CN111090136A - 基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构 - Google Patents

基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构 Download PDF

Info

Publication number
CN111090136A
CN111090136A CN201911198772.XA CN201911198772A CN111090136A CN 111090136 A CN111090136 A CN 111090136A CN 201911198772 A CN201911198772 A CN 201911198772A CN 111090136 A CN111090136 A CN 111090136A
Authority
CN
China
Prior art keywords
black phosphorus
metal grating
metal
grating slit
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201911198772.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN111090136B (zh
Inventor
刘艳
黄炎
韩根全
郝跃
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN201911198772.XA priority Critical patent/CN111090136B/zh
Publication of CN111090136A publication Critical patent/CN111090136A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111090136B publication Critical patent/CN111090136B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/003—Light absorbing elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/04—Networks or arrays of similar microstructural devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00031—Regular or irregular arrays of nanoscale structures, e.g. etch mask layer
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/008—Surface plasmon devices

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构，包括金属反射层、介质层、黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝结构。金属反射层采用Al材料；介质层采用SiO2材料；黑磷纳米条阵列在介质层上间隔分布，黑磷的层数为单层；由左右两个金属光栅间距组成形成金属光栅狭缝结构，金属光栅材料采用Au材料。本发明可以通过结构参数调制吸收曲线从而约束表面等离子体激元波，通过金属光栅狭缝结构产生的光透射增强效果与黑磷纳米条阵列产生的局部表面等离子体共振(LSPR)效应来增强中红外波段下黑磷的光吸收。这为基于BP的等离子体激元在中红外区域光电检测和传感的应用铺平了道路。

Description

基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构
技术领域
本发明属于等离子体技术领域，实现在中红外频率下紧凑的等离子体激元高吸收结构。
背景技术
近年来，等离子体激元已经吸引了大量的兴趣，由于其潜力克服衍射极限和操纵亚波长尺度的光。在光频率处出现的局部表面等离子体共振(LSPR)是高度受限于电介质-介质界面，并且广泛用于片上光学集成电路，数据存储和生物传感的应用。近年来，在二维层状材料中发现了强的光物质相互作用，其中就包括等离子体激元方面的研究。然而，很多二维材料由于各种特性的限制，并不能很好的作为研究等离子体器件的材料。例如，石墨烯由于其固有的原子厚度，可以为表面等离子体极化激元(SPPs)研究提供前所未有的灵活性。但是，石墨烯存在许多不可忽视的缺陷和限制，如严重的散射损耗、零禁带等，这些不足实际上限制了等离子体的传播和光谱应用。还有MoS2由于其较低的载流子迁移率，用于红外或远红外光电子器件的场效应晶体管的未来前景令人担忧。因此，寻找性能更好的替代等离子体材料成为当务之急。而黑磷(BP)具有层间相互作用强、载流子迁移率高、带隙可调等特点，这些性能可以使黑磷成为等离子体材料更好的选择，使之成为一种很有前途的红外光电器件材料，具有广泛的应用前景。
然而，由于黑磷其固有的原子薄厚度，使得其自然情况下的吸收率非常低，通常不足以满足许多实际应用。因此采用了非常多种的方法来提高黑磷的光吸收，如集成波导、金属反射器、直接耦合谐振器和等离子光栅等。这些方法这一定程度上提高了黑磷的光吸收，其中金属反射器结构紧凑，能有效地以共振方式提高吸收效率。但是在中红外波段(10-30μm)其吸收率基本上不超过50％，并且很少有研究者进行过进一步改进的研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构，在中红外频率下，引入金属光栅狭缝结构来产生光透射增强效果，与金属反射器结构结合来提高黑磷纳米阵列的吸收性能，并且可以通过调节结构参数对吸收曲线进行优化，使其能够在中红外波段拥有非常优异的光吸收特性，这为基于黑磷的等离子体激元在中红外区域光电检测和传感的应用铺平了道路。
本发明的技术方案是这样实现的：
一、技术原理：
根据结构特性研究表明，局部表面等离子体共振(LSPR)可以通过吸收曲线反映，而吸收曲线可以通过结构参数进行调整，从而达到调控共振能力的目的。同时引入金属光栅狭缝结构，产生光透射增强效果，以此来进一步增强吸收能力。另外，可以通过调节结构参数来调制高吸收所在的频率，这有助于在中红外频率下实现紧凑的等离子体激元器件。
二、结构分析：
根据此原理本发明的基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构，包括：金属反射层、介质层、黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝结构。金属反射层采用Al材料；介质层采用SiO2材料；金属光栅材料采用Au材料；黑磷是一种层状材料，黑磷纳米条在介质层上间隔分布形成黑磷纳米条阵列；黑磷的层数为单层；金属光栅狭缝结构由左右两个金属光栅间距组成。
上述发明结构主要由两大部分组成：
1)介质层淀积在金属反射层上，黑磷纳米条阵列淀积在介质层上，形成一个法布里-珀罗腔结构，金属反射层用于反射光和抑制光透射，用来提高黑磷的光吸收，而且还可以通过调节结构参数对LSPR在不同频率下的共振强度进行调整。
2)由左右两个金属光栅间距组成的金属光栅狭缝，产生光透射增强效果，以此来进一步增强吸收能力。
制作上述本发明器件的方法，包括如下步骤：
1)利用等离子体增强化学气相沉积工艺，是以固体Al(99.99％纯度)作为蒸发源，介质衬底上被加热到380℃真空脱气3小时，通气时气流保持15～90分钟，压力在0.4和2.4毫巴之间，等离子体通过13.6MHz的射频功率来形成，最后再刻蚀掉介质衬底，形成一层300纳米厚的Al金属反射层。
2)然后利用热氧化工艺，干湿氧结合的方法，在温度为900度的条件下在金属反射层1上生长SiO2介质层，厚度控制在6微米。
3)将机械剥离的单层黑磷用直接转移法通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)转移到介质层上，形成黑磷纳米条阵列。
4)利用刻蚀工艺，应用氯气刻蚀，在射频功率400W，气压100mT，温度125℃及SiO2刻蚀模具的作用下，刻蚀Au材料层，形成金属光栅狭缝结构。
本发明具有如下优点：
本发明由于可以通过结构参数来调整LSPR的共振强度，具有较高灵活性，应用面广泛。同时引入金属光栅狭缝结构，产生光透射增强效果，以此来进一步增强吸收能力。还可以通过调节结构参数来调制高吸收所在的频率，这有助于在中红外频率下实现紧凑的等离子体激元器件。
附图说明
图1是本发明基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构三维图。
图2是本发明中所用到材料黑磷的晶格方向示意图。
图3是本发明基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构的制作流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合附图和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用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，本发明中基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构包括：金属反射层1、介质层2、黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝。金属反射层1采用Al材料；介质层2采用SiO2材料；金属光栅4材料采用Au材料；黑磷是一种层状材料，层数为单层。
黑磷纳米条阵列在介质层上间隔分布，黑磷的层数为单层；金属光栅狭缝结构由左右两个金属光栅4间距组成。
参照图2，本发明所用到黑磷材料的晶格方向示意图，垂直于原子脊排列的方向被称为armchair方向，平行于原子脊排列的方向被称为zigzag方向。这两种方向表现出各向异性。
参照图3，本发明制作基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构的方法。
参照图1和图3，本发明制作基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构的方法，给出如下实施例。
实施例：制作基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构。
参照图3，本实例的实现步骤如下：
步骤1：淀积Al金属层
利用等离子体增强化学气相沉积工艺，以固体Al(99.99％纯度)作为蒸发源，介质衬底被加热到380℃真空脱气3小时，通气时气流维持15～90分钟，压力在0.4和2.4毫巴之间，等离子体通过13.6MHz的射频功率来形成，最后再刻蚀掉介质衬底，形成一层300纳米厚的Al金属反射层1，如图3(a)。
步骤2：生长SiO2介质层
然后利用热氧化工艺，干湿氧结合的方法，在温度为900度的条件下生长SiO2氧化物介质层2，厚度控制在6微米，如图3(b)。
步骤3：转移黑磷
将机械剥离的单层黑磷用直接转移法通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)转移到介质层上，形成黑磷纳米条阵列，如图3(c)。
步骤4：刻蚀金属光栅狭缝
刻蚀工艺，是利用刻蚀气体氯气，在射频功率400W，气压100mT，温度125℃及SiO2刻蚀模具的作用下，刻蚀Au材料层，形成金属光栅狭缝结构。其中可以通过不同的刻蚀模具尺寸大小来改变金属光栅狭缝结构的参数，来满足不同的需要，如图3(d)。
以上所述仅是本发明的几个优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构，其特征在于，包括金属反射层(1)、介质层(2)、黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝结构；黑磷纳米条(3)在介质层(2)上间隔分布形成黑磷纳米条阵列；左右两个金属光栅(4)间距组成从而形成金属光栅狭缝结构；黑磷纳米条阵列产生局部表面等离子体效应，通过金属光栅狭缝结构的引入来增强中红外波段下黑磷的光吸收，实现中红外频率下紧凑的等离子体激元高吸收结构。
2.如权利要求1所述的基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构，其特征在于，金属反射层(1)采用Al材料，介质层(2)采用SiO2材料，金属光栅(4)采用Au材料。
3.如权利要求1所述的基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构，其特征在于，金属反射层(1)用于反射光和抑制光透射，并且与介质层(2)和黑磷纳米条阵列形成法布里-珀罗腔，将黑磷只有17％的本征固有吸收提高到72％。
4.如权利要求1所述的基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构，其特征在于，所述黑磷具有两个晶格方向：分别为锯齿形(zigzag)和扶手椅(armchair)方向。
5.如权利要求1所述的基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构，其特征在于，黑磷纳米条(3)中的黑磷是单层的，黑磷纳米条以间隔150纳米排列。
6.如权利要求1所述的基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构，其特征在于，左右两个金属光栅的间距为3微米。
7.如权利要求3所述的基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构，其特征在于，通过在黑磷纳米条阵列的基础上引入金属光栅狭缝结构产生的光透射增强效果，将增强的黑磷的72％的吸收进一步提高到99.92％。
8.如权利要求1所述的基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构，其特征在于，超吸收结构的制作方法，包括如下步骤：
1)利用等离子体增强化学气相沉积工艺，生长一层Al金属反射层(1)；
2)利用热氧化工艺，在金属反射层(1)上生长一层SiO2材料；
3)将机械剥离的单层黑磷用直接转移法通过聚二甲基硅氧烷(PDMS)转移到介质层(2)上，形成黑磷纳米条阵列；
4)利用等离子体增强化学气相沉积工艺，生长一层Au金属层(1)；
5)利用刻蚀工艺，应用氯气刻蚀，在掩蔽作用下，刻蚀Au材料层，形成金属光栅狭缝结构。
CN201911198772.XA 2019-11-25 2019-11-25 基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构 Active CN111090136B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911198772.XA CN111090136B (zh) 2019-11-25 2019-11-25 基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911198772.XA CN111090136B (zh) 2019-11-25 2019-11-25 基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111090136A true CN111090136A (zh) 2020-05-01
CN111090136B CN111090136B (zh) 2021-04-27

Family

ID=70393195

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911198772.XA Active CN111090136B (zh) 2019-11-25 2019-11-25 基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111090136B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111854979A (zh) * 2020-07-30 2020-10-30 西安电子科技大学 一种基于lspr效应的温度传感器及其制备、检测方法
CN114063203A (zh) * 2021-11-11 2022-02-18 浙江传媒学院 一种表面等离激元光调制器和光电器件
CN115389070A (zh) * 2022-09-05 2022-11-25 南京信息工程大学 一种光波导结构的双模三轴应力传感器及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107941735A (zh) * 2017-11-10 2018-04-20 吉林大学 一种中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器及其使用方法
CN109786483A (zh) * 2018-12-18 2019-05-21 西安电子科技大学 基于bp材料的光电探测器及其制备方法
JP2019158921A (ja) * 2018-03-07 2019-09-19 国立研究開発法人産業技術総合研究所 光学素子

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107941735A (zh) * 2017-11-10 2018-04-20 吉林大学 一种中红外双狭缝波导微腔光谱气体传感器及其使用方法
JP2019158921A (ja) * 2018-03-07 2019-09-19 国立研究開発法人産業技術総合研究所 光学素子
CN109786483A (zh) * 2018-12-18 2019-05-21 西安电子科技大学 基于bp材料的光电探测器及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIN WANG, GUOFENG YANG等: "Magnetic polaritons enhanced absorption of phosphorene in the near-infrared and visible region", 《MATERIALS SCIENCE & ENGINEERING B》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111854979A (zh) * 2020-07-30 2020-10-30 西安电子科技大学 一种基于lspr效应的温度传感器及其制备、检测方法
CN111854979B (zh) * 2020-07-30 2022-03-29 西安电子科技大学 一种基于lspr效应的温度传感器及其制备、检测方法
CN114063203A (zh) * 2021-11-11 2022-02-18 浙江传媒学院 一种表面等离激元光调制器和光电器件
CN114063203B (zh) * 2021-11-11 2023-12-12 浙江传媒学院 一种表面等离激元光调制器和光电器件
CN115389070A (zh) * 2022-09-05 2022-11-25 南京信息工程大学 一种光波导结构的双模三轴应力传感器及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN111090136B (zh) 2021-04-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liu et al. Single crystal growth of millimeter-sized monoisotopic hexagonal boron nitride
Lee et al. Metamaterials for enhanced optical responses and their application to active control of terahertz waves
Cen et al. Plasmonic absorption characteristics based on dumbbell-shaped graphene metamaterial arrays
Luo et al. Broadband tunable terahertz polarization converter based on graphene metamaterial
CN111090136B (zh) 基于黑磷纳米条阵列和金属光栅狭缝的超吸收结构
Kong et al. Tunable multichannel absorber composed of graphene and doped periodic structures
WO2011162331A1 (ja) 波長板の製造方法
Luo et al. A tunable dual-band and polarization-insensitive coherent perfect absorber based on double-layers graphene hybrid waveguide
CN103050783A (zh) 基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐负折射率的人工电磁超材料
US20120326944A1 (en) Metamaterial structure and manufacturing method of the same
Liu et al. A review of graphene plasmons and its combination with metasurface
Biabanifard A graphene-based dual-band THz absorber design exploiting the impedance-matching concept
CN110187419A (zh) 一种基于半导体超表面的可见光宽带完美吸收器
CN109270609B (zh) 一种利用双曲超材料光栅实现选择性吸波方法及吸波器
US11067836B2 (en) Multi-stack graphene structure and device including the same
Chen et al. Broadband, wide-incident-angle, and polarization-insensitive high-efficiency absorption of monolayer graphene with nearly 100% modulation depth at communication wavelength
CN103011136A (zh) 一种合成石墨烯薄膜的方法
Stefaniuk et al. Optimum deposition conditions of ultrasmooth silver nanolayers
CN112366521B (zh) 一种在平面超晶格纳米线上组装量子点激光器的方法
Peng et al. Tunable and polarization-sensitive perfect absorber with a phase-gradient heterojunction metasurface in the mid-infrared
Smith et al. Structural and optical characterization of WO3 nanorods/films prepared by oblique angle deposition
Song et al. Graphene-Based Metamaterial Absorber with Perfect Multi-band Absorption
CN107450120A (zh) 基于对称性破缺的石墨烯阵列结构的多频带吸收型滤波器
Lin et al. Crystalline characteristics of annealed AlN films by pulsed laser treatment for solidly mounted resonator applications
Swain Investigation of fractal behavior, optical properties and electronic environments of carbon-doped of ZnO Thin Films

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant