CN110927838A - 一种石墨烯增强吸收的金属微纳结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微纳光学领域，具体涉及一种石墨烯增强吸收的金属微纳结构及其制备方法，金属微纳结构以硅或二氧化硅为基底，从下到上依次蒸镀第一金属层、二氧化硅层、第二金属层和第一石墨烯薄膜层，基底层由硅或二氧化硅材料制成，第一金属层和第二金属层由金或银材料制成，通过加入石墨烯薄膜层和金属层之间的耦合作用增强对于入射光的吸收，解决了金属微纳结构吸收率小的问题，结构简单，制备方便。
Description
技术领域
本发明属于光学器件技术领域，具体涉及一种石墨烯增强吸收的金属微纳结构及其制备方法。
背景技术
具有吸收特性的光学吸收器是近十年发展起来的研究方向，它经过合理的结构设计，有效利用金属材料的强损耗特性，实现入射光在不同波段的吸收特性。其中金属微纳结构可以利用其表面等离激元特性来增强光吸收效率，但其对光吸收效率比较低，而且对实验精度高要求，制备过程复杂。
发明内容
为了解决现有技术中存在的金属微纳结构光吸收率小的问题，本发明提供了一种石墨烯增强吸收的金属微纳结构及其制备方法，该结构通过金属微纳结构和石墨烯的耦合作用，有效增强了金属微纳结构的吸收率，而且，制备过程简单方便，易于操作。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种石墨烯增强吸收的金属微纳结构，所述金属微纳结构是在基底层上从下到上依次设置有第一金属层、二氧化硅层、第二金属层和第一石墨烯薄膜层；
所述基底层由硅或二氧化硅材料制成；
所述第一金属层和第二金属层由金或银材料制成。
进一步地，所述第一石墨烯薄膜层为1～3层石墨烯薄膜。
进一步地，所述第一金属层和第二金属层的厚度均为10～50nm，二氧化硅层的厚度为20～50nm。
进一步地，一种石墨烯增强吸收的金属微纳结构的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，准备基底并清洗干净，烘干待用；
步骤2，将步骤1中得到的基底，用双面胶粘在样品台上，用电子束蒸发镀膜的方法垂直蒸镀第一金属层；
步骤3，步骤2中第一金属层蒸镀完成后，置换靶材，继续使用电子束蒸发镀膜的方法垂直蒸镀二氧化硅层；
步骤4，步骤3中二氧化硅层蒸镀完成后，置换靶材，再次使用电子束蒸发镀膜的方法垂直蒸镀第二金属层；
步骤5，将步骤4中蒸镀完成后，在制备好的样品上平铺石墨烯薄膜；
步骤6，将步骤5得到的样品烘干，即制得石墨烯增强吸收的金属微纳结构。
进一步地，步骤2中在进行电子束蒸发镀膜时，控制样品台倾斜86°，蒸镀速率为0.5A/s；
所述步骤3中在进行电子束蒸发镀膜时，控制样品台倾斜90°，蒸镀速率为0.5A/s；
所述步骤4中在进行电子束蒸发镀膜时，控制样品台倾斜86°，蒸镀速率为0.5A/s。
进一步地，所述第一石墨烯薄膜层上还设有二氧化钛薄膜层。
进一步地，所述基底层与第一金属层之间还设有一层第二石墨烯薄膜层。
进一步地，所述二氧化硅层上还设有一透明导电薄膜层，在透明导电薄膜层和第二金属层之间设有一介质层。
进一步地，所述第一金属层和第二金属层上分别设有触点，通过触点连接外电路；所述外电路电压可调。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
（1）本申请实施例金属微纳结构通过第一金属层和第二金属层的双层金属组合，当光照射到金属时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合形成沿着金属表面传播的近场电磁波，当电子的振荡频率与入射光波的频率一致时金属表面的自由电子产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，从而实现对入射光吸收增强的目的。
（2）本申请实施例金属微纳结构通过在第二金属层上设置了石墨烯薄膜层，石墨烯具有优越的光电特性，独特二维平面结构和狄拉克锥形电子能带结构、以及紫外到近红外的宽谱光吸收特性，使得本申请实施例金属微纳结构的吸收波谱范围更宽、响应速度更快。
本申请实施例通过利用石墨烯的激子和第二金属层的表面等离激元相互作用，从而增强表面等离激元共振效应，使得光吸收增强。本申请实施例还可以通过调控石墨烯的费米能级改变石墨烯薄膜层的介电常数，实现对光吸收位置和强度的动态调控。
（3）本申请实施例金属微纳结构在第二金属层上表面和第一金属层下表面分别设有石墨烯薄膜层，充分利用石墨烯的特性，在两层石墨烯薄膜之间形成谐振腔，使光在谐振腔内的传导时间更长，增强了光与金属的共振，从而增加光的吸收。
（4）本申请实施例在石墨烯薄膜层上设有二氧化钛层，二氧化钛可以有效防止石墨烯层在制备和应用过程中易于脱落的问题，而且二氧化钛在紫外光的照射下会产生空穴，具有强氧化性，能分解有机物并杀菌，可以有效保证样品的清洁度。
（5）本申请实施例设有透明导电薄膜层，通过在第一金属层和第二金属层上通过触点连接外电路，在接通电路后，第一金属层和第二金属层形成一个微型电容，通过外电路电压不断调节两电容极板之间的电场方向和强度，电容板之间的调控层内部载流子浓度不断发生变化，导致调控层的介电常数改变，即折射率的改变，本申请实施例金属微纳结构的透光率改变，引起吸收特性的改变，最终达到可控式调节金属微纳结构吸收特性的目的。
本申请实施例金属微纳结构外电路可以通过外电路可调电压实现第一金属层和第二金属层之间的电场连续的、有规律的变化，从而使得透明导电薄膜层的折射率连续且有规律的变化，使得本申请实施例纳米结构的吸收特性实现可控式调节。
（6）本申请实施例金属微纳结构结构简单，增强吸收明显，制备方法是采用电子束蒸发镀膜的方法，制备过程简单方便，易于操作。
附图说明
图1是本申请实施例1金属微纳结构的结构示意图；
图2是本申请实施例2金属微纳结构的结构示意图；
图3是本申请实施例3金属微纳结构的结构示意图；
图4是本申请实施例4金属微纳结构的结构示意图；
图5是本申请实施例5金属微纳结构的结构示意图；
图6是本申请实施例5中透明导电薄膜层调控吸收特性的原理示意图；
图7是本申请实施例金属微纳结构吸收光谱图。
其中，图1中：1、基底层；2、第一金属层；3、二氧化硅层；4、第二金属层；5、第一石墨烯薄膜层；6、二氧化钛薄膜层；7、第二石墨烯薄膜层；8、透明导电薄膜层；9、介质层；10、第一触点；11、第二触点。
具体实施方式
为解决现有技术中存在的金属微纳结构光吸收率小的问题，本发明提供了一种石墨烯增强吸收的金属微纳结构及其制备方法，该结构通过金属微纳结构和石墨烯的耦合作用，有效增强了金属微纳结构的吸收率，而且，制备过程简单方便，易于操作。
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1所示，为本实施例一种金属微纳结构，金属微纳结构是在基底层1上依次设置第一金属层2、二氧化硅层3、第二金属层4。
具体而言：基底层1由硅或二氧化硅材料制成，第一金属层2和第二金属层4由金或银材料制成，本申请实施例优选为银材料。第一金属层2和第二金属层4的厚度均为10～50nm，二氧化硅层3的厚度为20～50nm，本申请实施例优选为第一金属层2厚度和第二金属层4厚度为40nm，二氧化硅层3的厚度为50nm。
本申请实施例金属微纳结构通过第一金属层2和第二金属层4的双层金属组合，当光照射到金属时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合形成沿着金属表面传播的近场电磁波，当电子的振荡频率与入射光波的频率一致时产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，从而实现对入射光吸收增强的目的。
如图7所示灰色曲线为本申请实施例微纳结构的吸收谱线，对短波的吸收比较强，且出现两个峰值，分别位于310nm和460nm波段，在波长为310nm，吸收率为13%，在460nm波段的光吸收率可达到36%，相较于普通吸光材料，利用简单的结构可以产生很高的吸收率，对于光学吸收器件和光敏器件的设计有很大的应用价值。
实施例2：
基于实施例1公开的一种金属微纳结构，本申请实施例还公开了一种石墨烯增强吸收的金属微纳结构，相比于实施例1公开的微纳结构吸收率提高7%以上，而且结构简单，制备方便，更易操作。
如图2所示为本实施例一种石墨烯增强吸收的金属微纳结构，基于实施例1公开的金属微纳结构，所述第二金属层4上还设有第一石墨烯薄膜层5。
具体而言：所述第一石墨烯薄膜层5为1～3层石墨烯，所述第一金属层2的厚度为10～50nm，二氧化硅层3的厚度为20～50nm，第二金属层4的厚度为10～50nm。第一金属层2和第二金属层4有金或银材料制成，本实施例优选为银材料。
本申请实施例金属微纳结构通过在第二金属层4上设置第一石墨烯薄膜层5，石墨烯具有优越的电学特性，独特二维平面结构和狄拉克锥形电子能带结构、以及紫外到近红外的宽谱光吸收特性，使得本申请实施例金属微纳结构的吸收波谱范围更宽、响应速度更快。
本申请实施例通过利用石墨烯的激子和第二金属层4的表面等离激元相互作用，从而增强表面等离激元共振效应，使得光吸收增强。本申请实施例还可以通过调控石墨烯的费米能级改变石墨烯薄膜层的介电常数，实现对光吸收位置和强度的动态调控，可以将其特性应用于光吸收器件和光探测领域。
本实施例优选：第一金属层2的厚度为h1=40nm，二氧化硅层3的厚度为h2=50nm，第二金属层4的厚度为h3=40nm，第一石墨烯薄膜层5为一层石墨烯薄膜。
如图7吸收谱线图中黑色曲线为本实施例金属微纳结构增加第一石墨烯薄膜层5后的吸收谱线。由图中可以看出本实施例结构的吸收谱线，相比于实施例1金属微纳结构的吸收值均有所增大，尤其只在两个吸收峰值，一个在波长为310nm，吸收率为17%；在波长为460nm，吸收率为43%。在可见光和近红外波段的吸收率相比于实施例1的金属微纳结构，都有明显的增加，其中增加最大的波长是在460nm处，吸收率增大了7%。
其中，第一石墨烯薄膜层5还可以为1~3层石墨烯薄膜。
实施例3：
基于实施例2公开的金属微纳结构，本申请实施例还公开了一种微纳结构，相比于实施例2增加了二氧化钛薄膜层，金属微纳结构使用寿命更长。
如图3所示为本申请实施例金属微纳结构，在实施例2的基础上，本实施例在第一石墨烯薄膜层5上还设有二氧化钛薄膜层6。
具体而言：本实施例通过在第一石墨烯薄膜层5上设有二氧化钛层6，二氧化钛可以有效防止石墨烯层在制备和应用过程中易于脱落的问题，而且二氧化钛在紫外光的照射下会产生空穴，具有强氧化性，能分解有机物并杀菌，可以有效保证样品的清洁度和使用寿命。
实施例4：
基于实施例3公开的金属微纳结构，本实施例还公开了一种金属微纳结构，如图4所示，相比于实施例3在基底层1与第一金属层2之间还设有一层第二石墨烯薄膜层7。
具体而言：石墨烯具有优异的光电特性，本申请实施例在基底层1与第一金属层2之间还设有一层第二石墨烯薄膜层7来提高金属微纳结构的吸收特性，相较于一层石墨烯薄膜，充分利用了石墨烯的特性，在两层石墨烯薄膜之间形成谐振腔，使光在谐振腔内的传导时间更长，增强了光与金属的共振，从而增加光的吸收。
实施例5：
基于实施例4公开的金属微纳结构，本实施例还公开了一种金属微纳结构，如图5所示，相比于实施例4，本实施例在所述二氧化硅层3上还设有一层透明导电薄膜层8，在透明导电薄膜层8和第二金属层4之间还设有一层介质层9。在所述第一金属层2和第二金属层4上分别设有第一触点10和第二触点11连接外电路，所述外电路电压可调。
本申请实施例透明导电薄膜层优选为ITO或FTO。
具体而言：本申请实施例设有透明导电薄膜层8，如图6所示，为本实施例透明导电薄膜层8调节吸收特性原理图，如图5所示，通过在第一金属层2和第二金属层4上的第一触点10和第二触点11连接外电路，在接通电路后，第一金属层2和第二金属层4形成一个微型电容，通过外电路电压不断调节两电容极板之间的电场方向和强度，电容板之间的透明导电薄膜层8内部载流子浓度不断发生变化，导致透明导电薄膜层8的介电常数改变，即折射率的改变，本申请实施例金属微纳结构的透光率改变，引起吸收特性的改变，最终达到可控式调节金属微纳结构吸收特性的目的。
本申请实施例金属微纳结构外电路可以通过外电路可调电压实现第一金属层2和第二金属层4之间的电场连续的、有规律的变化，从而使得透明导电薄膜层8的折射率连续且有规律的变化，使得本申请实施例金属微纳结构的吸收特性实现可控式调节。
实施例6：
基于实施例2公开的石墨烯增强吸收的金属微纳结构，本申请实施例公开了一种石墨烯增强吸收的金属微纳结构的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，准备基底层1并清洗干净，烘干待用；
具体的，本实施例基底层1优选为玻璃基底，将准备的玻璃用洗涤液刷洗干净，用丙酮超声15分钟，用去离子水冲洗玻璃片上的丙酮3-5分钟，再用酒精超声15分钟，用去离子水冲洗玻璃片上的酒精3-5分钟，最后用氮气枪吹干后放入氮气柜中备用。
步骤2，将步骤1中得到的基底1，用双面胶粘在样品台上，用电子束蒸发镀膜的方法垂直蒸镀第一金属层2；
具体地，步骤2中蒸镀第一金属层2的厚度为40nm，在进行电子束蒸发镀膜时，控制样品台倾斜86°，镀膜速率为0.5A/s。本实施例制备方法采用将样品台倾斜86°，速率为0.5A/s的方法镀膜，实验蒸镀第一金属层2的结构为倾斜的金属短棒结构。
步骤3，步骤2中第一金属层2蒸镀完成后，置换靶材，继续使用电子束蒸发镀膜的方法垂直蒸镀二氧化硅层3；
具体地，步骤3中蒸镀二氧化硅层3的厚度为50nm，在进行电子束蒸发镀膜时，控制样品台倾斜90°，镀膜速率为0.5A/s。
步骤4，步骤3中二氧化硅层3蒸镀完成后，置换靶材，再次使用电子束蒸发镀膜的方法垂直蒸镀第二金属层4；
具体地，步骤4中蒸镀第二金属层4的厚度为40nm，在进行电子束蒸发镀膜时，控制样品台倾斜86°，镀膜速率为0.5A/s。本实施例制备方法采用将样品台倾斜86°，速率为0.5A/s的方法镀膜，实验蒸镀第二金属层的结构为倾斜的金属短棒结构。
步骤5，将步骤4中蒸镀完成后，在制备好的样品上平铺一层石墨烯薄膜，形成第一石墨烯层5；
具体地，步骤5中石墨烯薄膜层优选为1层。
步骤6，将步骤5得到的样品烘干，即制得石墨烯增强吸收的金属微纳结构。
本申请实施例提供的制备实施例2石墨烯增强吸收的金属微纳结构的制备过程，也可用于制备实施例1、实施例3、实施例4和实施例5中提出的金属微纳结构。
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 (9)
1.一种石墨烯增强吸收的金属微纳结构，其特征在于：所述金属微纳结构是在基底层上从下到上依次设置有第一金属层、二氧化硅层、第二金属层和第一石墨烯薄膜层；所述基底层由硅或二氧化硅材料制成；
所述第一金属层和第二金属层由金或银材料制成。
2.由权利要求1所述的金属微纳结构，其特征在于：所述第一石墨烯薄膜层为1～3层石墨烯薄膜。
3.由权利要求2所述的金属微纳结构，其特征在于：所述第一金属层和第二金属层的厚度均为10～50nm，二氧化硅层的厚度为20～50nm。
4.由权利要求2和3所述任一金属微纳结构的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，准备基底并清洗干净，烘干待用；
步骤2，将步骤1中得到的基底，用双面胶粘在样品台上，用电子束蒸发镀膜的方法垂直蒸镀第一金属层；
步骤3，步骤2中第一金属层蒸镀完成后，置换靶材，继续使用电子束蒸发镀膜的方法垂直蒸镀二氧化硅层；
步骤4，步骤3中二氧化硅层蒸镀完成后，置换靶材，再次使用电子束蒸发镀膜的方法垂直蒸镀第二金属层；
步骤5，将步骤4中蒸镀完成后，在制备好的样品上平铺石墨烯薄膜；
步骤6，将步骤5得到的样品烘干，即制得石墨烯增强吸收的金属微纳结构。
5.由权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤2中在进行电子束蒸发镀膜时，控制样品台倾斜86°，蒸镀速率为0.5A/s；
所述步骤3中在进行电子束蒸发镀膜时，控制样品台倾斜90°，蒸镀速率为0.5A/s；
所述步骤4中在进行电子束蒸发镀膜时，控制样品台倾斜86°，蒸镀速率为0.5A/s。
6.由权利要求2所述的金属微纳结构，其特征在于：所述第一石墨烯薄膜层上还设有二氧化钛薄膜层。
7.由权利要求1所述的金属微纳结构，其特征在于：所述基底层与第一金属层之间还设有一层第二石墨烯薄膜层。
8.由权利要求7所述的金属微纳结构，其特征在于：所述二氧化硅层上还设有一透明导电薄膜层，在透明导电薄膜层和第二金属层之间设有一介质层。
9.由权利要求8所述的金属微纳结构，其特征在于：所述第一金属层和第二金属层上分别设有触点，通过触点连接外电路；所述外电路电压可调。
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