CN103001003B - 基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料，所述的多层人工电磁超材料具有很强的磁偶极子，因此在结构表面会产生很大的梯度力来克服散射力的影响，产生梯度力阱，实现对微粒的有效抓捕。通过改变拓扑材料和石墨烯的介电系数及表面电阻率，可以使人工电磁超材料表面产生方向、大小和谐振频率可变的梯度力阱，从而实现对不同尺寸生物分子的准确抓获和选择。本发明通过控制外加电场、温度、拓扑材料和石墨烯的厚度，改变拓扑材料和石墨烯的介电系数及表面电阻率，进而在人工电磁超材料表面实现了方向、大小和谐振频率可调谐的梯度力阱。

Description

基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料
技术领域
本发明涉及一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的多层人工电磁超材料，在生命科学、材料科学、物理学、化学、医学及纳米技术等领域具有广阔的应用前景。
背景技术
1986年，Ashkin等发现单独一束高度聚焦的激光就足以形成三维稳定的能量阱，可以吸引电介质粒子并将其束缚在光腰中央，于是第一个光镊子(单光束梯度力阱)诞生了。由于它可以用来捕获并移动从数十纳米到数十微米的微小粒子，因此光镊技术已经在众多科学领域获得重大发展。梯度力阱是该技术的核心部分，而如何控制梯度力阱的大小、方向和工作频率是目前该领域的研究热点。
2005年, Povinelli等提出在一对相同的谐振腔中，通过控制其谐振模式的相互间的作用，可以改变梯度力阱的方向。 2006年，Quidant等提出通过控制入射光的频率和相位，可以控制梯度力阱的大小和方向，进而实现对不同尺寸粒子的选择。2009年，Roels 等提出可以通过改变注入到光波导的光场相位对梯度力阱的方向进行调谐。2010年，Gao等提出可以通过使用贝塞尔高斯光束对梯度力阱进行调谐。2011年，Rodriguez 等人提出通过非对称谐振腔结构对梯度力阱方向进行调谐。上述调谐梯度力阱的方法，大多需要引入多个复杂光学器件或者对入射光的要求较高，同时，上述方法仅对梯度力阱的方向和大小进行控制，而忽略了如何控制梯度力阱的工作频带。因此，给光镊的实际应用带来很大的难度。
因此，本发明提供一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的多层人工电磁超材料。所述的人工电磁超材料具有很强的磁偶极子，因此在结构表面会产生很大的梯度力来克服散射力，进而产生梯度力阱，实现对微粒的有效抓捕。通过在人工电磁超材料中引入拓扑材料材料或者石墨烯材料，使其所产生的梯度力阱的大小、方向和工作频带都具有可调谐性。本发明利用拓扑材料材料或者石墨烯材料的介电系数及表面电阻率随外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度改变而变化的特性，实现具有可调谐梯度力阱的多层人工电磁超材料。
发明内容
本发明针对上述可调谐梯度力阱的问题，提供了一种基于拓扑或者石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的多层人工电磁超材料，该器件具有结构简单、操作容易、 调谐范围大等特点。
本发明解决问题采用的技术方案如下：
基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料是一个多层结构器件。其上具有亚波长周期性谐振单元阵列，使其在结构表面具有梯度力阱，通过改变拓扑材料和石墨烯材料的介电常数及表面电阻率，使梯度力阱的大小、方向和谐振频率发生改变，从而实现可调谐梯度力阱。
一种具有可调谐梯度力阱的多层人工电磁超材料，该人工电磁超材料是多层结构，第一种结构是通过在衬底材料上生长金属层、拓扑材料或者石墨烯材料层、金属层和氧化层，然后在多层结构上刻蚀周期性谐振单元阵列而成；
第二种结构，是通过在衬底材料上生长金属层、介质层、金属层，然后在多层结构上刻蚀周期性谐振单元阵列，最后在谐振单元阵列表面镀上拓扑材料或者石墨烯材料层而成。
所述的周期性谐振单元阵列是圆形、矩形、椭圆形、三角形、弧形、十字形、六边形、不对称开环、螺旋结构或共轭卍字形等。
所述的介质层可以是Al2O3层、Si3N4层、MgF2层或SiO2层等。
所述的拓扑材料层可以是BixSb1-x层、HgTe 层、Bi2Te3 层、Bi2Se3层或Sb2Te3 层等。
所述的石墨烯层是单层碳原子层，由石墨烯层和M层碳原子层构成，其中1<M<100。
所述的氧化层可以是In2O3层、SnO2 层或ITO层等。
所述的衬底层可以是BK7光学玻璃层、SiO2层、Si3N4层或Al2O3层等。
所述的多层结构可以通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，范德华外延法，取向附生法-晶膜生长，和分子束外延技术
所述的周期性谐振单元阵列是通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，如电子束曝光、聚焦离子束曝光和反应离子束刻蚀等，其特点是底部平坦，侧壁光滑，侧面形状不限。
所述的基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的多层人工电磁超材料可以通过控制外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度，改变拓扑和石墨烯材料介电系数及表面电阻率，从而实现梯度力阱的大小、方向、工作频率的可调谐性。
附图说明
图1为具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料示意图。
图2为本发明第一种结构示意图。
图3为本发明第二种结构示意图。
图4为具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料的各种形状示意图。
图中：1衬底，2多层结构，3金属层，4拓扑材料或石墨烯层，5氧化层，6掩膜，7周期性谐振单元阵列，8具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料，9基于N个多层结构的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料第一种结构，10介质层，11基于N个多层结构的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料第二种结构。
具体实施方式
为使得本发明的技术方案的内容更加清晰，以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。其中的材料生长技术包括：电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，范德华外延法，取向附生法-晶膜生长，和分子束外延技术等常用技术。其中的掩模工艺包括电子束曝光和聚焦离子束曝光等常用技术。其中的刻蚀工艺包括湿法刻蚀和干法刻蚀，如酸法刻蚀、电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀和反应离子束刻蚀等常用工艺。
例1
首先，利用材料生长工艺在衬底1上形成一个多层结构(金属层3-拓扑材料或石墨烯层4-金属层3-氧化层5)2，如附图2(a)所示。
其次，在多层结构2上沉积SiO2薄膜作为掩模6，如附图2(b)所示。
然后，通过掩模工艺将设计好的周期性谐振单元阵列样本转换到掩模上，如附图2(c)所示。其中，结构的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。
然后，通过刻蚀工艺，在2材料上制备周期性谐振单元阵列7，如附图2(d)所示。
最后，移除掩模6，得到具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料8, 如附图2(e)所示。其中基于N个（N>1）多层结构的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料第一种结构9，如附图2(f)所示。
例2
首先，利用材料生长工艺在衬底1上形成一个多层结构(金属层3-介质层10-金属层3)2，如附图3(a)所示。
其次，在多层结构2上沉积SiO2薄膜作为掩模6，如附图3(b)所示。
然后，通过掩模工艺将设计好的周期谐振单元样本转换到掩模上，如附图3(c)所示。其中，结构的设计可以采用有限时域差分法、有限元法等算法。
然后，通过刻蚀工艺，在2材料上制备周期性谐振单元阵列7，如附图3(d)所示
最后，移除掩模6，并在2上沉积石墨烯或拓扑材料层4得到具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料8, 如附图3(e)所示。其中基于N个（N>1）具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料第二种结构11，如附图3(f)所示。
本发明可以通过控制外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度，改变石墨烯或拓扑材料介电系数及表面电阻率，进而控制所述人工电磁超材料所产生梯度力阱的大小、方向和工作频率。
综上所述，本发明提供的基于石墨烯或拓扑材料的多层人工电磁超材料可以通过温度，外加电场，注入光强和拓扑材料与石墨烯材料的厚度对其所产生的梯度力阱的大小、方向、工作频率进行调谐，具有结构简单、操作容易、调谐范围大等优点。
以上所述是本发明应用的技术原理和具体实例，依据本发明的构想所做的等效变换，只要其所运用的方案仍未超出说明书和附图所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内，特此说明。

Claims (5)

1.一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料，其特征在于，该人工电磁超材料是多层结构，衬底材料上生长金属层、拓扑材料层或者石墨烯材料层、金属层、氧化层，多层结构上刻蚀周期性谐振单元阵列；
所述的金属层是Al层、Ag层、Au层、Cu层、Ni层或Pt层；
拓扑材料层是BixSb1-x层、HgTe 层、Bi2Te3 层、Bi2Se3 层或Sb2Te3 层；
石墨烯材料层由M层碳原子层构成，其中1<M<100；
氧化层是In2O3层、SnO2 层或ITO层。
2.一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料，其特征在于，该人工电磁超材料是多层结构，衬底材料上生长金属层、介质层、金属层，多层结构上刻蚀周期性谐振单元阵列；最后在周期性谐振单元阵列表面镀拓扑材料层或者石墨烯材料层； 
所述的金属层是Al层、Ag层、Au层、Cu层、Ni层或Pt层；
介质层是Al2O3层、Si3N4层、MgF2层或SiO2层；
拓扑材料层是BixSb1-x层、HgTe 层、Bi2Te3 层、Bi2Se3 层或Sb2Te3 层。
3.根据权利要求1或2所述的人工电磁超材料，其特征在于，所述的周期性谐振单元阵列是圆形、矩形、椭圆形、三角形、弧形、十字形、六边形、不对称开环、螺旋结构或共轭卍字形。
4.根据权利要求1或2所述的人工电磁超材料，其特征在于，衬底材料是BK7光学玻璃层、SiO2层、Si3N4层或Al2O3层。
5.根据权利要求1或2所述的基于拓扑和石墨烯的人工电磁超材料，其特征在于，多层结构通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发、气相外延生长、取向附生法-晶膜生长、分子束外延技术；周期性谐振单元阵列是通过干法或者湿法刻蚀工艺实现，包括电子束曝光、聚焦离子束曝光和反应离子束刻蚀。
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