CN109765648A - 石墨烯表面等离激元器件、表面等离激元波导及光电器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯表面等离激元器件，其包括由导电周期性散射体‑介电层‑石墨烯层形成了类电容结构，从而通过导电周期性散射体，如一维/二维导电光栅来增大自由空间光的波矢，使之与石墨烯传导型等离激元的波矢相匹配，以激发石墨烯传导型等离激元；同时，可通过在石墨烯层和导电周期性散射体之间加载电压，即可调节石墨烯的电子浓度，从而实现石墨烯表面等离激元的动态调控，即该导电周期性散射体不仅作为石墨烯等离激元的激发结构，还同时作为石墨烯电子浓度调控的一个电极，以实现对石墨烯表面等离激元的动态调控。相应地，本发明还提供了一种用于石墨烯表面等离激元波导及相应的光电器件。

Description

石墨烯表面等离激元器件、表面等离激元波导及光电器件

技术领域

本发明涉及红外光探测技术领域，具体涉及一种石墨烯表面等离激元器件及石墨烯表面等离激元波导、光电器件。

背景技术

等离激元学作为纳米光子学的一个前沿分支，主要研究如何利用表面等离激元实现在纳米尺度上对光信号的产生、传导和操纵。表面等离激元(Surface Plasmon，SP)是在导体表面区域，电磁波和等离子体震荡相互作用形成一种新的电磁模式。表面等离激元可存在于零维、一维和二维体系中：零维体系，如球形纳米颗粒，中的表面等离激元收到x，y，z三个坐标方形的束缚，被称为局域化表面等离激元；一维体系，如纳米线，和二维体系，如金属-电介质界面，中的表面等离激元则通常为传导型表面等离激元，其电磁能量可以向某一方向定向传播。十几年来，关于等离激元的研究多数围绕着金、银等贵金属体系在可见光和近红外波段的光学响应，探讨其支持的局域化或传导型表面等离激元的光学性质，尤其是它们的激发条件、传播和损耗特性、调控方法以及应用前景。大量调研表明，传导型表面等离激元因其具有高频电磁波属性、亚波长局域尺度以及近场增强效应，能够满足当前光子器件小型化以及光电一体化集成对信号速度和局域尺度的需求。

由于电磁信号的稳定性及可调制性也决定着电光器件和光子集成芯片的可行性。一般地，有损材料中支持的电磁模式的局域化尺度和传输损坏之间存在着一个博弈关系：局域化尺度越小，传输损耗越大，反之亦然。目前，集成电子元件的特征尺度为几十个纳米，约为可见波长的十分之一。对于居于在如此之小尺度上的等离激元电磁模式，其传输损耗相应很大。如何有效减小表面等离激元的传输损耗已经成为等离激元学所面临的一个亟待解决的问题。另一方面，对于金属等离激元的动态调制完全依赖于与之相邻的功能材料，如量子点、液晶等电光材料。然而，在纳米尺度上集成这些功能材料不但会增加期间制备的难度，而且会增大体系的不稳定性。

石墨烯等二维材料的成功制备为解决表面等离激元学中的这些难题提供了突破口。首先，石墨烯等离激元具有高度局域性，能够将红外和太赫兹波局域在仅为百纳米甚至几十纳米的范围内。其次，石墨烯等离激元具有动态可调性，在石墨烯上加载电压可调节石墨烯中电子的浓度，引起等离激元谐振频率的变化，因此改变加载的电压可实现石墨烯等离激元的谐振频率的动态调控。此外，石墨烯具有高迁移率，可使石墨烯等离激元损耗非常低，所以理论上石墨烯等离激元还可实现具有高品质因素。正是石墨烯等离激元的这些优异特性，使得其在诸多领域具有重要的应用前景，例如表面红外光谱增强，红外和太赫兹探测，红外太赫兹调制器等。

尽管石墨烯等离激元具有上述的优异性能，然而实际中这些优异性能并没有发挥出来。这是因为石墨烯等离激元的波矢与自由空间中的光波矢差距悬殊，传统的激发金属等离激元的动量匹配方法(如棱镜偶合法)已经不再适用于石墨烯等离激元的激发。对于石墨烯等离激元的光学激发主要有以下方法：1)入射光直接照射石墨烯微纳结构激发石墨烯等离激元，即将石墨烯纳米图形化的方法来激发石墨烯的局域型等离激元。2)由周期性散射体激发石墨烯等离激元，即通过在石墨烯周围介质衬底形成光栅来激发石墨烯表面等离激元。3)由单个散射体近场激发石墨烯等离激元。

目前，普遍采用的是将石墨烯纳米图形化的方法来激发石墨烯的局域型等离激元，如申请号为201710520408.5的发明专利申请，以及申请号为201510792416.6的中国发明专利都采用了石墨烯纳米图形化的方法来激发石墨烯的局域型等离激元。最近也有人提出了采用周期性散射体激发石墨烯，如申请号为2018102117696的中国发明专利申请。但这些都没有提及石墨烯等离激元的动态调控，因此，目前亟需一种能够动态调控的等离激元的石墨烯表面等离激元器件。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明提供一种石墨烯表面等离激元器件，可实现石墨烯表面等离激元的动态调控。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种石墨烯表面等离激元器件，包括衬底，以及位于所述衬底上的类电容结构，以及位于所述类电容结构上的电极层，其中，所述类电容结构从下至上依次包括：导电周期性散射体、介电层、石墨烯层。

进一步地，所述石墨烯表面等离激元器件还包括设置在所述衬底与所述导电周期性散射体之间的反射增强层。

进一步地，所述石墨烯表面等离激元器件还包括设置在所述石墨烯层的上方，或下方，或同时设置在所述石墨烯层的上方和下方的保护层；用于减弱介电层的高低起伏，或介电材料的杂质和缺陷，或介电材料的声子，引起的石墨烯等离激元散射，或阻止外界环境的水汽、氧气和尘埃进入石墨烯内。

其中，所述导电周期性散射体为周期为10nm-1000nm的一维导电光栅层，或者由至少两个一维导电光栅层沿栅线方向拼接而成的二维导电光栅层；和/或，所述石墨烯层为1-15层连续的且未经纳米图形化的石墨烯；和/或，所述介电层的材质为绝缘材料或半导体材料；厚度为0.3nm-500nm。

其中，所述介电层的材料为硅、锗、二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钛、溴化钾、氟化钙、金刚石、类金刚石、氮化硼、氮化硅、氟化镁、氟化钡、硫化锌、硒化锌、聚乙烯、碘化铯、氯化钾、氯化钠、硫系玻璃、或者红外透过率高的高分子材料中的任意一种或两种，或者两种以上；和/或，

所述导电周期性散射体/导电光栅的材料为金、银、钛、铝、铜、镍、镉等单质金属，或金银、银铝、金铝、钛铝等金属的合金，或氧化锡、氧化铟锡等导电化合物，或二维导电材料。

本发明的另一目的为提供一种石墨烯表面等离激元波导，其包括由从下至上依次层叠设置的导电周期性散射体、介电层和石墨烯层构成的类电容结构。

基于上述的石墨烯表面等离激元波导，本发明还提供了另一种石墨烯表面等离激元器件，其包括衬底，以及位于所述衬底上的石墨烯表面等离激元波导阵列，其中，所述石墨烯表面等离激元波导阵列中的每个阵列单元包括上述的石墨烯表面等离激元波导。

本发明的另一目的在于提供一种光电器件，其包括上述的石墨烯表面等离激元器件，或者上述石墨烯表面等离激元波导。

本发明的有益之处在于：

本发明的石墨烯表面等离激元波导/器件以及光电器件通过采用导电周期性散射体来激发石墨烯表面等离激元，并在该导电周期性散射体和石墨烯层之间设置介电层，从而由导电光栅层-介电层-石墨烯层形成类似的电容结构(简称类电容结构)，其中，导电周期性散射体能够增大自由空间光的波矢，使之与石墨烯传导型等离激元的波矢相匹配，从而能够激发石墨烯传导型等离激元；并且由于形成了类电容结构，可通过在石墨烯和导电周期性散射体之间加载电压，可以调节石墨烯的电子浓度，从而实现石墨烯表面等离激元的动态调控，即该导电周期散射体不仅作为石墨烯等离激元的激发结构，还同时作为石墨烯电子浓度调控的一个电极，从而可实现对石墨烯表面等离激元的动态调控。

本发明中，该导电周期性散射体采用一维导电光栅层或二维导电光栅层，从而形成导电光栅层-介电层-石墨烯层结构(Conductive Grating layer-Delectric layer-Graphene layer structure，简称CGDG结构)，从光学的角度看，导电光栅(即导电周期性散射体)能够增大自由空间光的波矢，使之与石墨烯传导型等离激元的波矢相匹配，从而能够激发石墨烯传导型等离激元；从电学的角度看，导电光栅-介质层-石墨烯层形成了一个电容结构，通过在石墨烯和导电光栅之间加载电压，可以调节石墨烯的电子浓度，从而实现石墨烯表面等离激元的动态调控，即该导电光栅不仅作为石墨烯等离激元的激发结构，还同时作为石墨烯电子浓度调控的一个电极，从而可实现对石墨烯表面等离激元的动态调控。

附图说明

图1为本发明的一种石墨烯表面等离激元波导的一实施例的结构示意图；

图2为反映图1中二维导电光栅的周期单元的第一实施例的结构示意图；

图3为反映图1中二维导电光栅的周期单元的第二实施例的结构示意图；

图4a、图4b和图4c分别为反映图1中二维导电光栅的周期单元的第三、第四和第五实施例的结构示意图；

图5为本发明的一种石墨烯表面等离激元波导的第二实施例的结构示意图；

图6为本发明的一种石墨烯表面等离激元器件的一实施例的结构示意图；

图7为本发明的一种石墨烯表面等离激元器件的又一实施例的结构示意图；

图8为图7中石墨烯表面等离激元器件中每个波导单元的一实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

名称释义：

一维导电光栅层：本文中的一维导电光栅层实际上是指周期为10nm-1000nm的导电光栅，其材料为单质金属，或金属合金，或导电化合物，或二维导电材料。

二维导电光栅层：如图2所示，本文中的二维导电光栅层实际上是指由至少两个周期为10nm-1000nm的导电光栅沿栅线方向拼接而成，即由至少两个一维导电光栅沿栅线方向拼接而成；或者说，二维导电光栅层是指具有两个方向的周期的导电光栅，两个方向的周期分别为：垂直于栅线方向的第一周期，其大小为10nm-1000nm；沿栅线延伸的方向的第二周期，其可根据实际的器件尺寸大小而定。

本发明的核心思想：通过在导电周期性散射体，如导电光栅层，和石墨烯层之间设置介电层，以形成一个电容式的导电周期性散射体/导电光栅层-介质层-石墨烯层结构(Conductive Graing layer-Delectric layer-Graphene layer structure，简称CGDG结构)，使得可通过直接在石墨烯层和导电周期性散射体/导电光栅层之间加载电压来调节石墨烯的电子浓度，即导电周期性散射体/导电光栅不仅激发石墨烯的表面等离激元，还同时作为石墨烯电子浓度调控的一个电极以实现石墨烯等离激元的动态调控。其中，导电光栅层的结构为一维或二维的周期性结构，周期大小为10nm-1000nm，其材料为金、银、钛、铝、铜、镍、镉等单质金属，或金银、银铝、金铝、钛铝等金属的合金，或氧化锡、氧化铟锡等导电化合物，或二维导电材料；和/或，石墨烯层为1-15层连续的且未经纳米图形化的石墨烯；和/或，介电层的材质为绝缘材料或半导体材料，如硅、锗、二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钛、溴化钾、氟化钙、金刚石、类金刚石、氮化硼、氮化硅、氟化镁、氟化钡、硫化锌、硒化锌、聚乙烯、碘化铯、氯化钾、氯化钠、硫系玻璃、或者红外透过率高的高分子材料中的任意一种或两种，或者两种以上，而介电层的厚度为0.3nm-500nm。

实施例一

参见图1，为本发明的一种石墨烯表面等离激元波导的一实施例的结构示意图，具体地，本实施例的该石墨烯表面等离激元波导包括由从下至上依次层层叠设置的导电周期性散射体103、介电层102和石墨烯层101构成的类电容结构，其中，

石墨烯层101为单层或两层连续的未经纳米图形化的石墨烯，尺寸为100μm×100μm(当然，该石墨烯层的尺寸可根据该波导的实际尺寸进行调节)；

介电层102为采用三氧化二铝制成，其厚度为5nm；导电周期性散射体103采用二维导电光栅层，采用80nm厚的金制成；具体地，参见图2，该二维导电光栅103是由周期性的长方形孔组成，其周期为1000nm×150nm，其中，每个周期单元中长方形孔的尺寸为800nm×75nm。

进一步地，为了加强二维导电光栅与器件衬底之间的附着力，还可在该二维导电光栅的下方设置附着力层，具体地，该附着力层采用5nm厚的铬。

进一步地，为了减弱介电层的高低起伏，或介电材料的杂质和缺陷，或介电材料的声子，引起的石墨烯等离激元散射，或阻止外界环境的水汽、氧气和尘埃进入石墨烯内；本实施例中，还在石墨烯层的上方，或下方，或同时设置在石墨烯层的上方和下方的保护层。具体地，该保护层采用二维材料，如二维氮化硼或二维硫化钼。

当然，本实施例中，该周期单元也可为其他形状，如五角星形、三角形或圆形，参见图4a、图4b和图4c；在另一具体实施例中，也可采用周期为10nm/1000nm的一维导电光栅作为该导电周期性散射体。

实施例二

本发明还提供了另一种石墨烯表面等离激元波导，其结构与上述实施例一种的结构相同，均包括导导电周期性散射体103和石墨烯层101，以及位于导电周期性散射体103和石墨烯层101之间的介电层102，不同的是，本实施例中，

该石墨烯层101为三层/十五层石墨烯，且每层都是连续的未经纳米图形化的石墨烯；

介电层102采用多层二维氮化硼制成，厚度为15nm；

导电周期性散射体103采用二维导电光栅层，其由厚度为300nm的氧化铟锡制成，且第一周期为250nm，周期单元为方形孔，孔的边长为70nm，参见图3。

当然，本实施例中，该周期单元也可为其他形状孔，如五角星形孔、三角形孔或圆形孔，参见图4a、图4b和图4c。

实施例三

本发明还提供了一种石墨烯表面等离激元波导，其包括上述实施例一或者实施例二的结构，不同的是，参见图5，本实施例中的该石墨烯表面等离激元波导还包括位于该导电周期性散射体下方的反射增强层104，具体地，该反射增强层104自上而下依次包括：

由溴化钾制成的厚度为1.5μm的腔长控制层1041；以及由银制成的厚度为100nm的反射层1042。

本实施例中，通过该腔长控制层和反射层组成了一个谐振腔，也即反射增强层。

进一步地，为了增强该反射层1042与光电器件中衬底的附着力，还在该反射层1042的下方设置了厚度为5nm的钛，以形成附着力层。

实施例四

本发明还提供了一种石墨烯表面等离激元波导，其包括上述实施例三的结构，不同的是，本实施例中，该反射增强层104采用氟化钙制成厚度为1.5um的腔长控制层1041，以及由金制成的厚度为200mm的反射层1042。

进一步地，反射层1042下增设由铬制成的5nm厚的附着力层。

当然，本实施例中，该腔长控制层还可采用三氧化二铝、氮化硅、氧化硅等材料。

实施例五

参见图6，为本发明的一种石墨烯表面等离激元器件的一实施例的结构示意图，具体地，本发明的该石墨烯表面等离激元器件包括上述实施例三或实施例四中的石墨烯表面等离激元波导，以及位于该石墨烯表面等离激元波导上的电极结构100，位于该石墨烯表面等离激元波导中反射增强层104下的衬底(图6中未示出)。

在一具体实施例中，该石墨烯表明等离激元器件的尺寸为100μm×100μm，其中，石墨烯层101上的电极100的尺寸100μm×15μm，该电极100为采用金制成，其厚度为80nm。

进一步地，在电极100与石墨烯层101之间设置附着力增强层，如铬。

本实施例的该石墨烯表明等离激元器件，当在电极100与导电周期性散射体103之间加载电压时，可对石墨烯的电子浓度进行调制，从而实现石墨烯传导型等离激元的动态调控。

实施例六

参见图7，为本发明的一种石墨烯表面等离激元器件的又一实施例的结构示意图，具体地，本发明的该石墨烯表面等离激元器件包括由多个上述实施例三或四中石墨烯表面等离激元波导构成的石墨烯表面等离激元波导阵列，且每个阵列单元上设置有两个电极100，从而在该石墨烯表面等离激元的石墨烯层101上形成石墨烯沟道。

在一具体实施例中，该器件具有1024×768个阵列单元形成的波导阵列，其中每个阵列单元的尺寸为40μm×20μm，每个阵列单元中的石墨烯层101上两个电极100之间沟道的尺寸为20μm×10μm，且该沟道两端分别与两个电极100相连，电极100的尺寸为15μm×8μm。

在一具体实施例中，参见图8，每个阵列单元从上到下依次包括：

由钛制成的厚度为50nm的电极100(进一步地，在电极100与石墨烯层101之间设置附着力增强层，如铬)；由单层/两层/三层/十五层石墨烯形成的石墨烯层101；由多层二维氮化硼形成的厚度为15nm(或由三氧化二铝制成的厚度为5nm)的介电层102；由氧化铟锡制成的厚度为300nm的二维导电光栅层103；其中，二维导电光栅层的第一周期为250nm，周期单元为方形孔，孔的边长为70nm(为了加强二维导电光栅与器件衬底之间的附着力，还可在该二维导电光栅的下方设置附着力层)；由溴化钾制成的厚度为1.5um的腔长控制层1041；由银制成的厚度为100nm的反射层1042；由钛制成的厚度为5nm的附着力层。

本实施例中，腔长控制层1041、反射层1042形成了反射增强层104。

本实施例中，周期单元也可为其他形状，如图2和图4a、图4b、图4c所示。

本实施例中，该介电层的材料也可为硅、锗、二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钛、溴化钾、氟化钙、金刚石、类金刚石、氮化硼、氮化硅、氟化镁、氟化钡、硫化锌、硒化锌、聚乙烯、碘化铯、氯化钾、氯化钠、硫系玻璃、或者红外透过率高的高分子材料中的任意一种或两种，或者两种以上。

本实施例中，该导电周期性散射体也可采用一维导电光栅层，当然，其材料也可为其他单质金属，或金属合金，或导电化合物，或二维导电材料。

进一步地，进一步地，为了减弱介电层的高低起伏，或介电材料的杂质和缺陷，或介电材料的声子，引起的石墨烯等离激元散射，或阻止外界环境的水汽、氧气和尘埃进入石墨烯内；本实施例中，还在石墨烯层的上方，或下方，或同时设置在石墨烯层的上方和下方的保护层。具体地，该保护层采用二维材料，如二维氮化硼或二维硫化钼。

实施例六

基于上述实施例一或实施例二或实施例三所述的石墨烯表面等离激元波导，或者上述实施例四或实施例五中记载的石墨烯表面等离激元器件，本发明还提供了一种光电器件，其包括上述实施例一或实施例二或实施例三所述的石墨烯表面等离激元波导，或者上述实施例四或实施例五中记载的石墨烯表面等离激元器件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种石墨烯表面等离激元器件，包括衬底，其特征在于，还包括位于所述衬底上的类电容结构，以及位于所述类电容结构上的电极层，其中，所述类电容结构从下至上依次包括：导电周期性散射体、介电层、石墨烯层。

2.如权利要求1所述的石墨烯表面等离激元器件，其特征在于，还包括设置在所述衬底与所述导电周期性散射体之间的反射增强层；和/或，还包括设置在所述石墨烯层的上方，或下方，或同时设置在所述石墨烯层的上方和下方的保护层。

3.如权利要求1或2所述的石墨烯表面等离激元器件，其特征在于，所述导电周期性散射体为周期为10nm-1000nm的一维导电光栅层，或者由至少两个一维导电光栅层沿栅线方向拼接而成的二维导电光栅层；和/或，所述石墨烯层为1-15层连续的且未经纳米图形化的石墨烯；和/或，所述介电层的材质为绝缘材料或半导体材料，其厚度为0.3nm-500nm。

4.如权利要求书3所述的石墨烯表面等离激元器件，其特征在于，所述介电层的材料为硅、锗、二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钛、溴化钾、氟化钙、金刚石、类金刚石、氮化硼、氮化硅、氟化镁、氟化钡、硫化锌、硒化锌、聚乙烯、碘化铯、氯化钾、氯化钠、硫系玻璃、或者红外透过率高的高分子材料中的任意一种或两种，或者两种以上；和/或，

所述导电周期性散射体/所述一维导电光栅层的材料为单质金属，或金属合金，或导电化合物，或二维导电材料。

5.一种石墨烯表面等离激元波导，其特征在于，包括由从下至上依次层叠设置的导电周期性散射体、介电层和石墨烯层构成的类电容结构。

6.如权利要求5所述的石墨烯表面等离激元波导，其特征在于，还包括位于所述导电周期性散射体下方的反射增强层；和/或，还包括设置在所述石墨烯层的上方，或下方，或同时设置在石墨烯层的上方和下方的保护层。

7.如权利要求5或6所述的石墨烯表面等离激元波导，其特征在于，所述导电周期性散射体为周期为10nm-1000nm的一维导电光栅层，或者由至少两个一维导电光栅层沿栅线方向拼接而成的二维导电光栅层；和/或，所述石墨烯层为1-15层连续的且未经纳米图形化的石墨烯；和/或，所述介电层的材质为绝缘材料或半导体材料，其厚度为0.3nm-500nm。

8.如权利要求书7所述的石墨烯表面等离激元波导，其特征在于，所述介电层的材料为硅、锗、二氧化硅、氧化铝、氧化铪、氧化钛、溴化钾、氟化钙、金刚石、类金刚石、氮化硼、氮化硅、氟化镁、氟化钡、硫化锌、硒化锌、聚乙烯、碘化铯、氯化钾、氯化钠、硫系玻璃、或者红外透过率高的高分子材料中的任意一种或两种，或者两种以上；和/或，

所述导电周期性散射体/一维导电光栅层的材料为金、银、钛、铝、铜、镍、镉等单质金属，或金银、银铝、金铝、钛铝等金属的合金，或氧化锡、氧化铟锡等导电化合物，或二维导电材料。

9.一种石墨烯表面等离激元器件，包括衬底，其特征在于，还包括位于所述衬底上的石墨烯表面等离激元波导阵列，其中，所述石墨烯表面等离激元波导阵列中的每个阵列单元包括如权利要求5至8中任意一项所述的石墨烯表面等离激元波导。

10.一种光电器件，其特征在于，包括如权利要求1至4中任意一项所述的石墨烯表面等离激元器件，或者如权利要求5至8中任意一项所述的石墨烯表面等离激元波导，或者如权利要求9所述的石墨烯表面等离激元器件。