可調諧的納米天線的側視圖；
[0031] 圖5是本發明反射譜；
[0032] 圖6是本發明磁場增強圖；
[0033] 圖7是本發明光學納米天線在不同外加電壓下的反射譜。
[0034] 圖1中，（a)為長方形納米天線結構，（b)為梯形納米天線結構，（C)為蝴蝶結形納 米天線結構，（d)為圓柱形納米天線結構。
【具體實施方式】
[0035] 下面結合附圖對本發明做進一步說明。
[0036] 在該設計中，將石墨烯作為蝴蝶結天線下部的襯底材料，利用石墨烯的特殊性能 使納米光學天線有可調控的性能。具有特殊光學性質特別是具有光學磁響應的納米天線 一般是由金屬納米結構構成，特殊設計的納米天線能夠很好地把光局域在納米量級的空間 上，從而在結構內部具有非常強的局域場，現有的設計顯示，在超材料與襯底材料接觸的表 面磁場強度可以增強1000倍以上。而石墨烯是已知的世上最薄、最堅硬的納米材料，它幾 乎是完全透明的，只吸收2. 3%的光，具有較低的損耗，同時，由於其具有在不同電壓下具有 不同介電常數的性質，因此通過控制電壓，即可以達到控制石墨烯即襯底材料電磁屬性的 目的，從而可以調節局域場的強度和響應頻率，以實現該納米光學天線的可調。在擬定的本 發明中，將單層0. 33nm厚或者多層NXO. 33nm(N為層數）（X為乘號）的石墨烯墊在金屬超 材料和基底二氧化矽之間，由於特別設計的納米光學天線對於襯底材料的電磁屬性極為敏 感，因此當調節電壓來改變石墨烯材料的電磁性質時，該納米光學天線的性質就會隨之改 變，其對入射光的響應頻率會發生改變，從而達到可調控的功能，與此同時其產生的局域場 的場強也會有相應的改變，在一些情況下也可作為光學開光進行應用。
[0037] 如圖2所示：一個結合了石墨烯的光學納米天線，主體結構是由超材料組成，超材 料結構由蝴蝶結型結構組成，其包括上層的金屬結構1〇〇,中間層是單層石墨烯200,底部 是基底材料300。在本發明中，將二氧化矽作為基底材料300,因為二氧化矽在中紅外波段 性質比較穩定，沒有色散。
[0038] 該納米光學天線中的蝴蝶結結構是金屬材料，在此選用金作為金屬塊的材料，因 為金在中紅外波段的損耗相比銀而言更小。其中製備部分的難度在於如何製備出損耗比較 小的結構，以及製備缺陷較小的單層石墨烯，因為該結構是將金屬結構放在單層石墨烯上 面組成的納米材料，所以金屬的損耗程度與單層石墨烯的完整度對其性能影響很大，而這 兩項指標與其製備的精度密切相關，目前國際上主要的製備金屬納米膜的辦法是電子束蒸 鍍，這樣子得到的材料純度比較高，表面比較平整，損耗比較小。而製備石墨烯則有微機械 剝離，氧化還原，化學氣相沉積法（CVD)等。
[0039] 涉及的結構製備的流程如下：首先利用CVD方法在SiO2基底上覆蓋一層單層石 墨烯（SLG)，然後在單層石墨烯（SLG)表面旋塗光刻膠，再用電子束刻蝕技術完成結構的刻 蝕和顯影，接下來採用真空電子束蒸鍍技術實現金層的蒸鍍，最後經過剝離過程得到最終 的納米光學天線。
[0040] 該結構的幾何設計如圖3,圖4所示，一種可調諧的納米天線，其包括三層，上層 的金屬結構、中間層的單層石墨烯、底部的基底材料，上層的金屬結構為蝴蝶結型結構，所 述蝴蝶結型結構包括兩個等腰梯形和一個正方形組成，兩個等腰梯形的上底位於正方形 相對的兩條邊上，兩個等腰梯形的上底的長度和正方形的變成相等，正方形的邊長G為 20±2nm，兩個等腰梯形的下底的長度D為1.2±0. Ιμπι，兩個等腰梯形的高相等，兩個 等腰梯形的高的長度加上正方形的邊長的長度等於等腰梯形的下底的長度D，可調諧的 納米天線的周期P = 2. 5±0· 2 μ m，金屬結構厚度H1 = 20±5nm，單層石墨烯厚度％ = 0. 33nm±0. 05nm。
[0041] 將該結構在不通電（即石墨烯不起作用的狀態下）時置於TE偏振的光源照射下 時，能夠有效激髮結構的諧振效應，該結構的反射譜如圖5所示。由圖5可見該結構的磁 諧振波長在6850nm，此時在金屬結構與石墨烯介質層接觸處的磁場強度增強可達到20000 倍以上，同時該磁場主要局限在天線中對稱的兩個振子的連接處，該磁場強度增強圖如圖6 所示。
[0042] 而當對該結構施加外部電壓時，其反射譜如圖7所示。需要說明的是，在進行數 值模擬時，我們是通過改變石墨烯的費米能級來等效模擬外加不同電壓時石墨烯的電磁性 質。石墨烯的費米能級4 = riK/A/7rns，其中h, 為常數，而ns為石墨烯的摻雜度，因 此在數值模擬時改變石墨烯的摻雜度即等效於改變了外加電壓，其中ns與外加電壓二者的 關係是隨著外加電壓的提升，費米能級提商，ns也隨之提商。由圖中可以看到，隨著ns由1 提高到7(即外加電壓增大），該結構的諧振位置進行藍移，其相對移動波長△ λ =8%，超 越目前的絕大多數可調諧納米光學天線的調諧能力，同時，該天線的諧振強度也隨之降低。 這是由單層石墨烯材料在該波段獨特的電磁性質導致的，隨著n s的提高，石墨烯的導電性 提高，而同時由於其介電常數虛部也會增大，因此會導致較高的衰減，從而使諧振強度的降 低。
[0043] 該可調諧納米天線有的優勢如下：
[0044] 1、通過調整外加電壓即可方便有效的調控諧振位置與諧振強度，其中外加電壓的 變化與諧振位置關係如下：外加電壓變大，磁諧振藍移，磁諧振強度隨之降低。
[0045] 2、該結構在中紅外波段的調節能力較強調節的相對波長達到8%，同時對磁場增 強達到20000倍以上，在性能上超越了目前其他的結構，具有很高的實際應用價值。
[0046] 3、該結構尺寸小，厚度薄。從結構的參數來看，超材料的厚度可以達到20nm級別， 對於微納米光子學器件可利用性高。
[0047] 以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定 本發明的具體實施只局限於這些說明。對於本發明所屬【技術領域】的普通技術人員來說，在 不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬於本發明的 保護範圍。
【權利要求】
1. 一種可調諧的納米天線，其特徵在於：其包括三層，上層的金屬結構、中間層的單層 石墨烯、底部的基底材料，上層的金屬結構為蝴蝶結型結構，所述蝴蝶結型結構包括兩個等 腰梯形和一個正方形組成，兩個等腰梯形的上底位於正方形相對的兩條邊上，兩個等腰梯 形的上底的長度和正方形的變成相等，正方形的邊長G為20±2nm，兩個等腰梯形的下底的 長度D為I. 2±0. 1 μ m，兩個等腰梯形的高相等，兩個等腰梯形的高的長度加上正方形的邊 長的長度等於等腰梯形的下底的長度D，可調諧的納米天線的周期P=2. 5±0. 2 μ m，金屬結 構厚度氏=20±5]1111，單層石墨烯厚度H2=O. 33nm±0. 05nm。
2. 根據權利要求1所述的可調諧的納米天線，其特徵在於：正方形的邊長G為 20± lnm。
3. 根據權利要求1所述的可調諧的納米天線，其特徵在於：兩個等腰梯形的下底的長 度D 為 1·2±0·05μηι。
4. 根據權利要求1所述的可調諧的納米天線，其特徵在於：可調諧的納米天線的周期 Ρ=2· 5±0· 1 μ m。
5. 根據權利要求1所述的可調諧的納米天線，其特徵在於：金屬結構厚度HfZOiSnm。
6. 根據權利要求1所述的可調諧的納米天線，其特徵在於：單層石墨烯厚度 H2=O. 33nm±0. 03nm。
7. 根據權利要求1所述的可調諧的納米天線，其特徵在於：二氧化矽作為基底材料。
8. 根據權利要求1所述的可調諧的納米天線，其特徵在於：上層的金屬結構為金。
9. 權利要求1至8任意一項的可調諧的納米天線的製備方法，其特徵在於：包括如下 步驟： 利用化學氣相沉積法方法在SiO2基底上覆蓋一層單層石墨烯； 在單層石墨烯表面旋塗光刻膠； 用電子束刻蝕技術完成結構的刻蝕和顯影； 採用真空電子束蒸鍍技術實現金層的蒸鍍； 經過剝離過程得到最終的納米光學天線。
【文檔編號】H01Q1/38GK104319471SQ201410553995
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月17日 優先權日:2014年10月17日
【發明者】肖淑敏, 劉政顯, 易寧波, 宋清海 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院