CN109725374A - 一种调控石墨烯等离激元波长的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调控石墨烯等离激元波长的方法，所述方法通过控制石墨烯层与基底层的不同距离，进而调控等离激元电场与基底的介电性质相互耦合的强弱，从而实现原位调控石墨烯等离激元的波长。所述方法能够调控石墨烯与基底的距离范围从0纳米到几百微米的范围；在几纳米至几百纳米的范围内，可以通过在石墨烯和基底之间充入气体的方法实现原位调控等离激元的波长；本发明中距离变化是连续的，因而可以对波长进行连续调控；所述方法简单易行且成本低。

Description

一种调控石墨烯等离激元波长的方法

技术领域

本发明涉及石墨烯材料和表面等离激元领域，特别涉及一种通过调控石墨烯与基底之间的距离调控其波长的方法。

背景技术

石墨烯是一种碳原子以SP²杂化形成的六边形蜂窝状晶格结构，它是一种单原子层的二维材料。石墨烯具有特殊的狄拉克线性能带结构，其载流子是特殊的无质量狄拉克费米子。因而石墨烯具有优异的电学、光学和热学性质。

石墨烯等离激是在石墨烯这种单原子层材料上支持的电磁模式。其在中红外太赫兹波段响应，波长相比入射光的波长压缩可达100倍，因而伴随着极高的场束缚效应。此外，石墨烯还具有电学可调的载流子浓度，因而能够实现等离激元波长的动态调控，这是其区别金属等离激元最为重要的性质。石墨烯等离激元的这些独特性质，使得其在深亚波长超材料、生物化学传感器以及光传输等诸多方向具有潜在应用价值。

由于石墨烯是一种平面二维材料，其性质(特别是电学和光学性质)容易受到支撑基底的影响。不同的基底材料支持的石墨烯等离激元模式具有不同的性质，通过更换基底材料可实现调控石墨烯等离激元的不同性质。但是，更换基底的方法不能保证等离激元的原位响应，过程复杂耗时长且最终的结果也不易控制。

发明内容

针对以上出现的问题，本发明提供一种调控石墨烯等离激元波长的方法。

本发明的技术方案：一种调控石墨烯等离激元波长的方法，所述方法通过控制石墨烯层与基底的不同距离，来调控等离激元空间电场感应到所述基底层的介电性质不同，从而实现原位调控石墨烯等离激元的波长。

优选的，在所述石墨烯层与基底层设置气体层，所述气体选自选自空气、氮气等惰性气体、稀有气体、氧气、氢气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、一氧化氮、三氧化二氮、二氧化硫、三氧化硫。

优选的，所述基底层的横向切面形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、五角形结构、正六边形、八角形，所述基底层的几何尺寸为1μm-5cm，厚度为100nm-5cm；

优选的，所述基底层包括1个或多个孔结构，其中孔以阵列形式排布，所述孔之间的间距为10nm-4cm，孔径为1nmm-5cm。

优选的，所述基底层的材料包括无机介电材料，金属材料，有机高分子材料。

优选的，所述无机介电材料选自二氧化硅、硅、石英、蓝宝石、锗、氧化铝、氮化硼、氟化钙、氟化镁、砷化镓、氮化镓；所述金属材料选自铁、铝、铜、金、银、铂、钢；所述有机高分子材料基底选自PET、PMMA、PDMS和塑料。

优选的，所述石墨烯层包括单层石墨烯和多层石墨烯，其中多层石墨烯层的层数在2～50层范围内。

一种制备实现所述的调控石墨烯等离激元波长的方法的等离激元器件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1)：选取基底层材料，并制备所述基底层；

步骤2)：在所述基底层上制备孔结构；

步骤3)：将样品石墨烯层置于所述基底层上，并覆盖孔成为悬空石墨烯层；

步骤4)：将所述石墨烯层底下的孔中压强进行改变，从而改变所述石墨烯层的几何形状，调控其与基底层的间距；

步骤5)：测量高度的变化；

步骤6)：激发等离激元，并获得波长；

其中获得波长采用的方法是：使用中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光直接激发等离激元或使用入射红外光照射到所述样品石墨烯层中孔的边界而激发等离激元，其中使用所述中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖扫描石墨烯层样品表面可以测量出石墨烯层上支持的等离激元波的干涉图案，从而获得其波长。

一种实现所述的调控石墨烯等离激元波长的方法的等离激元器件，其特征在于，所诉等离激元器件自上而下依次包括设置的石墨烯层、气体层和基底，其中，所述基底层包括一个或者多个孔结构，所述石墨烯层位于基底层之上，并在石墨烯层和孔之间填充气体，所述气体用于控制石墨烯层与基底之间距离。

本发明的有益效果：本发明一种调控石墨烯等离激元波长的方法，通过控制石墨烯层与基底层的不同距离，来调控等离激元空间电场感应到所述基底层材料的介电性质，从而实现调控石墨烯等离激元的波长。本发明方法具有如下优点：(1)固定基底，因而可以实现原位调控波长；(2)距离调控的范围宽(如几纳米至几百微米)，可以实现波长的有效调控；(3)距离变化是连续的，所以可以对波长进行连续调控；(4)方法简单易行且成本低。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出本发明中通过调节石墨烯层与基底层的间距从而改变石墨烯上支持的等离激元感应基底的介电环境的强弱从而实现调控波长的原理示意图；

图2示意性示出了本发明中调控石墨烯层与基底层具有不同距离的示例；

图3示意性示出了本发明中调控石墨烯层与基底层具有不同距离的后，调控石墨烯等离激元的波长的测量结果；

图4a～图4g示意性示出了本发明中基底层中的孔结构的形状示意图；

图5示意性示出了本发明调控石墨烯等离激元波长的结构的制备流程图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明一种调控石墨烯等离激元波长的方法，所述方法通过控制石墨烯层与基底层的不同距离，来调控等离激元空间电场感应到所述基底层的介电性质，从而实现原位调控石墨烯等离激元的波长。

其中具体的，石墨烯等离激元的电磁场在垂直于石墨烯平面的空间中，随着远离石墨烯的距离增大，而呈现指数衰减；因此等离激元与基底的介电环境的相互作用也会发生相应的减小。通过改变石墨烯与基底的距离，可以调控等离激元电场与基底的介电性质相互耦合的强弱，实现原位调控石墨烯等离激元的波长。

其中，在所述石墨烯层与基底层设置气体层，所述气体选自选自空气、氮气等惰性气体、稀有气体、氧气、氢气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、一氧化氮、三氧化二氮、二氧化硫、三氧化硫。

所述基底层的横向切面形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、五角形结构、正六边形、八角形，所述基底层的几何尺寸为1μm-5cm，厚度为100nm-5cm；

所述基底层包括1个或多个孔结构，其中孔以阵列形式排布。

所述孔之间的间距为10nm-4cm，孔径为1nmm-5cm。

其中，所述基底层的材料包括无机介电材料，金属材料，有机高分子材料。

其中所述无机介电材料选自二氧化硅、硅、石英、蓝宝石、锗、氧化铝、氮化硼、氟化钙、氟化镁、砷化镓、氮化镓。

所述金属材料选自铁、铝、铜、金、银、铂、钢。

所述有机高分子材料基底选自PET、PMMA、PDMS和塑料。

所述石墨烯层包括单层石墨烯和多层石墨烯，其中多层石墨烯层的层数在2～50层范围内。

优选的，所述方法使用中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光直接激发等离激元或是入射红外光照射到样品中孔的边界而激发等离激元。

其中，中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光扫描石墨烯层表面可以测量出石墨烯层上支持的等离激元波的干涉图案，从而获得其波长。

一种实现本发明的调控石墨烯等离激元波长的方法的等离激元器件，所述器件自上而下依次包括设置的石墨烯层、气体层和基底层。其中，所述基底层包括一个或者多个孔结构，石墨烯层位于基底层之上，通过在石墨烯层和所述孔之间填充气体，控制石墨烯层与基底层之间距离。

图1示意性示出本发明中通过调节石墨烯层与基底层的间距从而改变石墨烯上支持的等离激元感应基底的介电环境的强弱从而实现调控波长的原理示意图，其中图1为纵向剖面放大图。

如图1所示，石墨烯层101，基底层104和105，气体层102，

其中本实施例中石墨烯层101为单层石墨烯层，石墨烯层与基底层的间距用t表示，基底层包括300nm SiO₂/500μm Si，其中所述基底层Si作为支撑层，基底层SiO₂作为介功能层，其中基底层104为300nm SiO₂，基底层105为500μm Si，入射激发光106；金属探针107。103表示等离激元。

工作原理：本发明的调控石墨烯等离激元波长的方法，所述方法通过控制石墨烯层101与基底层的不同距离，来调控等离激元空间电场感应到所述基底层的介电性质的变化，从而实现原位调控石墨烯等离激元的波长。

其中具体的，通过改变石墨烯层101底下的孔中的气体的压强，使得石墨烯层的几何形状发生改变，例如初始的石墨烯层为平面正六边形结构，增强压强，使得石墨烯层从平面正六边形变成凸面正六边形结构，从而使得石墨烯层与基底层间的距离发生了改变，并使用入射激光106激发等离激元，107金属探针用于激发和探测石墨烯上的等离激元电磁模式的分布，获得等离激元波的干涉图案，测得其波长。

其中本实施例中使用的入射激发光106为红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光或使用入射红外光照射到所述样品中孔的边界而激发等离激元，其中使用所述中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖扫描石墨烯层样品表面可以测量出石墨烯层上支持的等离激元波的干涉图案，从而获得其波长。

图2示出了本发明中调控石墨烯层与基底层具有不同距离的示例。

如图2所示，使用原子力显微镜(AFM)实验测量的不同高度的石墨烯层结构，其中左边图示为石墨烯凹陷入基底的情况，其下限深度为100nm；中间图示为石墨烯与基底基本持平的情况，只有微小的凸起大于5nm；右侧所示为石墨烯凸起的情况，其凸起的高度为100nm，其中，孔的深度为300nm。

图3示出了本发明中调控石墨烯与基底层具有不同距离的后，调控石墨烯等离激元的波长的测量结果。

如图3所示，左侧为使用近场散射式光学显微镜观察的等离激元的场分布，两个亮条纹之间的距离是一个波长(λ)。从左侧图中可以初步观察到随着距离(t)减小，图中的条纹之间的距离(λ)在逐步减小，当距离为0时即石墨烯直接与基底层接触时最小。右侧图示给出了从左侧图中提取的石墨烯等离激元波长(λ)随着石墨烯与基底之间距离(t)的变化关系。其中正方形黑点是实验数据，偏差来自于红色曲线是使用随机相位近似(ARP)理论计算的结果。可以看出，实验的测量值与理论计算结果具有很好的一致性。从图中看出，石墨烯等离激元的波长从388nm被调控至1.061μm，被调制3倍。

图4a～图4g示意性示出了本发明中基底层中的孔结构的形状示意图；

如图4a所示，基底层中的孔的形状为圆环形状，其中孔呈阵列形式排列。

如图4b所示，基底层中的孔的形状为圆形，其中孔呈阵列形式排列。

如图4c所示，基底层中的孔的形状为椭圆形，其中孔呈阵列形式排列。

如图4d所示，基底层中的孔的形状为三角形，其中孔呈阵列形式排列。

如图4e所示，基底层中的孔的形状为正六边形，其中孔呈阵列形式排列。

如图4f所示，基底层中的孔的形状为矩形，其中孔呈阵列形式排列。

如图4g所示，基底层中的孔的形状为五角星形状，其中孔呈阵列形式排列。

其中基底层设置的孔的形状并不仅仅限于上述所记载的。

图5示意性示出了本发明调控石墨烯等离激元波长的结构的制备流程图。

如图5所示，根据本发明的制作方法包括以下步骤：

步骤501：选取基底层；

其中选取的基底层选用坚固、平整稳定的材料，比如金属(Al、Cu、Au、钢等)、无机晶体(硅，石英、氟化钙等)和有机塑料等，本发明的一个实施例中选用厚度为300nm二氧化硅结合500μm的硅片作为基底层；

步骤502：在所述基底层上制备孔结构；

其中本实施例中制备孔结构是利用机械加工、干法或者湿法刻蚀的方法制作孔结构，其中孔径为1nm-5cm。孔深度为0～5cm。孔的横向切面形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、五角形结构、正六边形、八角形。孔之间的间距为10nm-4cm；

步骤503：将样品中石墨烯层置于所述基底层上，并覆盖孔成为悬空石墨烯层；

步骤504：将石墨烯层底下的孔中压强进行改变，从而改变所述石墨烯层的几何形状，调控其与基底层的间距；

步骤505：测量高度的变化；

步骤506：获得波长；

其中本发明中使用中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光可以直接激发等离激元或使用入射红外光照射到所述样品中孔的边界而激发等离激元，其中使用所述中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖扫描石墨烯层样品表面可以测量出石墨烯层上支持的等离激元波的干涉图案，从而获得其波长。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (9)

1.一种调控石墨烯等离激元波长的方法，石墨烯等离激元的电磁场强度在沿着石墨烯面外的空间中，随着距离增大而呈现指数衰减；所述方法通过控制石墨烯层与基底层的不同距离，从而调控石墨烯等离激元空间电场与基底在不同距离的情况下，等离激元电场与基底的介电性质相互耦合的强弱，实现原位调控石墨烯等离激元的波长；

因此等离激元与基底的介电环境的相互作用也会发生相应的减小，通过改变石墨烯与基底的距离，可以调控等离激元电场与基底的介电性质相互耦合的强弱。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述石墨烯层与基底层设置气体层，所述气体选自选自空气、氮气等惰性气体、稀有气体、氧气、氢气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、一氧化氮、三氧化二氮、二氧化硫、三氧化硫。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基底层的横向切面形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、五角形结构、正六边形、八角形，所述基底层的几何尺寸为1μm-5cm，厚度为100nm-5cm。

4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述基底层包括1个或多个孔结构，其中孔以阵列形式排布，所述孔之间的间距为10nm-4cm，孔径为1nmm-5cm。

5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，所述基底层的材料包括无机介电材料，金属材料，有机高分子材料。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述无机介电材料选自二氧化硅、硅、石英、蓝宝石、锗、氧化铝、氮化硼、氟化钙、氟化镁、砷化镓、氮化镓；所述金属材料选自铁、铝、铜、金、银、铂、钢；所述有机高分子材料基底选自PET、PMMA、PDMS和塑料。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述石墨烯层包括单层石墨烯和多层石墨烯，其中多层石墨烯层的层数在2～50层范围内。

8.一种制备实现权利要求1-7任意一项所述的调控石墨烯等离激元波长的方法的等离激元器件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1)：选取基底层材料，并制备所述基底层；

步骤2)：在所述基底层上制备孔结构；

步骤3)：将样品石墨烯层置于所述基底层上，并覆盖孔成为悬空石墨烯层；

步骤4)：将所述石墨烯层底下的孔中压强进行改变，从而改变所述石墨烯层的几何形状，调控其与基底层的间距；

步骤5)：测量高度的变化；

步骤6)：激发等离激元，并获得波长；

其中获得波长采用的方法是：使用中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光直接激发等离激元或使用入射红外光照射到所述样品石墨烯层中孔的边界而激发等离激元，其中使用所述中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖扫描石墨烯层样品表面可以测量出石墨烯层上支持的等离激元波的干涉图案，从而获得其波长。

9.一种实现权利要求1-7任意一项所述的调控石墨烯等离激元波长的方法的等离激元器件，其特征在于，所述等离激元器件自上而下依次包括设置的石墨烯层、气体层和基底，其中，所述基底层包括一个或者多个孔结构，所述石墨烯层位于基底层之上，并在石墨烯层和孔之间填充气体，所述气体用于控制石墨烯层与基底之间距离。