CN109166933A - 一种基于石墨烯的等离子激元开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子器件及开关技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的等离子激元开关；基于石墨烯的等离子激元开关包括衬底层、六边形氮化硼衬底、石墨烯纳米带、金纳米棒、源极、漏极和石墨烯栅极，衬底层的上表面设有六边形氮化硼衬底，六边形氮化硼衬底的上表面设有石墨烯纳米带，石墨烯纳米带呈T型结构设置，且石墨烯纳米带的左侧设有金纳米棒，前侧设有源极，后侧设有漏极，衬底层的前侧设有石墨烯栅极；本发明所制备的石墨烯等离子激元开关利用p偏振红外光吸收光谱技术和石墨烯等离子激元特征优势等手段所制备的等离子激元开关具有光吸收能力强、响应速度快等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电子器件及开关技术领域，具体涉及一种基于石墨烯的等离子激元开关。
背景技术
石墨烯(graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型，呈蜂巢晶格的平面薄膜，由于在狄拉克点附近的线性能带结构色散和电子与空穴二者极高的载流子迁移率，石墨烯呈现出奇特的电子特性，如量子自旋霍尔效应，基于上述原因，石墨烯作为下一代半导体材料，引起了相当多的关注。和传统的硅基晶体管的制备材料相比，石墨烯具有优异的力学、热学、光学及电学特性，石墨烯的这些优异的性能促使其在电子器件和光电器件领域具有巨大的应用潜力。
表面等离子体极化子，即金属或半导体表面电荷的集体振荡，已被用于在纳米尺度上限制和操纵电磁能量。特别地，石墨烯表面电浆子是狄拉克准粒子的集体振动，这些准粒子揭示了高约束、静电可调性和长寿命。石墨烯中的等离子体激元对于在太赫兹到红外(IR)的宽频率范围内的光电子和纳米光子应用具有很大的潜力。研究等离子体激元的一个常用方法是基于等离子体介质的纳米结构。由石墨烯纳米带(GNRs)和石墨烯纳米盘组成的大面积结构，已被各种光谱技术广泛研究。这些类型的结构具有实际应用价值，包括表面增强红外振动光谱，调制器，光电探测器和可调超材料。尽管石墨烯纳米结构的整体、区域平均响应具有很好的特征，但在这些纳米结构中，限制等离子体激元模式的实际空间特性仍未被探索。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于石墨烯的等离子激元开关，本发明所制备的石墨烯等离子激元开关利用p偏振红外光吸收光谱技术和石墨烯等离子激元特征优势等手段所制备的等离子激元开关具有光吸收能力强、响应速度快等优点。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于石墨烯的等离子激元开关，所述基于石墨烯的等离子激元开关包括衬底层、六边形氮化硼衬底、石墨烯纳米带、金纳米棒、源极、漏极和石墨烯栅极，所述衬底层的上表面设有所述六边形氮化硼衬底，所述六边形氮化硼衬底的上表面设有所述石墨烯纳米带，所述石墨烯纳米带呈T型结构设置，且所述石墨烯纳米带的左侧设有所述金纳米棒，前侧设有所述源极，后侧设有所述漏极，所述衬底层的前侧设有所述石墨烯栅极。
优选的，所述衬底层为涂有一层Al2O3薄膜的硅基板，且所述硅基板的厚度为200-500μm。
优选的，所述硅基板为SiO2基底。
优选的，所述源极和所述漏极分别采用厚度为20-50nm的Cr和Au制成。
一种基于石墨烯的等离子激元开关的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅基板依次用丙酮、乙醇超声5-10min，再用去离子水超声5-10min，然后用氮气吹干，放入干燥器中备用；
(2)将上述制备好的样品置于臭氧发生装置中进行常温处理；
(3)采用原子层沉积法在硅基板上生长一层Al2O3薄膜，得到衬底层；
(4)通过电子束蒸发法或磁控溅射法分别在衬底层上生长一层六边形氮化硼衬底和石墨烯栅极，且控制六边形氮化硼衬底的厚度在10-100nm；
(5)在六边形氮化硼衬底的上表面通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯纳米带；
(6)采用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯纳米带上制备源电机、漏电极和金纳米棒，且控制金纳米棒的直径为10-30nm；
(7)采用p偏振红外光束照亮金纳米棒。
优选的，所述步骤(5)中采用化学气相沉积法合成石墨烯，其包括以下步骤：在800-1050℃的铜箔上，伴随着炉流的甲烷和氢气的混合物。
本发明的核心技术如下：(1)通过采用化学气相沉积法(CVD)合成石墨烯，其是一种很有前途的大规模获取高质量的石墨烯的方法，它发生在一个1000℃的铜箔上，伴随着炉流的甲烷和氢气的混合物；(2)通过采用超净的传输方法，在石墨烯转移过程中，已开发出减少污染的方法，这对于保持石墨烯的高质量至关重要。为了测试石墨烯的电子质量，石墨烯被转移到六边形氮化硼(hBN)衬底上，并形成一个霍尔杆几何图形，随后与金属探头接触；(3)通过采用原子沉积法(ALD)生长的高质量Al2O3薄膜作为介电层。(4)石墨烯平面边缘可以提供大量具有更高性能的等离子激元激元。
本发明的工作原理如下：在石墨烯栅极电压作用下，载流子通过隧道效应穿过六边形氮化硼衬底层，在源极和漏极之间形成导电沟道，而石墨烯栅极电压可以控制源极和漏极之间的电流；
整个装置将在涂有一层薄薄的Al2O3薄膜的硅基板上制造。石墨烯将被转移到一层薄的hBN衬底上，并形成T型纳米带结构。在石墨烯带的左侧，采用电子束光刻技术，可以制造出直径30纳米的金纳米棒。当p偏振红外(35THz)光束照亮金纳米棒时，会产生一个衰减的场，在平面动量q为1/a(a是纳米棒的顶点曲率)即3.3×105cm-1时，平面动量比入射自由空间光子的动量大两个数量级。这些高动量会在石墨烯激发等离子激元，具体形式为高、低密度的电荷环组成的同心圆波等。等离子激元将沿着石墨烯纳米带的表面和边缘向右移动，进而石墨烯晶体管被制造出来。通过量子运输测量可以检测出等离子激元产生的微小波动。在等离子激元传输通道的中间，一个石墨烯带将在六边形氮化硼衬底电介质下组装。等离子激元可以被施加的偏置电压抑制或允许自由传播。利用T型石墨烯和底层石墨烯栅极结构进行光调制，将为实现非常紧凑、高效、有潜力的超快和宽带混合石墨烯-等离子激元光学器件在光电子和电信领域的广泛应用铺平道路。
有益效果：
1、石墨烯的载流子密度可以通过场效应管(FET)很小的偏压实现高速大范围的调制，开关时间短于1纳秒，可以实现高速的光电子器件的应用。
2、石墨烯等离子激元的波长比自由空间光波长小1-3个量级，可以对p偏振红外光场有着很强的限制效应，可以增强光和物质的相互作用。
3、石墨烯等离子激元恢复时间较长，与其他金属等离子激元相比，可以传输相对较远的距离。
4、石墨烯平面边缘可以提供大量具有更高性能的等离子激元激元，它们的衰减次数比之前少了1000多倍，传播速度约为光速的1/50，这有可能彻底改变等离子激元领域。
综上，本发明所制备的石墨烯等离子激元开关利用p偏振红外光吸收光谱技术和石墨烯等离子激元特征优势等手段所制备的等离子激元开关具有光吸收能力强、响应速度快等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中单晶石墨烯在铜基板上的SEM图像；
图3中(a)是本发明中弹道量子效应的测量示意图；(b)是本发明中载流子密度与磁场呈平方根依赖关系(箭头)示意图；
图4中(a)是本发明中Al2O3裸底物和单晶石墨烯在Al2O3上的FTIR光谱图；(b)是本发明中离散MIR频率下阻尼率的数值模拟拟合参数图；
图5中(a)是本发明中石墨烯在1180cm-1时微米盘状模式的图像归一化幅度图；(b)是本发明中(a)沿边缘振幅的线廓图；(c)是本发明中(b)中振幅剖面的快速傅里叶变换图。
图中：1-衬底层、2-六边形氮化硼衬底、3-石墨烯纳米带、4-金纳米棒、5-源极、6-漏极、7-石墨烯栅极。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种基于石墨烯的等离子激元开关，基于石墨烯的等离子激元开关包括衬底层1、六边形氮化硼衬底2、石墨烯纳米带3、金纳米棒4、源极5、漏极6和石墨烯栅极7，衬底层1的上表面设有六边形氮化硼衬底2，六边形氮化硼衬底2的上表面设有石墨烯纳米带3，石墨烯纳米带3呈T型结构设置，且石墨烯纳米带3的左侧设有金纳米棒4，前侧设有源极5，后侧设有漏极6，衬底层1的前侧设有石墨烯栅极7。
优选的，衬底层1为涂有一层Al2O3薄膜的硅基板，且硅基板的厚度为200μm。
优选的，硅基板为SiO2基底。
优选的，源极5和漏极6分别采用厚度为20nm的Cr和Au制成。
一种基于石墨烯的等离子激元开关的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅基板依次用丙酮、乙醇超声5min，再用去离子水超声5min，然后用氮气吹干，放入干燥器中备用；
(2)将上述制备好的样品置于臭氧发生装置中进行常温处理；
(3)采用原子层沉积法在硅基板上生长一层Al2O3薄膜，得到衬底层1；
(4)通过电子束蒸发法或磁控溅射法分别在衬底层1上生长一层六边形氮化硼衬底2和石墨烯栅极7，且控制六边形氮化硼衬底2的厚度在50nm；
(5)在六边形氮化硼衬底2的上表面通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯纳米带3；
(6)采用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯纳米带3上制备源电机、漏极6和金纳米棒4，且控制金纳米棒4的直径为10nm；
(7)采用p偏振红外光束照亮金纳米棒4。
优选的，步骤(5)中采用化学气相沉积法合成石墨烯，其包括以下步骤：在800℃的铜箔上，伴随着炉流的甲烷和氢气的混合物。
实施例2：
一种基于石墨烯的等离子激元开关，基于石墨烯的等离子激元开关包括衬底层1、六边形氮化硼衬底2、石墨烯纳米带3、金纳米棒4、源极5、漏极6和石墨烯栅极7，衬底层1的上表面设有六边形氮化硼衬底2，六边形氮化硼衬底2的上表面设有石墨烯纳米带3，石墨烯纳米带3呈T型结构设置，且石墨烯纳米带3的左侧设有金纳米棒4，前侧设有源极5，后侧设有漏极6，衬底层1的前侧设有石墨烯栅极7。
优选的，衬底层1为涂有一层Al2O3薄膜的硅基板，且硅基板的厚度为300μm。
优选的，硅基板为SiO2基底。
优选的，源极5和漏极6分别采用厚度为30nm的Cr和Au制成。
一种基于石墨烯的等离子激元开关的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅基板依次用丙酮、乙醇超声7min，再用去离子水超声7min，然后用氮气吹干，放入干燥器中备用；
(2)将上述制备好的样品置于臭氧发生装置中进行常温处理；
(3)采用原子层沉积法在硅基板上生长一层Al2O3薄膜，得到衬底层1；
(4)通过电子束蒸发法或磁控溅射法分别在衬底层1上生长一层六边形氮化硼衬底2和石墨烯栅极7，且控制六边形氮化硼衬底2的厚度在70nm；
(5)在六边形氮化硼衬底2的上表面通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯纳米带3；
(6)采用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯纳米带3上制备源电机、漏极6和金纳米棒4，且控制金纳米棒4的直径为20nm；
(7)采用p偏振红外光束照亮金纳米棒4。
优选的，步骤(5)中采用化学气相沉积法合成石墨烯，其包括以下步骤：在900℃的铜箔上，伴随着炉流的甲烷和氢气的混合物。
实施例3：
一种基于石墨烯的等离子激元开关，基于石墨烯的等离子激元开关包括衬底层1、六边形氮化硼衬底2、石墨烯纳米带3、金纳米棒4、源极5、漏极6和石墨烯栅极7，衬底层1的上表面设有六边形氮化硼衬底2，六边形氮化硼衬底2的上表面设有石墨烯纳米带3，石墨烯纳米带3呈T型结构设置，且石墨烯纳米带3的左侧设有金纳米棒4，前侧设有源极5，后侧设有漏极6，衬底层1的前侧设有石墨烯栅极7。
优选的，衬底层1为涂有一层Al2O3薄膜的硅基板，且硅基板的厚度为400nm。
优选的，硅基板为SiO2基底。
优选的，源极5和漏极6分别采用厚度为40nm的Cr和Au制成。
一种基于石墨烯的等离子激元开关的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅基板依次用丙酮、乙醇超声9min，再用去离子水超声9min，然后用氮气吹干，放入干燥器中备用；
(2)将上述制备好的样品置于臭氧发生装置中进行常温处理；
(3)采用原子层沉积法在硅基板上生长一层Al2O3薄膜，得到衬底层1；
(4)通过电子束蒸发法或磁控溅射法分别在衬底层1上生长一层六边形氮化硼衬底2和石墨烯栅极7，且控制六边形氮化硼衬底2的厚度在90nm；
(5)在六边形氮化硼衬底2的上表面通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯纳米带3；
(6)采用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯纳米带3上制备源电机、漏极6和金纳米棒4，且控制金纳米棒4的直径为25nm；
(7)采用p偏振红外光束照亮金纳米棒4。
优选的，步骤(5)中采用化学气相沉积法合成石墨烯，其包括以下步骤：在900℃的铜箔上，伴随着炉流的甲烷和氢气的混合物。
实施例4：
一种基于石墨烯的等离子激元开关，基于石墨烯的等离子激元开关包括衬底层1、六边形氮化硼衬底2、石墨烯纳米带3、金纳米棒4、源极5、漏极6和石墨烯栅极7，衬底层1的上表面设有六边形氮化硼衬底2，六边形氮化硼衬底2的上表面设有石墨烯纳米带3，石墨烯纳米带3呈T型结构设置，且石墨烯纳米带3的左侧设有金纳米棒4，前侧设有源极5，后侧设有漏极6，衬底层1的前侧设有石墨烯栅极7。
优选的，衬底层1为涂有一层Al2O3薄膜的硅基板，且硅基板的厚度为500μm。
优选的，硅基板为SiO2基底。
优选的，源极5和漏极6分别采用厚度为50nm的Cr和Au制成。
一种基于石墨烯的等离子激元开关的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硅基板依次用丙酮、乙醇超声10min，再用去离子水超声10min，然后用氮气吹干，放入干燥器中备用；
(2)将上述制备好的样品置于臭氧发生装置中进行常温处理；
(3)采用原子层沉积法在硅基板上生长一层Al2O3薄膜，得到衬底层1；
(4)通过电子束蒸发法或磁控溅射法分别在衬底层1上生长一层六边形氮化硼衬底2和石墨烯栅极7，且控制六边形氮化硼衬底2的厚度在100nm；
(5)在六边形氮化硼衬底2的上表面通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯纳米带3；
(6)采用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯纳米带3上制备源电机、漏极6和金纳米棒4，且控制金纳米棒4的直径为30nm；
(7)采用p偏振红外光束照亮金纳米棒4。
优选的，步骤(5)中采用化学气相沉积法合成石墨烯，其包括以下步骤：在1000℃的铜箔上，伴随着炉流的甲烷和氢气的混合物。
按照本发明中实施例4的方式所制备的基于石墨烯的等离子激元开关进行数据测试，得到各项指标数据如图2、3、4、5所示；
由图2中可以看出，图2显示了在铜箔上生长的石墨烯的冰晶形状，采用化学气相沉积法(CVD)合成石墨烯，可以培育出1毫米大小的单晶石墨烯；
由图3中可以看出，图3(a)展示了对弹道量子效应的测量。电流是由一个接触点驱动的，同时一个磁场的洛伦兹力可以使电子轨道弯曲。结果是电子被送到另一个接触点，在那里电压可以被探测。图3(b)显示了当我们改变载流子密度和磁场强度时，电压峰值的典型平方根依赖关系。这种效应被称为横向磁聚焦，首次在CVD石墨烯中发现。这一结果证明了CVD石墨烯的质量与胶带机械剥离方法获得的石墨烯具有可比性；
由图4中可以看出，Al2O3基板的光学声子的频率小于1000cm-1，因此可以得到一个范围广泛的无声子的MIR频域；等离子激元阻尼率γP与等离子激元频率ωp的关系如图4(b)所示，可以看到γP在ωp＝1184cm-1时达到它的最小值0.035，当Al2O3的光学声子在850cm-1时，它会呈指数级增长。这种效应可以归因于石墨烯中Dirac等离子激元子的杂交和Al2O3中局部的表面光学声子模式；等离子激元的优点的关键在于寿命τ＝1/(γP·ω)。这里，等离子激元寿命计算是800fs在1184cm-1时，这接近石墨烯中测量到的最高值。热退火和加入hBN保护层可以进一步提高等离子激元的寿命；
由图5中可以看出，如图5(a)所示，周期条纹沿石墨烯图案的圆形边缘分布，这些模式的宽度约为50纳米，位于石墨烯的边缘。沿边缘的剖面如图5(b)所示，为了精确地确定边缘等离子激元的波长，我可以在剖面上进行傅里叶变换(FFT)如图5(c)所示，然后通过计算波长。基于石墨烯电浆子边缘模式的无碰撞近似：η0＝1.217，石墨烯等离子激元边缘模式的波长比表面模式短18％。从这个特性，我可以确定靠近石墨烯边缘的模式是石墨烯等离子激元的边缘模式。这些高约束和低阻尼特性可能为许多石墨烯等离子激元材料的应用打开一扇大门。
综上可知，本发明所制备的石墨烯等离子激元开关利用p偏振红外光吸收光谱技术和石墨烯等离子激元特征优势等手段所制备的等离子激元开关具有光吸收能力强、响应速度快等优点。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种基于石墨烯的等离子激元开关，其特征在于，所述基于石墨烯的等离子激元开关包括衬底层、六边形氮化硼衬底、石墨烯纳米带、金纳米棒、源极、漏极和石墨烯栅极，所述衬底层的上表面设有所述六边形氮化硼衬底，所述六边形氮化硼衬底的上表面设有所述石墨烯纳米带，所述石墨烯纳米带呈T型结构设置，且所述石墨烯纳米带的左侧设有所述金纳米棒，前侧设有所述源极，后侧设有所述漏极，所述衬底层的前侧设有所述石墨烯栅极。
2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的等离子激元开关，其特征在于：所述衬底层为涂有一层Al2O3薄膜的硅基板，且所述硅基板的厚度为200-500μm。
3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的等离子激元开关，其特征在于：所述硅基板为SiO2基底。
4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的等离子激元开关，其特征在于：所述源极和所述漏极分别采用厚度为20-50nm的Cr和Au制成。
5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯的等离子激元开关的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将硅基板依次用丙酮、乙醇超声5-10min，再用去离子水超声5-10min，然后用氮气吹干，放入干燥器中备用；
(2)将上述制备好的样品置于臭氧发生装置中进行常温处理；
(3)采用原子层沉积法在硅基板上生长一层Al2O3薄膜，得到衬底层；
(4)通过电子束蒸发法或磁控溅射法分别在衬底层上生长一层六边形氮化硼衬底和石墨烯栅极，且控制六边形氮化硼衬底的厚度在10-100nm；
(5)在六边形氮化硼衬底的上表面通过转移技术的方法覆盖一层石墨烯纳米带；
(6)采用PMMA作为光刻胶，通过电子束光刻在石墨烯纳米带上制备源电机、漏电极和金纳米棒，且控制金纳米棒的直径为10-30nm；
(7)采用p偏振红外光束照亮金纳米棒。
6.根据权利要求5所述的一种基于石墨烯的等离子激元开关，其特征在于：所述步骤(5)中采用化学气相沉积法合成石墨烯，其包括以下步骤：在800-1050℃的铜箔上，伴随着炉流的甲烷和氢气的混合物。
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