CN109901254B - 一种提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，包括第一金属膜、第一发光层、石墨烯层、第二发光层、第二金属膜构成的多层结构；所述第一金属膜的上方设置有第一发光层，所述第一发光层的上方设置有石墨烯层，所述石墨烯层的上方设置有第二发光层，所述第二发光层的上方设置有第二金属膜；该提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，不仅结构简单，能够充分发挥石墨烯的光学特性，提高表面等离激元耦合强度的光学结构，而且在所述的光学结构上设置条形的石墨烯，能够使得表面等离激元定向的传输，另外，所设置的非平面石墨烯层能够耦合更多的表面等离激元，大大提高了表面等离激元的耦合度。
Description
技术领域
本发明属于光源技术领域，具体涉及一种提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构。
背景技术
表面等离激元(SurfacePlasmons,SPs)是金属介质界面自由电子相干振荡形成的一种电磁表面波。由于SPs能够在亚波长范围内实现光的传输与操控，且能够在一些特殊的金属微纳结构中产生显著增强的局域光电场，因而它在生物传感器、表面拉曼散射增强及光子回路等众多领域都有着重要的应用。近年来，将贵金属纳米颗粒与半导体纳米结构复合得到光学上共振体系由于其具有不同于复合单体的独特优异性能引起了研究的热潮。金属纳米颗粒的局域表面等离激元引起的局域增强电磁场可以产生一系列的非线性效应，其与半导体量子点中激子耦合可对光吸收、光发射、纳米结构间的能量转移、新极化激元的产生进行调控，其中新极化激元的产生表明表面等离激元与激子进行强相互作用，也即进入了强耦合区。强耦合的表面等离激元与激子可以可逆地交流能量，其周期在飞秒量级，这在量子操控光子、单光子光源和晶体管、无阈值激射、超快全光开光和量子信息处理等领域有重要应用。
表面等离激元将电磁场限制于亚波长范围和局域电磁场强度极大增强的特性，使在室温和不需要闭合谐振腔的情况下就可得到强耦合。强耦合时表面等离激元和激子形成新的极化激元，在共振频率可观察到能级分裂，也即Rabi劈裂。现在大部分的研究集中于表面等离激元与染料或小分子中激子的强耦合，而与半导体量子点中激子强耦合研究地很少。半导体量子点相对于染料或小分子具有光电性质高度可调、吸收和荧光截面高、不易发生荧光漂白等一系列优点，必将成为新一代光电器件的核心材料。
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二维碳纳米材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3％，看上去几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3％。大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。
利用石墨烯来研究表面等离激元效应，是现有的光学领域中比较热门的一个研究方向，表面等离激元在石墨烯上的耦合的强度，影响着表面等离激元更多的应用，提高表面等离激元在石墨烯上的耦合的强度，有着重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构。
该提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，包括第一金属膜、第一发光层、石墨烯层、第二发光层、第二金属膜构成的多层结构；所述第一金属膜的上方设置有第一发光层，所述第一发光层的上方设置有石墨烯层，所述石墨烯层的上方设置有第二发光层，所述第二发光层的上方设置有第二金属膜。
所述石墨烯层为多个同向排列的石墨烯条组成。
所述石墨烯层为多个周期性排列的石墨烯条组成。
所述石墨烯条的排列周期为100nm～300nm。
所述石墨烯条之间填充有二氧化硅。
所述石墨烯层为V形波浪平面。
所述发光层为量子阱层。
所述量子阱层为GaAs或InGaAs制成。
所述量发光层的厚度为50nm～80nm。
所述第一金属膜、第二金属膜均是由金或银或铜制成。
本发明的有益效果：本发明提供的这种提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，不仅结构简单，能够充分发挥石墨烯的光学特性，提高表面等离激元耦合强度的光学结构，而且在所述的光学结构上设置条形的石墨烯，能够使得表面等离激元定向的传输，另外，所设置的非平面石墨烯层能够耦合更多的表面等离激元，大大提高了表面等离激元的耦合度。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构示意图一。
图2是提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构示意图二。
图3是提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构示意图三。
图中：1、第一金属膜；2、第一发光层；3、石墨烯层；4、第二发光层；5、第二金属膜；6、二氧化硅。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本实施例提供了一种如图1所示的提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，包括第一金属膜1、第一发光层2、石墨烯层3、第二发光层4、第二金属膜5构成的多层结构；所述第一金属膜1的上方设置有第一发光层2，所述第一发光层2的上方设置有石墨烯层3，所述石墨烯层3的上方设置有第二发光层4，所述第二发光层4的上方设置有第二金属膜5；第一金属膜1、第二金属膜5均作为电源正极，石墨烯层3作为电源负极，这样，在石墨烯层3的下侧形成了第一金属膜1、第一发光层2、石墨烯层3的电源回路；在石墨烯层3的上侧形成了第二金属膜5、第二发光层4、石墨烯层3的电源回路；石墨烯层3的上下两侧均有发出的光，能够传播到石墨烯层3上，并且在石墨烯层3上进行耦合，从而使得石墨烯层3上能够耦合更多的表面等离激元，成倍的提高了表面等离激元耦合效率。
所述第一发光层2、第二发光层4为量子阱层；所述量子阱层由可发光的氧化物制成，例如GaAs或InGaAs制成；所述量发光层5的厚度为50nm～80nm，优先可以选择50nm、55nm、60nm、70nm等。
进一步的，所述第一金属膜1、第二金属膜5均是由导电性良好的金属制成，比较常用的是金、银、铜，可以在节省成本的前提下，选择适合的厚度。
实施例2
本实施例提供了一种如图2所示的提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，包括第一金属膜1、第一发光层2、石墨烯层3、第二发光层4、第二金属膜5构成的多层结构；所述第一金属膜1的上方设置有第一发光层2，所述第一发光层2的上方设置有石墨烯层3，所述石墨烯层3的上方设置有第二发光层4，所述第二发光层4的上方设置有第二金属膜5，并且石墨烯层3为多个同向排列的石墨烯条组成；第一金属膜1、第二金属膜5均作为电源正极，石墨烯层3作为电源负极，这样，在石墨烯层3的下侧形成了第一金属膜1、第一发光层2、石墨烯层3的电源回路；在石墨烯层3的上侧形成了第二金属膜5、第二发光层4、石墨烯层3的电源回路；石墨烯层3的上下两侧均有发出的光，能够传播到石墨烯层3上，并且在石墨烯层3上进行耦合，不仅使得石墨烯层3上能够耦合更多的表面等离激元，成倍的提高了表面等离激元耦合效率，而且能够实现定向的传输表面等离激元，具体是表面等离激元沿着石墨烯条的长度方向进行传输。
进一步的，所述石墨烯层3为多个周期性排列的石墨烯条组成；所述石墨烯条的排列周期为100nm～300nm；优先的所述石墨烯条的排列周期为100nm、150nm、200nm、250nm、300nm等，具体可以根据光源发出的光的保波长进行选择。
进一步的，所述石墨烯条之间填充有二氧化硅6，二氧化硅6可以避免第一发光层2、第二发光层4出现接触，影响电路的导通，另一方面，所填充的二氧化硅6可以减小第一发光层2、第二发光层4发出的光的损耗，从而提供更多的的光耦合表面等离激元的强度。
所述第一发光层2、第二发光层4为量子阱层；所述量子阱层由可发光的氧化物制成，例如GaAs或InGaAs制成；所述量发光层5的厚度为50nm～80nm，优先可以选择50nm、55nm、60nm、70nm等。
进一步的，所述第一金属膜1、第二金属膜5均是由导电性良好的金属制成，比较常用的是金、银、铜，可以在节省成本的前提下，选择适合的厚度。
实施例3
本实施例提供了一种如图3所示的提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，包括第一金属膜1、第一发光层2、石墨烯层3、第二发光层4、第二金属膜5构成的多层结构；所述第一金属膜1的上方设置有第一发光层2，所述第一发光层2的上方设置有石墨烯层3，所述石墨烯层3的上方设置有第二发光层4，所述第二发光层4的上方设置有第二金属膜5，并且所述石墨烯层3为V形波浪平面；第一金属膜1、第二金属膜5均作为电源正极，石墨烯层3作为电源负极，这样，在石墨烯层3的下侧形成了第一金属膜1、第一发光层2、石墨烯层3的电源回路；在石墨烯层3的上侧形成了第二金属膜5、第二发光层4、石墨烯层3的电源回路；石墨烯层3的上下两侧均有发出的光，能够传播到石墨烯层3上，并且在石墨烯层3上进行耦合，不仅使得石墨烯层3上能够耦合更多的表面等离激元，在实施例的基础上，进一步的提高了表面等离激元耦合效率，而且能够实现定向的传输表面等离激元，具体是表面等离激元沿着V形波浪平面的V形重复延伸方向进行传输。
所述第一发光层2、第二发光层4为量子阱层；所述量子阱层由可发光的氧化物制成，例如GaAs或InGaAs制成；所述量发光层5的厚度为50nm～80nm，优先可以选择50nm、55nm、60nm、70nm等。
进一步的，所述第一金属膜1、第二金属膜5均是由导电性良好的金属制成，比较常用的是金、银、铜，可以在节省成本的前提下，选择适合的厚度。
综上所述，该提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，不仅结构简单，能够充分发挥石墨烯的光学特性，提高表面等离激元耦合强度的光学结构，而且在所述的光学结构上设置条形的石墨烯，能够使得表面等离激元定向的传输，另外，所设置的非平面石墨烯层能够耦合更多的表面等离激元，大大提高了表面等离激元的耦合度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，其特征在于：包括第一金属膜（1）、第一发光层（2）、石墨烯层（3）、第二发光层（4）、第二金属膜（5）构成的多层结构；所述第一金属膜（1）的上方设置有第一发光层（2），所述第一发光层（2）的上方设置有石墨烯层（3），所述石墨烯层（3）为 V 形波浪平面，所述石墨烯层（3）的上方设置有第二发光层（4），所述第二发光层（4）的上方设置有第二金属膜（5）；其中，所述第一金属膜（1）、所述第二金属膜（5）均作为电源正极，所述石墨烯层（3）作为电源负极。
2. 如权利要求 1 所述的一种提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，其特征在于：所述第一发光层（2）、第二发光层（4）为量子阱层。
3. 如权利要求 2 所述的一种提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，其特征在于：所述量子阱层为 GaAs 或 InGaAs 制成。
4.如权利要求 3 所述的一种提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，其特征在于：所述量子阱层的厚度为 50nm～80nm。
5. 如权利要求 1 所述的一种提高石墨烯上表面等离激元耦合强度的结构，其特征在于：所述第一金属膜（1）、第二金属膜（5）均是由金或银或铜制成。
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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