CN111025690B - 一种用于全光调制的石墨烯等离激元器件及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于全光调制的石墨烯等离激元器件，激元器件由下至上依次包括TMD薄膜层和石墨烯薄膜层，石墨烯薄膜层覆盖于TMD薄膜层上形成石墨烯/TMD异质结；其中，石墨烯薄膜层内存在固定的费米能，具有费米能的石墨烯薄膜层与TMD薄膜层间形成具有石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构。本发明的有益效果是：可实现通过可见光进行对石墨烯等离激元红外信号的调制，是一种新颖的全光调制极化激元的器件，包括应用于光波导器件、光电探测器和光学记忆存储器件等。
Description
技术领域
本发明属于全光调控技术领域，特别涉及一种用于全光调制的石墨烯等离激元器件及制备方法。
背景技术
全光调制作为全光网络中重要的一个环节，受到广泛关注和研究。光调制技术相比于传统的调制技术，有很明显的优势：低功耗和超快调制。在小型化器件上，低功耗是其开展应用的核心因素，光调制过程降低器件的功耗，更有利于提高器件的集成度。其次，光学过程的时间响应依赖于材料的性能，但一般都是超快的过程，时间响应在飞秒到皮秒量级。
被调制的红外光信息在研究过程中也具有非常重要的应用，主要是红外辐射和红外光谱技术的应用。红外辐射包含丰富的客观信息，其探测倍受关注。红外探测器已覆盖短波、中波与长波范围，在军事和民用领域得到了广泛应用。其探测原理是利用材料的光电转换性能，将红外辐射的光子信号转换为电子信号，与外电路相结合达到检测红外光信号的目标。红外光谱技术是一种直接探测分子振动模式实现对物质进行特征识别及定量分析的技术及方法。该技术具有高度的“指纹”特征性，无需样品标记，响应速度快，仪器普及率高，光谱图库齐全等优点，是确定分子组成、构象和结构变化信息的强力工具和不可或缺的手段，已广泛应用于环境监测、食品安全检测、化学组成分析、爆炸物检测和生物医疗等关系国计民生及国民经济命脉的重要领域。
石墨烯是单层碳原子构成的二维晶体，单层石墨的厚度约0.34nm。当前，十层以下的石墨均被看作为石墨烯。具有优异的力学、热学、电学和光学特性，在电子器件和光电器件领域具有巨大应用潜力。现有石墨烯基光电传感器不但具有探测光谱范围宽、响应度高、速度快和噪声低的优点，且易与现有硅基CMOS集成电路工艺相兼容，实现大规模、低成本传感器阵列的生产。到目前为止，石墨烯基光电探测器的研究主要集中在如何提高石墨烯的光吸收率。例如，利用热电效应、金属激子结构、石墨烯激子或者为微腔结构等。
TMD材料(过渡金属二硫属化物薄膜Transition-metal Dichalcogenide，简称TMD)一种新型的半导体性能的二维材料。TMD材料的不同厚度决定了材料不同的能带结构，近年来针对于单层TMD材料研究被广泛关注，比如典型的MoS2材料。单层MoS2是直接带隙半导体性能的光灵敏材料，其带隙大概在1.8eV(680nm)。因此对可见光的响应非常好，可用于光波导器件、光电探测器和光学记忆存储器件等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于全光调制的石墨烯等离激元器件及制备方法，可实现通过可见光进行对石墨烯等离激元红外信号的调制，是一种新颖的全光调制极化激元的器件,包括应用于光波导器件、光电探测器和光学记忆存储器件等，增加装置的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于全光调制的石墨烯等离激元器件及制备方法，所述激元器件由下至上依次包括TMD薄膜层和石墨烯薄膜层，所述石墨烯薄膜层覆盖于所述TMD薄膜层上形成石墨烯/TMD异质结；其中，所述石墨烯薄膜层内存在固定的费米能，具有所述费米能的所述石墨烯薄膜层与所述TMD薄膜层间形成具有石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构。
优选的，所述TMD薄膜层下表面设置有基底，所述基底上表面开设有凹槽，一部分所述TMD薄膜层悬空设置在所述凹槽上，所述基底下表面设置有衬底。
优选的，所述石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构边缘在红外光激发下可产生石墨烯局域等离激元，实现入射红外光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配。
优选的，所述石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构可为由所述石墨烯/TMD异质结刻蚀成的相互平行且互不接触的石墨烯/TMD条带纳米结构，所述石墨烯/TMD条带纳米结构的横切面为长方形。
优选地，所述石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构可由所述石墨烯/TMD条带纳米结构和石墨烯/TMD圆盘纳米结构平行交错构成，所述石墨烯/TMD圆盘纳米结构横切面为圆形。
优选的，所述石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构可由所述石墨烯/TMD条带纳米结构和石墨烯/TMD三角形纳米结构平行交错构成，所述石墨烯/TMD三角形纳米结构横切面为三角形。
优选的，所述石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构可由所述石墨烯/TMD条带纳米结构和石墨烯/TMD正方形纳米结构平行交错构成，所述石墨烯/TMD正方形纳米结构横切面为正方形。
优选的，所述衬底为硅片；所述基底为电介质层或多层结构；所述TMD薄膜层为带隙在可见光波段的TMD材料；所述电介质层材料为MgF2，CaF2，BaF2或无红外声子干扰的材料，所述电介质层厚度为10nm～3000nm。
优选的，所述石墨烯薄膜层内存在的所述费米能可通过对所述石墨烯/TMD异质结进行电学掺杂或化学掺杂形成。
本发明还提供一种用于全光调制的石墨烯等离激元器件制备方法，所述方法包括以下步骤：步骤a、选择合适尺寸的硅作为衬底，通过电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射、原子层沉积或分子束外延生长等方法在所述衬底上制备电介质层；步骤b、通过标准机械剥离工艺或者化学气相沉积法得到TMD薄膜层和石墨烯薄膜层；将剥离的所述TMD薄膜层转移到所述电介质层上，将剥离的所述石墨烯薄膜层转移到所述TMD薄膜层上；步骤c、所述TMD薄膜层和所述石墨烯薄膜层间形成石墨烯/TMD异质结，通过对所述石墨烯/TMD异质结进行紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀制备形成石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
利用红外光照射石墨烯/TMD异质结的纳米结构去激发石墨烯红外等离激元信号，其周期性纳米结构只是为了满足激发过程中波矢匹配，对石墨烯/TMD异质结施加固定的栅压，只是让石墨烯存在固定的费米能，有利于测量石墨烯红外等离激元信号，不涉及调制作用。此时，对整个器件照射单色可见光或者LED光，会对石墨烯红外等离激元信号进行调制，包括红外等离激元频率和强度的调制。这主要是由于可见光可以激发TMD(如MoS2)材料的电子发生带间跃迁，产生光生电子，随后光生电子会转移到石墨烯材料中，由于实验中石墨烯是P型掺杂(空穴为主)，会让石墨烯中空穴和光生电子发生复合，造成了石墨烯的费米能发生改变，因此石墨烯产生的红外等离激元信号会发生调制。因此，本发明可实现通过可见光进行对石墨烯等离激元红外信号的调制，是一种新颖的全光调制极化激元的器件。
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示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结的器件纵向剖面主视图；
图2示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结放置在基底上的器件纵向剖面主视图；
图3a示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结纳米条带结构的本发明器件的俯视图；图3b为具有石墨烯/TMD异质结纳米条带结构的本发明器件的纵向剖面主视图；
图4示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结纳米条带结构和石墨烯/TMD圆盘纳米结构的本发明器件的俯视图；
图5示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结纳米条带结构和石墨烯/TMD三角形纳米结构的本发明器件的俯视图；
图6示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结纳米条带结构和石墨烯/TMD正方形纳米结构的本发明器件的俯视图；
图7示意性示出了本发明通过石墨烯/TMD异质结施加固定的栅压方式制备用于全光调制的石墨烯等离激元器件的方法流程图；
图8示意性示出了本发明用于全光调制的石墨烯等离激元器件的工作原理示意图。图8a为可见光开着状态时，石墨烯中电荷的状态；
图8b为可见光关着状态时，石墨烯中电荷的状态；
图9示意性示出了本发明用于全光调制的石墨烯等离激元器件在单色可见激光照射下的调制性能展示。图9a为在不同波长的可见光下，固定激光功率80mW/cm2，对等离激元的调制性能；图9b为在不同功率的可见光下，固定激光波长440nm，对等离激元的调制性能示意图；
图10示意性示出了本发明用于全光调制的石墨烯等离激元器件在LED光照射下的调制性能示意图；
图11示意出了本发明通过对石墨烯/TMD异质结施加固定的栅压方式形成具有石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构示意图。
图中：
1、衬底 2、电介质层
3、TMD薄膜层 4、石墨烯薄膜层
5、漏极电压层 6、源极电压层
7、石墨烯/TMD条带纳米结构 8、TMD条带纳米结构
9、石墨烯条带纳米结构 10、石墨烯/TMD圆盘纳米结构 11、石墨烯/TMD三角形纳米结构 12、石墨烯/TMD正方形纳米结构
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。
图1示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结的器件纵向剖面主视图；激元器件由下至上依次包括TMD薄膜层3和石墨烯薄膜层4，石墨烯薄膜层4覆盖于TMD薄膜层3上形成石墨烯/TMD异质结；其中，石墨烯薄膜层4内存在固定的费米能，具有费米能的石墨烯薄膜层4与TMD薄膜层3间形成具有石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构。
实施例一：图2示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结放置在基底上的器件纵向剖面主视图；本实施例中，基底为电介质层2，激元器件由下至上依次包括衬底1、电介质层2、TMD薄膜层3和石墨烯薄膜层4，石墨烯薄膜层4覆盖于TMD薄膜层3上形成石墨烯/TMD异质结；其中，石墨烯薄膜层4内存在固定的费米能，具有费米能的石墨烯薄膜层4与TMD薄膜层3间形成具有石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构；基底上表面开设有凹槽，一部分TMD薄膜层3悬空设置在所述凹槽上。
石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构边缘在红外光激发下可产生石墨烯局域等离激元，实现入射红外光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配。
TMD薄膜层3材料包含很广，这里是利用带隙在可见光波段的TMD材料，比如不局限于MoS2、WS2和MoSe2等TMD材料。
TMD薄膜层3和石墨烯薄膜层4堆叠方式，两者不限于某种上下顺序堆叠，也不限于任意角度的堆叠方式。
衬底1的材料为Si，用于作为导电栅极层；电介质层2的材料为MgF2，CaF2，BaF2或无红外声子干扰的材料，厚度范围为10nm～3000nm。
图7示意性示出了本发明通过石墨烯/TMD异质结施加固定的栅压方式制备用于全光调制的石墨烯等离激元器件的方法流程图，所述方法包括以下步骤：步骤a、选择合适尺寸的硅作为衬底1，通过电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射、原子层沉积或分子束外延生长等方法在衬底1上制备电介质层2；步骤b、通过标准机械剥离工艺或者化学气相沉积法得到TMD薄膜层3和石墨烯薄膜层4；将剥离的TMD薄膜层3转移到电介质层2上，将剥离的石墨烯薄膜层4转移到TMD薄膜层3上；步骤c、TMD薄膜层3和石墨烯薄膜层4间形成石墨烯/TMD异质结，通过对石墨烯/TMD异质结进行紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀制备形成石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构；步骤d、通过紫外光刻、电子束曝光、电子束蒸镀或分子束外延生长等方法制备漏极电压层5和源极电压层6，并将制备好的漏极电压层5和源极电压层6转移到石墨烯薄膜层4上表面两侧。
实施例二：TMD薄膜层3和石墨烯薄膜层4间形成石墨烯/TMD异质结，通过对石墨烯/TMD异质结进行紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀制备形成石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构。如图3a示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结纳米条带结构的本发明器件的俯视图；图3b为具有石墨烯/TMD异质结纳米条带结构的本发明器件的纵向剖面主视图。图3中石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构为相互平行且互不接触的石墨烯/TMD条带纳米结构7。
实施例三：TMD薄膜层3和石墨烯薄膜层4间形成石墨烯/TMD异质结，通过对石墨烯/TMD异质结进行紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀制备形成石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构。图4示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结纳米条带结构和石墨烯/TMD圆盘纳米结构的本发明器件的俯视图。图4中的石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构由石墨烯/TMD条带纳米结构7和石墨烯/TMD圆盘纳米结构10平行交错构成，石墨烯/TMD圆盘纳米结构10横切面为圆形。
实施例四：TMD薄膜层3和石墨烯薄膜层4间形成石墨烯/TMD异质结，通过对石墨烯/TMD异质结进行紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀制备形成石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构。图5示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结纳米条带结构和石墨烯/TMD三角形纳米结构的本发明器件的俯视图。图5中的石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构由石墨烯/TMD条带纳米结构7和石墨烯/TMD三角形纳米结构11平行交错构成，石墨烯/TMD三角形纳米结构11横切面为三角形。
实施例五：TMD薄膜层3和石墨烯薄膜层4间形成石墨烯/TMD异质结，通过对石墨烯/TMD异质结进行紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀制备形成石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构。图6示意性示出了本发明具有石墨烯/TMD异质结纳米条带结构和石墨烯/TMD正方形纳米结构的本发明器件的俯视图。图6中的石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构由石墨烯/TMD条带纳米结构7和石墨烯/TMD正方形纳米结构12平行交错构成，石墨烯/TMD正方形纳米结构12横切面为正方形。
实施例六：本发明中器件中对石墨烯/TMD异质结施加固定的栅压，让石墨烯存在固定的费米能，不局限于这一种对石墨烯掺杂方式，还可以用化学掺杂等方式，主要是有利于测量石墨烯红外等离激元信号，不涉及调制作用。
图11示意出了本发明通过对石墨烯/TMD异质结施加固定的栅压方式形成具有石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构示意图。本实施例中，激元器件由下至上依次包括衬底1、电介质层2、TMD薄膜层3、石墨烯薄膜层4、漏极电压层5和源极电压层6，石墨烯薄膜层4覆盖于TMD薄膜层3上形成石墨烯/TMD异质结；其中，漏极电压层5和源极电压层6并列叠放在石墨烯薄膜层4上表面两侧，在漏极电压层5和源极电压层6之间的局部区域具有石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构，漏极电压层5和源极电压层6通过石墨烯薄膜层导通。
源极电压层6与漏极电压层5的材料包括但不限于金、银、铜、铝、铂等单一金属层、合金层或多种单一金属层或合金层的叠加结构，宽度和长度范围为10nm～2×107nm，厚度范围为5nm～3×106nm。
图8为本发明的用于全光调制的石墨烯等离激元器件的工作原理示意图。图8a为可见光开着状态时，石墨烯中电荷的状态；图8b为可见光关着状态时，石墨烯中电荷的状态。在可见光关着状态下，石墨烯中是P型的，也就是空穴为主(正电荷)的情况，当可见光打开之后，MoS2中会被激发产生光生电子，快速转移到石墨烯中，会将石墨烯中的空穴进行复合，进而降低石墨烯的费米能，从而改变由电荷密度引起的等离激元信号。
图9为本发明的用于全光调制的石墨烯等离激元器件在单色可见激光照射下的调制性能展示。图9a为在不同波长的可见光下，固定激光功率80mW/cm2，对等离激元的调制性能，会发现激光波长越短，会产生更多光生电子，从而在石墨烯中改变的费米能越明显，等离激元频率和强度调制越明显；图9b为在不同功率的可见光下，固定激光波长440nm，对等离激元的调制性能，会发现激光功率越强，会产生更多光生电子，从而在石墨烯中改变的费米能越明显，等离激元频率和强度调制越明显。
图10为本发明的用于全光调制的石墨烯等离激元器件在LED光照射下的调制性能展示，会发现用激光功率较低(0.15mW/cm2)的LED光，也会对等离激元频率和强度调制比较明显。同时，当LED再次关闭后，红外等离激元信号会完全恢复，调制性能非常好。
本发明的有益效果：利用红外光照射石墨烯/TMD异质结的纳米结构去激发石墨烯红外等离激元信号，其周期性纳米结构只是为了满足激发过程中波矢匹配，对石墨烯/TMD异质结施加固定的栅压，只是让石墨烯存在固定的费米能，有利于测量石墨烯红外等离激元信号，不涉及调制作用。此时，对整个器件照射单色可见光或者LED光，会对石墨烯红外等离激元信号进行调制，包括红外等离激元频率和强度的调制。这主要是由于可见光可以激发TMD(如MoS2)材料的电子发生带间跃迁，产生光生电子，随后光生电子会转移到石墨烯材料中，由于实验中石墨烯是P型掺杂(空穴为主)，会让石墨烯中空穴和光生电子发生复合，造成了石墨烯的费米能发生改变，因此石墨烯产生的红外等离激元信号会发生调制。因此，本发明可实现通过可见光进行对石墨烯等离激元红外信号的调制，是一种新颖的全光调制极化激元的器件。
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 (10)
1.一种用于全光调制的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述激元器件由下至上依次包括TMD薄膜层和石墨烯薄膜层，所述石墨烯薄膜层覆盖于所述TMD薄膜层上形成石墨烯/TMD异质结；
其中，所述石墨烯薄膜层内存在固定的费米能，具有所述费米能的所述石墨烯薄膜层与所述TMD薄膜层间形成具有石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构。
2.根据权利要求1所述的用于全光调制的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述TMD薄膜层下表面设置有基底，所述基底上表面开设有凹槽，一部分所述TMD薄膜层悬空设置在所述凹槽上，在所述基底下表面设置有衬底。
3.根据权利要求1所述的用于全光调制的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构边缘在红外光激发下产生石墨烯局域等离激元，实现入射红外光与石墨烯表面等离激元的波矢匹配。
4.根据权利要求1所述的用于全光调制的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构为由所述石墨烯/TMD异质结刻蚀成的相互平行且互不接触的石墨烯/TMD条带纳米结构，所述石墨烯/TMD条带纳米结构的横切面为长方形。
5.根据权利要求4所述的用于全光调制的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构由所述石墨烯/TMD条带纳米结构和石墨烯/TMD圆盘纳米结构平行交错构成，所述石墨烯/TMD圆盘纳米结构横切面为圆形。
6.根据权利要求4所述的用于全光调制的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构由所述石墨烯/TMD条带纳米结构和石墨烯/TMD三角形纳米结构平行交错构成，所述石墨烯/TMD三角形纳米结构横切面为三角形。
7.根据权利要求4所述的用于全光调制的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构由所述石墨烯/TMD条带纳米结构和石墨烯/TMD正方形纳米结构平行交错构成，所述石墨烯/TMD正方形纳米结构横切面为正方形。
8.根据权利要求2所述的用于全光调制的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述衬底为硅片；所述基底为电介质层或多层结构；所述TMD薄膜层为带隙在可见光波段的TMD材料；所述电介质层材料为MgF2，CaF2，BaF2或无红外声子干扰的材料，所述电介质层厚度为10nm～3000nm。
9.根据权利要求1所述的用于全光调制的石墨烯等离激元器件，其特征在于，所述石墨烯薄膜层内存在的所述费米能通过对所述石墨烯/TMD异质结进行电学掺杂或化学掺杂形成。
10.一种用于全光调制的石墨烯等离激元器件制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a、选择合适尺寸的硅作为衬底，通过电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射、原子层沉积或分子束外延生长方法在所述衬底上制备电介质层；
步骤b、通过标准机械剥离工艺或者化学气相沉积法得到TMD薄膜层和石墨烯薄膜层；将剥离的所述TMD薄膜层转移到所述电介质层上，将剥离的所述石墨烯薄膜层转移到所述TMD薄膜层上；
步骤c、所述TMD薄膜层和所述石墨烯薄膜层间形成石墨烯/TMD异质结，通过对所述石墨烯/TMD异质结进行紫外光刻、电子束曝光、纳米压印结合等离子刻蚀制备形成石墨烯/TMD异质结的周期性纳米结构。
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