CN103105644B - 基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器，将金属纳米线放置于石墨烯上，用激光器激发金属纳米线的表面等离子体。金属纳米线的表面等离子体在传播过程中，与石墨烯材料通过能级跃迁相互作用。调节石墨烯的费米能级，可以极大地改变石墨烯的光吸收特性，增加或减少石墨烯对于金属纳米线中表面等离子体的吸收，从而实现表面等离子体的调制。由于石墨烯具有尺寸小（单原子层），载流子速度快，费米能级容易调节等特点，使得本发明结构在表面等离子的吸收调制中，表现出巨大的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种微纳光子学元件，尤其涉及一种基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器。
背景技术
由于表面等离子体的超衍射极限能力，使得它在微纳光子学的研究领域中表现出巨大的潜力，近年来引起了研究者的广泛关注。表面等离子体的理想材料是重金属一类，如金，银等。但这类重金属难以调节其电子密度，因此，调制表面等离子体的难度很大，调制方案较少。近年来引起人们广泛关注的石墨烯材料，由于其具有载流子速度快和费米能级容易调节等特性，在光和等离子调制方面表现出巨大的应用潜力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器，它包括衬底、石墨烯和金属纳米线，其中，所述衬底包括第一二氧化硅层、硅层和第二二氧化硅层，第一二氧化硅层和第二二氧化硅层分别生长在硅层的上下表面上，石墨烯置于第一二氧化硅层上，石墨烯上连接第一电极，硅层上连接第二电极，金属纳米线的一端位于第一二氧化硅层上，另一端位于石墨烯上。
进一步地，所述第一二氧化硅层的厚度为30-300nm，优选300nm。
进一步地，所述石墨烯为单层或双层石墨烯二维材料。石墨烯通过机械剥离法或者化学沉积法直接在第一二氧化硅层上进行制备。
进一步地，所述金属纳米线直径为100nm-1000nm，材料优选为银或金。
本发明的有益效果是，本发明通过调节石墨烯中的载流子浓度，改变其费米能级的位置，进而改变石墨烯的光吸收特性，从而实现金属纳米线中表面等离子体的调制。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2为单层石墨烯的调制图；
图3是关于双层石墨烯的调制图。
具体实施方式
如图1所示，本发明基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器包括衬底、石墨烯4和金属纳米线7，其中，衬底包括第一二氧化硅层1、硅层2和第二二氧化硅层3，第一二氧化硅层1和第二二氧化硅层3分别生长在硅层2的上下表面上，石墨烯4置于第一二氧化硅层1上，石墨烯4上连接第一电极5，硅层2上连接第二电极6，金属纳米线7的一端位于第一二氧化硅层1上，另一端位于石墨烯4上。
第一二氧化硅层1的厚度为30-300nm，优选300nm，
石墨烯4为单层或双层石墨烯二维材料。石墨烯4通过机械剥离法或者化学沉积法直接在第一二氧化硅层1上进行制备。石墨烯4的碳原子层数(单层或者双层)，由拉曼光谱来进行检验。
金属纳米线7可由水热法制备，直径为100nm-1000nm，其材料优选为银或金。金属纳米线7的一小段伸出石墨烯层4与第一二氧化硅层1接触，可以避免在调制过程中，入射光耦合进入金属纳米线7的效率改变。
在石墨烯4上连接第一电极5，硅层2上连接第二电极6，第一电极5和第二电极6既可以使用聚焦离子束沉积(FIB)进行制备，也可以通过光刻技术进行制备，或者采用点银浆的方式实现，优选使用光刻技术。电极的面积大小，不超过1μm×1μm。通电时可以实现石墨烯4中注入电子或者空穴的目的，以此来改变石墨烯4中的费米能级位置，从而改变石墨烯4对于金属纳米线中表面等离子体的吸收特性。
本发明的工作过程如下：将第一电极5接入可变电压源正极，第二电极6接入可变电压源负极，可变电压源电压调节范围为0V-40V。采用高倍高数值孔径的物镜，优选100倍，0.9数值孔径的显微物镜。用可见波段的激光,通过聚焦耦合的方法,照射金属纳米线7露出石墨烯的一端，激发其表面等离子体。可见波段的激光，优选红、绿波段。可见波段的激光，功率范围为5-15毫瓦，优选10毫瓦。改变可变电压源的电压，从而来调制在金属纳米线7中传播的表面等离子体，可以实现在金属纳米线7的另一端输出不同强度的调制光。单层石墨烯的调制效果如图2所示。双层石墨烯的调制效果如图3所示。两幅调制图均显示，在施加电压的情况下，该结构能够很好的调制金属纳米线中传播的表面等离子体。
本发明的创新性和进步性在于，利用原子级别厚度的石墨烯二维材料，实现了目前难以克服的金属表面等离子体的调制。器件尺寸非常小，可实现微纳集成。
本发明的器件特色和实质性应用在于，在器件的尺寸为40μm*1μm时，可以实现3dB金属纳米线中表面等离子体的调制深度。在第一电极5的面积小于1μm*1μm时，本发明结构的工作速度可以实现100MHz-1GHz。
Claims (6)
1.一种基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器，其特征在于，它包括衬底、石墨烯（4）和金属纳米线（7），其中，所述衬底包括第一二氧化硅层（1）、硅层（2）和第二二氧化硅层（3），第一二氧化硅层（1）和第二二氧化硅层（3）分别生长在硅层（2）的上下表面上，石墨烯（4）置于第一二氧化硅层（1）上，石墨烯（4）上连接第一电极（5），硅层（2）上连接第二电极（6），金属纳米线（7）的一端位于第一二氧化硅层（1）上，另一端位于石墨烯（4）上。
2.根据权利要求1所述基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器，其特征在于，所述第一二氧化硅层（1）的厚度为30-300nm。
3.根据权利要求2所述基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器，其特征在于，所述第一二氧化硅层（1）的厚度为300nm。
4.根据权利要求1所述基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器，其特征在于，所述石墨烯（4）为单层或双层石墨烯二维材料；石墨烯（4）通过机械剥离法或者化学沉积法直接在第一二氧化硅层（1）上进行制备。
5.根据权利要求1所述基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器，其特征在于，所述金属纳米线（7）直径为100nm-1000nm。
6.根据权利要求1所述基于石墨烯二维材料的金属纳米线表面等离子体调制器，其特征在于，所述金属纳米线（7）的材料优选为银或金。
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