CN109633798A - 一种调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种调控金属天线‑石墨烯复合超表面光电导的方法，该方法具体为：利用不同波长的共振激光辐照特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构，激发出不同干涉场的的表面等离子体激元(SPP)波，不同干涉场的SPP波在石墨烯表面传输并与石墨烯作用后衰变转换成的热载流子浓度分布不同，从而可精确调控石墨烯的光电导；同时给出了特定金属天线‑石墨烯复合超表面结构的具体制备方法，由于该金属天线‑石墨烯复合超表面结构具有高局域性，与共振激光相比，其产生的SPP波的波长更小，金属天线与石墨烯界面处的电磁场能量密度显著增强，该方法可广泛用于基于表面等离子体的纳米光子器件和纳米光电集成电路以及光通信技术等领域。
Description
技术领域
本发明属于表面等离激元光学领域，具体涉及到一种基于石墨烯表面的人工金属电磁超表面结构设计以产生表面等离激元(SPP)波，进而利用SPP波不同的干涉场电磁能量在石墨烯表面的传输及能量转换的不同以调控石墨烯光电导的方法。
背景技术
表面等离激元光学在微纳光电器件集成、生物传感、超分辨成像等技术领域具有重要的应用。表面等离激元(SPP)波是在光(即电磁波)的照射下在金属(或者半导体)-介质(如SiO2)表面引起的表面自由电子的集体振荡，它是电磁波与金属(或者半导体)表面自由电子共振耦合而形成的一种沿着金属(或者半导体)表面传播的近场电磁波，具有良好的表面局域性能和电磁波束缚特性。SPP波有两个明显的特点，一是SPP波在传播方向上具有比光波大的传播波矢，即SPP波有较短的波长；二是SPP波在与传播方向垂直的方向上是一个消逝波，即SPP波的场能量局域在传输介质表面。金属或者半导体表面SPP波传输过程中不断衰变成非辐射热载流子，因此，通过对SPP波的激发、传播及衰变转换的调控，可以实现对光波的传播、吸收和转换调控，进而调控金属或者半导体材料的导电特性。
石墨烯是一种二维单原子层薄膜，在平面上排成蜂窝状晶格结构，它是目前世界上最薄却也是最坚硬的纳米薄膜材料，具有优异的电学、光学及力学性质。石墨烯在介电函数上和贵金属有相似的特点，其表面通常能支持太赫兹到中红外频率范围激光激发出SPP波。与金属相比，石墨烯具有更好的电学调控性能和更强的表面电磁束缚能力。由于石墨烯的SPP波的波矢和激发光波真空波矢相差太大，不易发生波矢匹配，难以耦合，使得石墨烯表面不易激发SPP波。通常，需要将石墨烯图案化，使其支持SPP波传播；或在石墨烯表面增加金属天线，金属天线耦合入射光可产生极强的大波矢近场，进而在其周围石墨烯表面激发出SPP波。
因此，通过在石墨烯表面构建金属天线阵列，可以实现SPP波的传输及干涉。通常，在线性媒质中，光的干涉的三个必要条件分别是，两束光波的频率相同或很接近，偏振方向相同或具有一定同方向偏振分量，相位差基本恒定；这样，满足相干条件的光波干涉结果表现为光场强度在空间形成稳定的明暗相间干涉条纹分布。而且，通过调节两束光的相位差可以实现不同的干涉态，如相长干涉、相消干涉及中间干涉态。线性媒质中的光学干涉通常遵循惠更斯线性叠加原理，光束将相互穿过而不互相干扰。然而，在非线性媒质中，光的干涉还需要考虑光与非线性媒质的相互作用，此时两束光的干涉可不遵循惠更斯叠加原理(Controlling light-with-light without nonlinearity，Jianfa Zha ng,et al.,Light:Science and Applications,Vol.1,e18(1-5),31March 2012)。由于石墨烯是一种非线性光学材料，因此探究石墨烯表面的SPP波的干涉，需要考虑SPP波的非线性叠加。
石墨烯表面SPP波的不同干涉态，其衰变转换成的热载流子能量亦不同，从而可以通过改变石墨烯表面SPP波的干涉态改变石墨烯内的载流子浓度分布，进而改变其能带结构，从而调控石墨烯的光电导。对于特定掺杂浓度的石墨烯，费米能级为EF，当光子能量小于2EF时，由于泡利不相容原理，电子的带间跃迁被阻碍；而当光子能量大于2EF时，电子吸收光子，发生带内跃迁。在石墨烯薄膜中，带内跃迁可以改变其载流子分布。这样，在共振激光照射下，金属天线-石墨烯复合超表面结构被激发出SPP波并在石墨烯表面传播，传播过程中SPP波会不断衰变产生热载流子注入到石墨烯内(Theoretical predictions for hot-carrier generation from surface plasmon decay，Ravis hankar Sundararaman,etal.,Nature Communications,Vol.5,Article number:5788(1-8),16December 2014)。因此，可以通过构建SPP波干涉场，将衰变的热载流子注入到石墨烯内，改变石墨烯的掺杂性质，从而来调控石墨烯的光电导。利用随机相位近似方法，可以得到石墨烯的光电导为(Optical far-infrared properties of a graphene monola yer and multilayer，L.A.Falkovsky,et al.,Phys Rev B,Vol.76,153410(1-4),31 Oct ober，2007)：
其中，为石墨烯的费米能级，为普朗克常数，Vf为费米速率，n为载流子浓度，ω为共振激光的圆频率，e为电子电荷，kB为玻尔兹曼常数，T为当前温度，τ为弛豫时间。
在上述背景技术中，如光(即电磁波)的干涉、石墨烯的非线性、SPP波在石墨烯表面的传输衰变等基本原理技术相互独立，功能相对单一。若综合以上基本原理技术，通过调控石墨烯表面SPP波的不同干涉态的衰变并注入热载流子至石墨烯内，即可实现精确地光学调控石墨烯光电导。
发明内容
本发明的目的是基于光(即电磁波)的干涉、石墨烯的非线性、SPP波在石墨烯表面的传输衰变等基本原理技术，设计一种基于金属天线-石墨烯复合超表面结构以产生SPP波，并利用SPP波的不同干涉场衰变转换成的热载流子浓度分布的不同，从而改变石墨烯的能带结构，达到精确调控石墨烯的光电导的目的。
本发明的技术方案如下：
利用n条不同波长λ1,λ2,λ3,...,λn的共振激光分别辐照特定金属天线-石墨烯复合超表面结构，激发出n条具有不同波长的表面等离子体激元(SPP)波，不同波长的表面等离子体激元(SPP)波产生不同的干涉场，不同干涉场的表面等离子体激元(SPP)波在石墨烯表面传输并与石墨烯作用后衰变转换成的热载流子浓度分布不同，从而改变石墨烯的能带结构，进而调控石墨烯的光电导，其中，n为正整数。
其中，所述特定金属天线-石墨烯复合超表面结构的制备方法包括如下步骤：
1)定义特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型
特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的主体结构包括：基底、单层石墨烯薄膜和金属天线阵列，所述基底位于底部，其材料为硅、石英玻璃、氟化钙或碳化硅，其形状为边长为1～2mm的正方体；所述基底的上表面覆盖单层石墨烯薄膜，单层石墨烯薄膜的厚度为0.5nm，其表面形状与基底表面形状相同，为边长为1～2mm的正方形；在所述单层石墨烯薄膜表面构建金属天线阵列，所述金属天线阵列中的每一个金属天线单元的形状和尺寸均相同，为长方体且该长方体的三个维度的尺寸分别为长l＝2500～3000nm、宽w＝400～800nm以及高t＝30～80nm，每一个金属天线单元之间平行于金属天线单元长度l方向的纵向空白间距为d，垂直于长度l方向的横向空白间距为s，金属天线单元的个数由基底面积和金属天线单元纵向空白间距为d和横向空白间距为s决定；
2)特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算
2-1)通过仿真软件对步骤1)中的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型进行仿真，得到该模型被特定波长λ0的共振激光激发出的表面等离子体激元(SPP)波的光场分布，其中，λ0不同于λ1,λ2,λ3,...,λn；
2-2)根据步骤2-1)得到的SPP波的光场分布仿真结果，利用计算机程序计算出特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型被特定波长λ0的共振激光激发所产生的SPP波的波长λ0_SPP，将该波长λ0_SPP作为SPP波的仿真预设波长；
2-3)根据步骤2-2)计算出的SPP波的仿真预设波长λ0_SPP，设置金属天线阵列中相邻金属天线单元之间的纵向空白间距d的大小，并利用计算机程序对设置了纵向空白间距d的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型进行数值仿真计算：
若纵向空白距离设置为d＝m0×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波相长干涉的干涉场；若纵向空白距离设置为d＝(m0-1/2)×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波相消干涉的干涉场；若纵向空白距离设置为(m0-1/2)×λ0_SPP＜d＜m0×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波中间干涉态的干涉场，其中m0为正整数，
基于上述设置了纵向空白间距d的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算结果，制备特定金属天线-石墨烯复合超表面结构实物，
其中，为消除SPP波在金属天线单元横向空白间距s中的干涉，三种干涉场中金属天线单元之间的横向空白间距s均设置为被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波衰变距离的两倍；
3)制备特定金属天线-石墨烯复合超表面结构实物
3-1)脱水烘烤：将具有步骤1)所述材料和尺寸的附有单层石墨烯薄膜的基底放置在真空或干燥氮气的烘箱中，以150℃～200℃的温度烘烤30分钟；
3-2)旋转涂胶与软烤：利用旋涂机在经过步骤3-1)处理的基底上的单层石墨烯薄膜表面旋涂一层厚度为40～100nm的光刻胶，首先将旋涂机的转速调整为500r/min，随后将旋涂机的转速增大至5000r/min以实现均匀旋涂，光刻胶均匀旋涂之后，将基底放置在真空软板中软烤2～5分钟，软烤温度为80～100℃，以去除光刻胶中的溶剂丙酮，使得光刻胶的曝光特性固定；
3-3)电子束曝光：利用步骤2-3)得到的设置了纵向空白间距d的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算结果，用聚焦电子束对经过步骤3-2)处理的基底上的光刻胶进行曝光，得到特定金属天线-石墨烯复合超表面结构的天线阵列结构；
3-4)显影及蒸镀金属膜：利用显影液对经过步骤3-3)处理的基底进行显影，接着，在显影后的基底表面蒸镀一层厚度为40nm的金属膜；
3-5)去胶(Lift-off)：在经过步骤3-4)处理的基底上使用丙酮溶液将剩余的光刻胶和附着在光刻胶上的金属一并去除，得到特定金属天线-石墨烯复合超表面结构的金属天线阵列结构，由此得到特定金属天线-石墨烯复合超表面结构。
进一步地，利用n条不同波长λ1,λ2,λ3,...,λn的共振激光分别辐照特定金属天线-石墨烯复合超表面结构激发出不同干涉场的表面等离子体激元(SPP)波的方法具体为：若步骤2-3)设置的纵向空白距离d＝mi×λi_SPP，得到被波长为λi的共振激光激发出的SPP波相长干涉的干涉场；若步骤2-3)设置的纵向空白距离d＝(mi-1/2)×λi_SPP，得到被波长为λi的共振激光激发出的SPP波相消干涉的干涉场；若步骤2-3)设置的纵向空白距离(mi-1/2)×λi_SPP＜d＜mi×λi_SPP，得到被波长为λi的共振激光激发出的SPP波中间干涉态的干涉场，其中，i＝1,2,3,...,n，λi_SPP为被波长为λi的共振激光激发出的SPP波的波长，mi为正整数。
进一步地，步骤2-1)中的所述仿真软件为FDTD solutions，步骤3)中的所述金属膜材料为金或银，步骤3-2)中的所述光刻胶的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，步骤3-4)中的所述显影液为四甲基二戊酮(MIBK)和异丙醇(IPA)以1:3比例混合的混合溶液。
本发明的所述特定波长λ0的共振激光为偏振方向沿着金属天线单元长度l方向的线偏振光，入射角为45°，λ0＝10.2～11um。
本发明基于金属天线-石墨烯复合超表面结构的SPP波传播理论和传统的光学干涉原理，通过不同波长的共振激光调控不同干涉态下SPP波在石墨烯表面传输以及与石墨烯作用后衰变转换成的热载流子浓度分布，从而改变石墨烯的能带结构，进而调控石墨烯光电导的物理性能，由于该金属天线-石墨烯复合超表面结构具有高局域性，与共振激光相比，SPP波的波长更小，金属天线与石墨烯界面处的电磁场能量密度显著增强，该方法可广泛用于基于表面等离子体的纳米光子器件和纳米光电集成电路以及光通信技术等领域。
附图说明
图1为本发明金属天线-石墨烯复合超表面结构示意图
图2为金属天线-石墨烯复合超表面结构的SPP波不同干涉场的数值仿真结果
图3为金属天线-石墨烯复合超表面结构的扫描电子显微镜图
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提供了一种调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法，该方法具体包括：利用n条不同波长λ1,λ2,λ3,...,λn的共振激光分别辐照特定金属天线-石墨烯复合超表面结构，激发出n条具有不同波长的表面等离子体激元(SPP)波，不同波长的表面等离子体激元(SPP)波产生不同的干涉场，不同干涉场的表面等离子体激元(SPP)波在石墨烯表面传输并与石墨烯作用后衰变转换成的热载流子浓度分布不同，从而改变石墨烯的能带结构，进而调控石墨烯的光电导，其中，n为正整数。
所述特定金属天线-石墨烯复合超表面结构的制备方法包括如下步骤：
1)定义特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型
如图1所示，特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的主体结构包括：基底、单层石墨烯薄膜和金属天线阵列，所述基底位于底部，其材料为硅或石英玻璃，其形状为边长为1～2mm的正方体；所述基底的上表面覆盖单层石墨烯薄膜，单层石墨烯薄膜的厚度为0.5nm，其表面形状与基底表面形状相同，为边长为1～2mm的正方形，单层石墨烯薄膜材料的费米能级EF为0.44eV，散射率为0.0033eV，工作温度是300K；在所述单层石墨烯薄膜表面构建金属天线阵列，所述金属天线阵列中的每一个金属天线单元的形状和尺寸均相同，为长方体且该长方体的三个维度的尺寸分别为长l＝3000nm、宽w＝600nm以及高t＝40nm，每一个金属天线单元之间平行于金属天线单元长度l方向的纵向空白间距为d，垂直于长度l方向的横向空白间距为s，金属天线单元的个数由基底面积和金属天线单元纵向空白间距为d和横向空白间距为s决定，
2)特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算
2-1)通过使用FDTD solution仿真软件对步骤1)中的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型进行仿真，得到该模型被特定波长λ0的共振激光激发出的表面等离子体激元(SPP)波的光场分布，其中，λ0不同于λ1,λ2,λ3,...,λn，
所述特定波长λ0的共振激光为偏振方向沿着金属天线单元长度l方向的线偏振光，入射角为45°，λ0＝10.9um；
2-2)根据步骤2-1)得到的SPP波的光场分布仿真结果，利用计算机程序计算出特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型被特定波长λ0的共振激光激发所产生的SPP波的波长λ0_SPP，将该波长λ0_SPP作为SPP波的仿真预设波长；
2-3)根据步骤2-2)计算出的SPP波的仿真预设波长λ0_SPP，设置金属天线阵列中相邻金属天线单元之间的纵向空白间距d的大小，并利用计算机程序对设置了纵向空白间距d的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型进行数值仿真计算：
若纵向空白距离设置为d＝m0×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波相长干涉的干涉场；若纵向空白距离设置为d＝(m0-1/2)×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波相消干涉的干涉场；若纵向空白距离设置为(m0-1/2)×λ0_SPP＜d＜m0×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波中间干涉态的干涉场，其中m0为正整数，
基于上述设置了纵向空白间距d的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算结果，制备特定金属天线-石墨烯复合超表面结构实物，
其中，为消除SPP波在金属天线单元横向空白间距s中的干涉，三种干涉场中金属天线单元之间的横向空白间距s均设置为被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波衰变距离的两倍。
在FDTD solution仿真软件中，硅、石英玻璃以及金属天线使用的材料参数是Johnson and Christy参数。
图2为金属天线-石墨烯复合超表面结构模型被特定波长λ0的共振激光激发产生的SPP波不同干涉场的数值仿真结果，图2中的p表示共振激光的偏振方向，其入射角为45°，其中图2(a)(b)(c)(d)中的左图均是在金属天线表面上方5nm处的电场z分量实部Re(Ez)的示意图，而右图则是上述Re(Ez)相对应的y＝0处的场强分布曲线。图2(a)左图表示单根金天线被共振激光激发产生SPP波的电场z分量分布Re(Ez)，其中λ0_SPP＝530nm；图2(b)左图表示一对纵向空白间距d＝1×λ0_SPP＝530nm的金天线单元被共振激光激发产生的SPP波相长干涉的电场z分量分布Re(Ez)；图2(c)左图表示一对纵向空白间距d＝350nm(其中，1/2×λ0_SPP＜d＜1×λ0_SPP)的金天线单元被共振激光激发产生的SPP波中间干涉态的电场z分量分布Re(Ez)；图2(d)左图表示一对纵向空白间距d＝1/2×λ0_SPP＝265nm的金天线单元被共振激光激发产生的SPP波相消干涉的电场z分量分布Re(Ez)。
3)制备特定金属天线-石墨烯复合超表面结构实物
3-1)脱水烘烤：将具有步骤1)所述材料和尺寸的附有单层石墨烯薄膜的基底放置在真空或干燥氮气的烘箱中，以150℃的温度烘烤30分钟；
3-2)旋转涂胶与软烤：利用旋涂机在经过步骤3-1)处理的基底上的单层石墨烯薄膜表面旋涂一层厚度为40nm的光刻胶，首先将旋涂机的转速调整为500r/min，随后将旋涂机的转速增大至5000r/min以实现均匀旋涂，光刻胶均匀旋涂之后，将基底放置在真空软板中软烤2-5分钟，软烤温度为80℃，以去除光刻胶中的溶剂丙酮，使得光刻胶的曝光特性固定；
3-3)电子束曝光：利用步骤2-3)得到的设置了纵向空白间距d的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算结果，用聚焦电子束对经过步骤3-2)处理的基底上的光刻胶进行曝光，得到特定金属天线-石墨烯复合超表面结构的天线阵列结构，其中，聚焦电子束加速电压为30kV，面密度为300μC/cm2，直径为20nm；
3-4)显影及蒸镀金属膜：利用显影液对经过步骤3-3)处理的基底进行显影，接着，在显影后的基底表面蒸镀一层厚度为40nm的金膜；
3-5)去胶(Lift-off)：在经过步骤3-4)处理的基底上使用丙酮溶液将剩余的光刻胶和附着在光刻胶上的金一并去除，得到特定金属天线-石墨烯复合超表面结构的金属天线阵列结构，由此得到特定金属天线-石墨烯复合超表面结构。
图3为金属天线-石墨烯复合超表面结构的扫描电子显微镜图(SEM)。图(a)的基底材料为硅，相邻金天线单元之间的纵向空白间距为d＝250nm，横向空白间距为s＝3000nm，图(b)的基底材料为石英玻璃，相邻金天线单元之间的纵向空白间距和横向空白间距均为3000nm。
在本发明提供的调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法中，利用n条不同波长λ1,λ2,λ3,...,λn的共振激光分别辐照特定金属天线-石墨烯复合超表面结构激发出不同干涉场的表面等离子体激元(SPP)波的方法具体为：若步骤2-3)设置的纵向空白距离d＝mi×λi_SPP，得到被波长为λi的共振激光激发出的SPP波相长干涉的干涉场；若步骤2-3)设置的纵向空白距离d＝(mi-1/2)×λi_SPP，得到被波长为λi的共振激光激发出的SPP波相消干涉的干涉场；若步骤2-3)设置的纵向空白距离(mi-1/2)×λi_SPP＜d＜mi×λi_SPP，得到被波长为λi的共振激光激发出的SPP波中间干涉态的干涉场，其中，i＝1,2,3,...,n，λi_SPP为被波长为λi的共振激光激发出的SPP波的波长，mi为正整数。
进一步地，步骤3-2)中的所述光刻胶的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
进一步地，步骤3-4)中的所述显影液为四甲基二戊酮(MIBK)和异丙醇(IPA)以1:3比例混合的混合溶液。
为进一步验证本发明提供的调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法的准确性，本方法还可包括：
4)金属天线-石墨烯复合超表面结构的近场干涉及电磁特性实验测试
4-1)金属天线-石墨烯复合超表面结构的SPP波近场干涉实验测试
首先，将制备出的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构放置在散射式近场光学显微镜(S-SNOM)下进行实验测试，在激光器发射的具有特定波长λ0的共振激光照射下，特定金属天线-石墨烯复合超表面结构被激发出表面等离子体激元(SPP)波并在其石墨烯表面传播，实验测试得出该SPP波的波长，即SPP波的实际预设波长，将该实际预设波长与步骤2-2)中的仿真预设波长进行对比，测试表明，SPP波的实际预设波长与步骤2-2)中的仿真预设波长偏差约为50nm，并可通过S-SNOM测试得到此时SPP波的近场干涉图样，其中，使用的激光器为CO2激光器，具有特定波长的共振激光为s偏振光，其特定波长为10.9um，入射角为45°，共振激光功率为30mW；
随后，改变激光器发射的共振激光的波长重复上述操作，即可通过S-SNOM测试得到相长干涉、相消干涉以及中间干涉态这三种干涉态下SPP波的近场干涉图样；
4-2)金属天线-石墨烯复合超表面结构的电磁特性实验测试
对制备出的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构进行红外傅里叶光谱(FourierTransform infrared spectroscopy，FTIR)测试，得到特定金属天线-石墨烯复合超表面结构中的光线透、反射特性测试结果；
对制备出的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构进行中红外Pump-probe光谱测试，得到特定金属天线-石墨烯复合超表面结构在SPP波的相长干涉、相消干涉以及中间干涉态三种情况下石墨烯内的Pump-probe光谱，得到SPP波诱导热载流子产生电子-空穴对并注入石墨烯中的电磁能量传输及能量转换特性结果，进而得到上述三种干涉态下石墨烯光电导的变化情况。
本发明提供了一种调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法，该方法基于表面等离子体激元(SPP)波传播理论和传统的光学干涉原理，通过不同波长的共振激光调控不同干涉态下SPP波在石墨烯表面传输方式以及与石墨烯作用后衰变转换成的热载流子浓度分布，从而改变了石墨烯的能带结构，实现精确地调控石墨烯光电导的目的，并且该金属天线-石墨烯复合超表面结构具有高局域性，与共振激光相比，其产生的SPP波的波长更小，金属天线与石墨烯界面处的电磁场能量密度显著增强，该方法可广泛用于基于表面等离子体的纳米光子器件和纳米光电集成电路以及光通信技术等领域。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (7)
1.一种调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法，其特征在于，该方法具体为：利用n条不同波长λ1,λ2,λ3,...,λn的共振激光分别辐照特定金属天线-石墨烯复合超表面结构，激发出n条具有不同波长的表面等离子体激元(SPP)波，不同波长的表面等离子体激元(SPP)波产生不同的干涉场，不同干涉场的表面等离子体激元(SPP)波在石墨烯表面传输并与石墨烯作用后衰变转换成的热载流子浓度分布不同，从而改变石墨烯的能带结构，进而调控石墨烯的光电导，其中，n为正整数，
其中，所述特定金属天线-石墨烯复合超表面结构的制备方法包括如下步骤：
1)定义特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型
特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的主体结构包括：基底、单层石墨烯薄膜和金属天线阵列，所述基底位于底部，其材料为硅、石英玻璃、氟化钙或碳化硅，其形状为边长为1～2mm的正方体；所述基底的上表面覆盖单层石墨烯薄膜，单层石墨烯薄膜的厚度为0.5nm，其表面形状与基底表面形状相同，为边长为1～2mm的正方形；在所述单层石墨烯薄膜表面构建金属天线阵列，所述金属天线阵列中的每一个金属天线单元的形状和尺寸均相同，为长方体且该长方体的三个维度的尺寸分别为长l＝2500～3000nm、宽w＝400～800nm以及高t＝30～80nm，每一个金属天线单元之间平行于金属天线单元长度l方向的纵向空白间距为d，垂直于长度l方向的横向空白间距为s，金属天线单元的个数由基底面积和金属天线单元纵向空白间距为d和横向空白间距为s决定；
2)特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算
2-1)通过仿真软件对步骤1)中的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型进行仿真，得到该模型被特定波长λ0的共振激光激发出的表面等离子体激元(SPP)波的光场分布，其中，λ0不同于λ1,λ2,λ3,...,λn；
2-2)根据步骤2-1)得到的SPP波的光场分布仿真结果，利用计算机程序计算出特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型被特定波长λ0的共振激光激发所产生的SPP波的波长λ0_SPP，将该波长λ0_SPP作为SPP波的仿真预设波长；
2-3)根据步骤2-2)计算出的SPP波的仿真预设波长λ0_SPP，设置金属天线阵列中相邻金属天线单元之间的纵向空白间距d的大小，并利用计算机程序对设置了纵向空白间距d的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型进行数值仿真计算：
若纵向空白距离设置为d＝m0×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波相长干涉的干涉场；若纵向空白距离设置为d＝(m0-1/2)×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波相消干涉的干涉场；若纵向空白距离设置为(m0-1/2)×λ0_SPP＜d＜m0×λ0_SPP，得到被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波中间干涉态的干涉场，其中m0为正整数，
基于上述设置了纵向空白间距d的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算结果，制备特定金属天线-石墨烯复合超表面结构实物，
其中，为消除SPP波在金属天线单元横向空白间距s中的干涉，三种干涉场中金属天线单元之间的横向空白间距s均设置为被特定波长λ0的共振激光激发出的SPP波衰变距离的两倍；
3)制备特定金属天线-石墨烯复合超表面结构实物
3-1)脱水烘烤：将具有步骤1)所述材料和尺寸的附有单层石墨烯薄膜的基底放置在真空或干燥氮气的烘箱中，以150℃～200℃的温度烘烤30分钟；
3-2)旋转涂胶与软烤：利用旋涂机在经过步骤3-1)处理的基底上的单层石墨烯薄膜表面旋涂一层厚度为40～100nm的光刻胶，首先将旋涂机的转速调整为500r/min，随后将旋涂机的转速增大至5000r/min以实现均匀旋涂，光刻胶均匀旋涂之后，将基底放置在真空软板中软烤2～5分钟，软烤温度为80～100℃，以去除光刻胶中的溶剂丙酮，使得光刻胶的曝光特性固定；
3-3)电子束曝光：利用步骤2-3)得到的设置了纵向空白间距d的特定金属天线-石墨烯复合超表面结构模型的数值仿真计算结果，用聚焦电子束对经过步骤3-2)处理的基底上的光刻胶进行曝光，得到特定金属天线-石墨烯复合超表面结构的天线阵列结构；
3-4)显影及蒸镀金属膜：利用显影液对经过步骤3-3)处理的基底进行显影，接着，在显影后的基底表面蒸镀一层厚度为40nm的金属膜；
3-5)去胶(Lift-off)：在经过步骤3-4)处理的基底上使用丙酮溶液将剩余的光刻胶和附着在光刻胶上的金属一并去除，得到特定金属天线-石墨烯复合超表面结构的金属天线阵列结构，由此得到特定金属天线-石墨烯复合超表面结构。
2.根据权利要求1所述的调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法，其特征在于，利用n条不同波长λ1,λ2,λ3,...,λn的共振激光分别辐照特定金属天线-石墨烯复合超表面结构激发出不同干涉场的表面等离子体激元(SPP)波的方法具体为：若步骤2-3)设置的纵向空白距离d＝mi×λi_SPP，得到被波长为λi的共振激光激发出的SPP波相长干涉的干涉场；若步骤2-3)设置的纵向空白距离d＝(mi-1/2)Δλi_SPP，得到被波长为λi的共振激光激发出的SPP波相消干涉的干涉场；若步骤2-3)设置的纵向空白距离(mi-1/2)×λi_SPP＜d＜mi×λi_SPP，得到被波长为λi的共振激光激发出的SPP波中间干涉态的干涉场，其中，i＝1,2,3,...,n，λi_SPP为被波长为λi的共振激光激发出的SPP波的波长，mi为正整数。
3.根据权利要求1所述的调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法，其特征在于，步骤2-1)中的所述仿真软件为FDTD solutions。
4.根据权利要求1所述的调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法，其特征在于，所述特定波长λ0的共振激光为偏振方向沿着金属天线单元长度l方向的线偏振光，入射角为45°，λ0＝10.2～11um。
5.根据权利要求1所述的调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法，其特征在于，步骤3)中的所述金属膜材料为金或银。
6.根据权利要求1或2所述的调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法，其特征在于，步骤3-2)中的所述光刻胶的材料为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的调控金属天线-石墨烯复合超表面光电导的方法，其特征在于，步骤3-4)中的所述显影液为四甲基二戊酮(MIBK)和异丙醇(IPA)以1:3比例混合的混合溶液。
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