CN113156555A - 二硫化钼增强银纳米线表面等离子体激元传输长度的基底 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二硫化钼增强银纳米线表面等离子体激元传输长度的基底，该基底为层状结构，自下而上依次为硅层、300nm厚的SiO2层、三角形状单层MoS2层和金属银纳米线层。通过使用光纤锥移动(移动光纤锥)同一根Ag NW相对于MoS2/SiO2衬底于不同的位置并利用光纤锥激发(激发光纤锥)Ag NW的SPPs，包括Ag NW全部位于SiO2衬底或MoS2/SiO2复合物上、Ag NW一部分位于SiO2衬底一部分位于MoS2/SiO2复合物上。本发明在单层二硫化钼的帮助下显著提高银纳米线SPPs的激发效率和传输效率，进而提高了传输长度，并具有操作简便、快速、准确、消耗能源少等优点。
Description
技术领域
本发明涉及表面等离子体激元激发及传输结构，属于近场光学增强技术领域。
背景技术
表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)是金属或半导体中电子的集体振荡，它可以突破光的衍射极限实现在纳米尺度光约束和操纵最有效的方法。这种独特的特性使光学信号处理、传感设备能够小型化，显示出克服传统电子集成电路和互连中数据传输速率及带宽限制的巨大潜力。SPPs具有在衍射极限下产生高增强光场的能力，在光学激光器、光学天线、光学传感器和亚波长波导等领域有着广泛的应用。但是，由于SPPs激发条件要求高，并且金属的固有吸收、表面粗糙度造成的传输损耗较常见的光信息传输方式要大，这严重限制了这些器件应用。
因此，表面等离子体激元的传播长度能否提高到一个相当高的水平，在很大程度上决定了集成电路的实现及其未来的发展。为了有效降低表面等离子体激元传播过程中的能量损失，人们采取了多种方法，包括利用石墨烯或介电材料构建混合等离子体波导，在纳米结构与衬底之间引入薄介电层，应用介电多层衬底，利用光谱增益介质补偿表面等离子体激元损失。然而，这些方法通常都需要特殊的结构，这使得光子器件的制备过程变得复杂。
发明内容
针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种增强银纳米线(Ag NWs)SPPs传输长度及测试的方法，通过在单层二硫化钼表面耦合单根Ag NW形成复合材料，显著提高银纳米线SPPs的激发效率和传输效率，进而提高了传输长度。
本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。
本发明提供了一种二硫化钼增强银纳米线表面等离子体激元传输长度的基底，其特征在于：该基底为层状结构，自下而上依次为硅层、二氧化硅(SiO2)层、三角形单层MoS2层和Ag NW层，三角形状MoS2层是通过化学气相沉积法直接在生长在SiO2衬底上，Ag NW层是利用旋涂法将Ag NWs均匀的旋涂在MoS2/SiO2衬底上的。
进一步的，所述三角形状MoS2为单层MoS2纳米片，边长为32.11μm。所述Ag NW层为单根纳米线，纳米线直径为590nm，长度为15μm。
本发明还提供了一种MoS2增强Ag NW表面等离子体激元传输长度的基底的制备方法，其特征在于：该方法包含以下步骤：
(1)大尺寸直径银纳米线的制备：在10ml乙二醇中加入0.1665g聚乙烯吡咯烷酮和20μL浓度为0.1mmol/L的FeCl3乙二醇溶液，搅拌至混合均匀，将混合后的溶液逐滴滴加到10ml浓度为0.1mol/L AgNO3的乙二醇溶液中，搅拌至溶液呈乳白色。随后将混合后的溶液倒入硝酸处理过的高压釜内胆中，在170℃下反应2.5h后冷却，便到所需要的银纳米线原液；
(2)三角形状二硫化钼纳米片的制备：使用化学气相沉积法(CVD)利用双温区管式炉使纯度为99.99％的三氧化钼和纯度为99.5％的硫粉在高温状态下反应，在二氧化硅(SiO2)衬底上生长三角形状单层二硫化钼(ML-MoS2)；
(3)测试样品的制备：将步骤(1)中生成的银纳米线用无水乙醇洗涤并稀释到合适的浓度，使用旋涂法将银纳米线均匀的分散在步骤(2)制备好的二硫化钼纳米片上；
(4)使用光纤锥激发银纳米线表面等离子体激元：使用实验室拉制的光纤锥移动(移动光纤锥)单根Ag NW相对于MoS2/SiO2衬底于不同的位置并利用光纤锥激发(激发光纤锥)Ag NW的SPPs，包括Ag NW全部位于SiO2衬底或MoS2/SiO2复合物上、Ag NW一部分位于SiO2衬底一部分位于MoS2/SiO2复合物上。
优选的，步骤(3)中取1ml原液和5ml无水乙醇放入离心管中摇匀，并以4000r/s进行5分钟离心，然后倒掉上层溶液加5ml无水乙醇再次摇匀离心，再次倒掉上层溶液加入5ml无水乙醇摇匀，使用移液枪将10μl溶液利用旋涂法使其均匀的分散在MoS2/SiO2复合物上。
优选的，步骤(4)中所述光纤锥是单模光纤在熔融状态下利用机械法拉制而成，形态良好，无散光现象，锥尖直径为500nm。
优选的，步骤(4)中所述Ag NW相对不同衬底的状态是利用三维纳米平移台夹住移动光纤锥缓慢移动同一根Ag NW形成的。
优选的，步骤(4)中所述Ag NW相对不同衬底SPPs的激发是利用三维纳米平移台夹住激发光纤锥使锥尖缓慢接触同一根Ag NW，并且光纤锥与Ag NW所成的角度均相同。
优选的，步骤(4)中所述激光光纤锥激发Ag NW SPPs使用的是671nm波长的激光。
本发明的有益效果：
本发明所述一种增强银纳米线表面等离子体激元传输长度的方法，通过二硫化钼与银纳米线耦合形成复合材料，在二硫化钼的帮助下，能量会从衬底向上移动，这将抑制能量辐射到衬底，降低Ag NW造成的欧姆损失，进而提高传输长度。在实验过程中，通过光纤锥移动同一根银纳米线相对于衬底于不同的状态，用同一根光纤锥激发同一根银纳米线的表面等离子体激元，并进行观测。本发明所述方法具有操作简便、快速、准确、消耗能源少等优点。
附图说明
图1为实验中Ag NW/MoS2扫描电镜图。其中2μm是尺寸标尺。
图2为Ag NW在硅衬底和单层MoS2上的拉曼光谱，虚线框的光谱放大图如右图所示。
图3为实验装置示意图。
图4为采用熔融法拉制的光纤锥的光学显微镜图片。
图5为激发光纤锥激发不同状态下银纳米SPPs试验记录的光学显微镜图片。其中10μm是尺寸标尺。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
一种增强银纳米线表面等离子体激元传输长度的基底，包括：
衬底：包括二氧化硅衬底与单层二硫化钼衬底，用于与银纳米线耦合；大尺寸直径银纳米线：用于表面等离子体激元的激发与传输；光纤锥：包括光纤锥的锥尖与其后的光纤，光纤连接光纤耦合器，把激光耦合进光纤，用于移动Ag NW和激发Ag NW表面等离子体激元。衬底是层状结构，自下而上依次为硅层、二氧化硅层、二硫化钼层、银纳米线层。二氧化硅层的厚度为300nm，MoS2层为三角形单层MoS2，其边长为32.11μm。Ag NW层为单根纳米线，纳米线直径为590nm，长度为15μm。光纤锥是使用单模光纤在熔融状态下采用机械法拉制而成，光纤与光纤耦合器相连，把671nm波长激光耦合进光纤中，光纤锥锥尖直径约为500nm，表面光滑、无散光现象。使用实验室拉制的光纤锥(移动光纤锥)先后移动单根Ag NW相对于MoS2/SiO2衬底于不同的位置包括Ag NW全部位于SiO2衬底或MoS2/SiO2复合物上、Ag NW一部分位于SiO2衬底一部分位于MoS2/SiO2复合物上，并利用耦合进671nm波长激光的光纤锥(激发光纤锥)激发Ag NW的SPPs。实验过程中所使用的激光功率、激发光纤锥、单根银纳米线均是相同的并且激发光纤锥与银纳米线所成的角度均相同。
一种增强银纳米线表面等离子体激元传输长度的方法，包括如下步骤。
(1)制备银纳米线溶液：在10ml乙二醇中加入0.1665g聚乙烯吡咯烷酮和20ul浓度为0.1mmol/L的FeCl3乙二醇溶液，搅拌至混合均匀，将混合后的溶液逐滴滴加到10ml浓度为0.1mol/L AgNO3的乙二醇溶液中，搅拌至溶液呈乳白色。随后将混合后的溶液倒入硝酸处理过的高压釜内胆中，在170℃下反应2.5h后冷却，便得到银纳米线原液。
(2)化学气相沉积法(CVD)生长二硫化钼纳米片：将纯度为99.5％的硫粉放置在石英舟中并与自制的推杆相连接，将其放置在水平管式炉的第一加热区前端，将纯度为99.99％的三氧化钼粉末放置在石墨舟中，将其放置在水平管式炉第二加热区的中心，硫源和钼源的放置距离为13cm。分别用去离子水、丙酮、乙醇和异丙醇超声清洗覆盖了300nmSiO2层的MoS2生长衬底，随后将其干燥处理后倒扣在第二个石英舟顶端。用真空泵将水平管式炉抽真空至100mTorr，然后在5分钟内充入流量为100sccm，纯度为99.999％的高纯氩气。然后将炉子的两个加热区在30分钟内分别加热到800℃和300℃，当第一加热区达到300℃时通过移动推杆前端的磁铁将载有硫粉的石英舟送到第一加热区中间参与反应。将反应物保持在恒温下15分钟后自然冷却至室温，得所述MoS2纳米片。
(3)测试样品的制备：取1ml原液和5ml无水乙醇放入离心管中摇匀，并以4000r/s进行5分钟离心，然后倒掉上层溶液加5ml无水乙醇再次摇匀离心，再次倒掉上层溶液加入5ml无水乙醇摇匀，使用移液枪将10μl溶液利用旋涂法使其均匀的分散在MoS2/SiO2复合物上。
由图1可知Ag NW尺寸适宜、表面干净且形态良好，MoS2具有干净的表面三角形的形状。
由图2可知实验中制备的三角形状MoS2为单层。
(4)使用光纤锥激发银纳米线表面等离子体激元：使用实验室拉制的光纤锥移动(移动光纤锥)单根Ag NW相对于MoS2/SiO2衬底于不同的位置并利用耦合进671nm波长激光的光纤锥激发(激发光纤锥)Ag NW的SPPs，包括Ag NW全部位于SiO2衬底或MoS2/SiO2复合物上、Ag NW一部分位于SiO2衬底一部分位于MoS2/SiO2复合物上。
图5中入射光斑和出射光斑分别用实线圆和虚线圆表示。图5a和图b分别为光纤锥在不含Ag NW的MoS2薄片上和SiO2，图5c和图f分别为整个Ag NW在SiO2和MoS2薄片上的情况。图5d和e中的Ag NW部分重叠在MoS2薄片上。图5d与e的区别是Ag NW的激发态末端的变化。首先，如图5c-f的暗图像所示，入射光从光纤锥度耦合到Ag NW，并从Ag NW的末端重新辐射。这一现象清楚地说明了SPPs在Ag NW中的激发和传播。可以看到当激发光纤锥接近银纳米线时，光强立即增强。特别地，当银纳米线的入射端位于二硫化钼上时，入射光斑变得更亮。经过对图5中CCD暗场图像上光点的亮度积分，并定义激发效率为Ag NW的激发光斑与相同状态下光纤锥出射光强之比。经过统计计算图中的归一化激发效率分别为2.70、2.62、2.95、3.09。这些数据表明，当Ag NW的入射端被放置在MoS2薄片上时，Ag NW的SPPs激发效率比Ag NW在硅衬底上得到了提高。图中还显示了Ag NW末端的出射光强度对衬底的依赖性。为了描述这一现象，将传输效率定义出射端光强与入射端光强之比。图中的归一化传输效率分别为0.229、0.230、0.248、0.255。可以得到，由于ML-MoS2的引入，激发效率和传输效率都有明显增强，在MoS2的帮助下，银纳米线的SPPs的传输长度得到明显增强。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.二硫化钼增强银纳米线表面等离子体激元传输长度的基底，其特征在于，该基底为层状结构，自下而上依次为硅层、二氧化硅(SiO2)层、三角形单层MoS2层和Ag NW层，三角形状MoS2层是通过化学气相沉积法直接在生长在SiO2衬底上，Ag NW层是利用旋涂法将Ag NWs均匀的旋涂在MoS2/SiO2衬底上的。
2.根据权利要求1所述的二硫化钼增强银纳米线表面等离子体激元传输长度的基底，其特征在于，所述三角形状MoS2为单层MoS2纳米片，边长为32.11μm。所述Ag NW层为单根纳米线，纳米线直径为590nm，长度为15μm。
3.MoS2增强Ag NW表面等离子体激元传输长度的基底的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：
(1)大尺寸直径银纳米线的制备：在10ml乙二醇中加入0.1665g聚乙烯吡咯烷酮和20μL浓度为0.1mmol/L的FeCl3乙二醇溶液，搅拌至混合均匀，将混合后的溶液逐滴滴加到10ml浓度为0.1mol/L AgNO3的乙二醇溶液中，搅拌至溶液呈乳白色。随后将混合后的溶液倒入硝酸处理过的高压釜内胆中，在170℃下反应2.5h后冷却，便到所需要的银纳米线原液；
(2)三角形状二硫化钼纳米片的制备：使用化学气相沉积法(CVD)利用双温区管式炉使纯度为99.99％的三氧化钼和纯度为99.5％的硫粉在高温状态下反应，在二氧化硅(SiO2)衬底上生长三角形状单层二硫化钼(ML-MoS2)；
(3)测试样品的制备：将步骤(1)中生成的银纳米线用无水乙醇洗涤并稀释到合适的浓度，使用旋涂法将银纳米线均匀的分散在步骤(2)制备好的二硫化钼纳米片上；
(4)使用光纤锥激发银纳米线表面等离子体激元：使用实验室拉制的光纤锥移动(移动光纤锥)单根Ag NW相对于MoS2/SiO2衬底于不同的位置并利用光纤锥激发(激发光纤锥)AgNW的SPPs，包括Ag NW全部位于SiO2衬底或MoS2/SiO2复合物上、Ag NW一部分位于SiO2衬底一部分位于MoS2/SiO2复合物上。
4.根据权利要求3所述的MoS2增强Ag NW表面等离子体激元传输长度的基底的制备方法，其特征在于，步骤(3)中取1ml原液和5ml无水乙醇放入离心管中摇匀，并以4000r/s进行5分钟离心，然后倒掉上层溶液加5ml无水乙醇再次摇匀离心，再次倒掉上层溶液加入5ml无水乙醇摇匀，使用移液枪将10μl溶液利用旋涂法使其均匀的分散在MoS2/SiO2复合物上。
5.根据权利要求3所述的MoS2增强Ag NW表面等离子体激元传输长度的基底的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述光纤锥是单模光纤在熔融状态下利用机械法拉制而成，形态良好，无散光现象，锥尖直径为500nm。
6.根据权利要求3所述的MoS2增强Ag NW表面等离子体激元传输长度的基底的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述Ag NW相对不同衬底的状态是利用三维纳米平移台夹住移动光纤锥缓慢移动同一根Ag NW形成的。
7.根据权利要求3所述的MoS2增强Ag NW表面等离子体激元传输长度的基底的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述Ag NW相对不同衬底SPPs的激发是利用三维纳米平移台夹住激发光纤锥使锥尖缓慢接触同一根Ag NW，并且光纤锥与Ag NW所成的角度均相同。
8.根据权利要求3所述的MoS2增强Ag NW表面等离子体激元传输长度的基底的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述激光光纤锥激发Ag NW SPPs使用的是671nm波长的激光。
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