CN113363709A - 一种基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件及其制备方法和激发方法 - Google Patents

一种基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件及其制备方法和激发方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件及其制备方法和激发方法。该器件包括面内各向异性激元材料薄膜和叠设于面内各向异性激元材料薄膜上的金属微纳天线结构；所述金属微纳天线结构由等离极化激元材料制成。本发明将金属微纳天线与各向异性极化激元材料进行集成，可通过远场激发金属微纳天线的等离极化激元共振，并进一步通过该共振对面内各向异性极化激元进行激发，从而实现极化激元的远场高效激发。

Description

一种基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件及其制 备方法和激发方法
技术领域
本发明属于纳米光子学领域，具体涉及一种基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件及其制备方法和激发方法。
背景技术
各向异性极化激元具有高光学局域、低阻尼，以及优异的机械、光学和电学可调谐性。材料的极化激元具有各向异性的传播行为，这种行为导致了奇异的电磁场局域现象，从而在纳米光子学和纳米光电子学器件上有着重要的应用潜力。然而，极化激元与自由空间光子的巨大动量失配，使得无法直接采用自由空间光场对极化激元进行激发，限制了其应用和集成。如何实现远场平面波对各向异性极化激元的激发，是目前亟待解决的问题。
针对这个问题，有许多解决方法，例如使用金属探针(tkin J M,Raschke M B.Nano-optical imaging and spectroscopy of order,phases,and domains in complexsolids[J].Advances in Physics,2012,61(6):745-842.；Hillenbrand R,Taubner T,Keilmann F.Phonon-enhanced light-matter interaction at the nanometre scale[J]. Nature,2002,418(6894):159-62.)、非线性波混频技术(Constant T J,Hornett SM,Chang D E,et al.All-optical generation of surface plasmons in graphene[J].Nature Physics,2016,12(2):124-127.)，以及高度集中的电子束等激发手段 (Abajo F JG D.Optical excitations in electron microscopy.Rev.Mod.Phys.82, 209-275[J].Review of Modern Physics,2009,82(1).；García de Abajo,Javier F. MultipleExcitation of Confined Graphene Plasmons by Single Free Electrons[J]. AcsNano,2013,7(12):11409-19.)，然而这些技术的远场激发效率很低，且涉及复杂及体积庞大的设备，只能应用于基础科学研究，很难应用于实际器件的制作和集成。开发一种小型化、高效的面内各向异性极化激元的远场激发技术，对于各向异性极化激元材料的应用极其重要。
发明内容
本发明的目的在于克服现有远场平面波对各向异性极化激元的激发效率很低，涉及复杂及体积庞大的设备，很难应用于实际器件的制作和集成的缺陷或不足，提供一种基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件。本发明将金属微纳天线与各向异性极化激元材料进行集成，可通过远场激发金属微纳天线的等离极化激元共振，并进一步通过该共振对面内各向异性极化激元进行激发，从而实现极化激元的远场高效激发。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件，包括面内各向异性极化激元材料薄膜和叠设于内各向异性极化激元材料薄膜上的金属微纳天线结构；所述金属微纳天线结构由等离极化激元材料制成。
针对各向同性极化激元的激发和调控，目前已经提出了许多技术方案，包括不对称槽、组合孔、弯缝、L型V型纳米天线、金纳米棒、金属几何结构阵列等，但对于各向异性极化激元的可控激发报道较少。目前，有基于天线的面外双曲声子极化激元可控激发的研究报道，对于面内各向异性极化激元材料的远场可控激发技术还未见报道。相比面外各向异性(例如h-BN)色散，面内各向异性色散具有更加奇特的光学现象。
本发明的发明人经过反复研究发现，将金属微纳天线与各向异性极化激元材料进行集成，然后通过远场激发金属微纳天线的等离极化激元共振，并进一步通过该共振对面内各向异性极化激元进行激发，从而实现极化激元的远场高效激发。
另外，本发明提供的基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件且体积小易于集成，大大增加了面内各向异性极化激元器件发展的可能性。
并且，该器件具有优异的调控性，实现了对极化激元的远场激发和调控，结合强极化激元-场限制、各向异性极化激元传输、几何和电子开关可调性以及发展范德华异质结构的可能性，可以为平面红外、热和光电应用，如红外化学传感、平面超透镜、奇异光学耦合和近场热传递操纵开辟新的可能性，大大拓展声子极化激元材料的应用前景。
本领域常规的面内各向异性激元材料均可用于本发明中。
优选地，所述面内各向异性激元材料为等离极化激元材料、声子极化激元材料或激子极化激元材料中的一种。
更为优选地，所述等离极化激元材料为WTe2或黑磷。
更为优选地，所述声子极化激元材料为a-MoO3或a-V2O5。
更为优选地，所述激子极化激元材料为WSe2。
进一步优选地，所述面内各向异性激元材料为三氧化钼(声子极化激元材料) 或黑磷(等离极化激元材料)。
薄膜的尺寸为本领域常规尺寸，优选地，所述面内各向异性极化激元材料薄膜的横向尺寸为1～100000μm(例如1μm、10μm、100μm、1000μm、10000μm、 100000μm)，厚度为1～700nm(例如1nm、10nm、100nm、400nm、700nm 等)。
应当理解的是，横向尺寸是指薄膜平面最大直线距离。
优选地，所述等离极化激元材料为金、银、铝或铜。
研究表明，金属微纳天线的散射特性受其尺寸及形状影响，改变金属微纳天线的尺寸及取向，可调控面内各向异性极化激元的电场强度及分布情况，进而调控其远场激发的可控性。
优选地，所述金属微纳天线结构的尺寸为：长为1～1000μm，宽为10～1000 nm，高度为10～1000nm。
更为优选地，所述金属微纳天线结构的尺寸为：长为1～10μm，宽为 200～500nm，高度为50～200nm。
优选地，所述金属微纳天线结构的取向为薄膜所在的平面0–360°。
更为优选地，所述金属微纳天线结构的取向为薄膜所在的平面0–180°。
上述基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件的制备方法，包括如下步骤：
S1：在衬底上沉积面内各向异性极化激元材料得薄膜；
S2：在面内各向异性极化激元材料薄膜上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液，固化，曝光，然后用显影液去除曝光区域的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA；
S3：在聚甲基丙烯酸甲酯上镀等离极化激元材料薄膜；
S4：去除未曝光区域的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA及其上的等离极化激元材料薄膜形成金属微纳天线结构，即得所述基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件。
本领域常规的衬底均可用于本发明中，沉积的方式也为常规的沉积方式。
优选地，S1中所述衬底为SiO2衬底、Si衬底、SiC衬底或玻璃。
优选地，S1中所述沉积的方式为物理气相沉积法或化学气相沉积法。
优选地，S2中利用匀胶机来旋涂。
优选地，S2中所述溶剂为苯甲醚或甲基异丁酮。
优选地，所述固化的过程为：进行加热处理(例如温度为150～180℃，时间为1～5min)，使得聚甲基丙烯酸甲酯固化；同时溶剂在固化过程中去除。
优选地，S2中所述曝光的曝光剂量为300μC/cm2。
具体地，可利用电子束曝光系统(EBPG5000+，Raith，荷兰)对薄膜进行曝光。
通过调控曝光的区域，来调控金属微纳天线的尺寸(长、宽)及取向。
优选地，S2中通过如下过程去除曝光区域的聚甲基丙烯酸甲酯：将薄膜依次浸泡于以下溶液中：二甲苯丙硼(例如1～3分钟，优选为1.5分钟)、异丙醇 (例如1～5分钟，优选为1分钟)、去离子水(例如1～10分钟，优选为1分钟)，即可去除聚甲基丙烯酸甲酯。
优选地，S3中利用电子束蒸镀机来镀等离极化激元材料薄膜。
具体地，以等离极化激元材料为靶材，利用电子束蒸镀机在聚甲基丙烯酸甲酯PMMA上镀一层薄膜。
优选地，S4中通过如下过程去除未曝光区域的聚甲基丙烯酸甲酯：将得到金属微纳天线结构的衬底浸泡于丙酮溶液中(例如0.5～5小时，优选为2小时)，即可去除聚甲基丙烯酸甲酯(未曝光区域的聚甲基丙烯酸甲酯上的镀膜也一并去除)。
本发明还请求保护基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件的激发方法，包括如下步骤：利用远场可控激发，远场入射光的光源到面内各向异性极化激元材料薄膜表面的距离大于1个入射光波长；远场入射光的频率为 0.5～1500cm-1。
在该条件下可实现极化激元的远场高效激发。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：
本发明将金属微纳天线与各向异性极化激元材料进行集成，可通过远场激发金属微纳天线的等离极化激元共振，并进一步通过该共振对面内各向异性极化激元进行激发，从而实现极化激元的远场高效激发。
附图说明
图1为电子显微镜(SEM)形貌图和金微纳天线激发的厚度为200nm的α-MoO3薄膜双曲声子极化激元场强分布图；其中，图1(a)是在α-MoO3薄膜上制备的长2.0μm、2.6μm、3.2μm、3.8μm、4.4μm、5.0μm，宽300nm，高100nm，长轴方向平行于α-MoO3的[100]晶向的金微纳天线结构的扫描电子显微镜(SEM) 形貌图；图1(b)是在距离器件表面20cm，波数为905cm-1的平面入射光，沿金天线结构长轴方向有最大偏振分量，斜入射α-MoO3薄膜表面时，不同长度金微纳天线激发的厚度为200nm的α-MoO3薄膜双曲声子极化激元场强分布图；
图2为电子显微镜(SEM)形貌图和金微纳天线激发的厚度为200nm的α-MoO3薄膜双曲声子极化激元场强分布图；其中，图2(a)是在α-MoO3薄膜上制备的长2.0μm、2.6μm、3.2μm、3.8μm、4.4μm、5.0μm，宽300nm，高100nm，长轴方向平行于α-MoO3的[100]晶向的金微纳天线结构的扫描电子显微镜(SEM) 形貌图；图2(b)是在距离器件表面20cm，波数为905cm-1的平面入射光，沿金天线结构长轴方向有最大偏振分量，斜入射α-MoO3薄膜表面时，不同长度金微纳天线激发的厚度为200nm的α-MoO3薄膜双曲声子极化激元场强分布图；
图3为电子显微镜(SEM)形貌图和金微纳天线激发的厚度为200nm的α-MoO3薄膜双曲声子极化激元场强分布图；其中，图3(a)是在α-MoO3薄膜上制备的长2.6μm、宽300nm、高100nm，长轴方向与α-MoO3的[100]晶向分别成90°、0°、15°、30°、45°夹角的金微纳天线结构扫描电子显微镜(SEM) 形貌图；图3(b)是在距离器件表面20cm，波数为925cm-1的平面入射光，沿金天线结构长轴方向有最大偏振分量，斜入射α-MoO3薄膜表面时，不同长度金微纳天线激发的厚度为200nm的α-MoO3薄膜双曲声子极化激元场强分布图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下例实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照本领域常规条件或按照制造厂商建议的条件；所使用的原料、试剂等，如无特殊说明，均为可从常规市场等商业途径得到的原料和试剂。本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。
实施例1
本实施例提供一系列基于金属微纳天线的面内各向异性声子极化激元器件，其制备过程如下：
在10×10mm2的SiO2衬底上利用物理气相沉积法制备厚度为200nm的α-MoO3薄膜。在光学显微镜对SiO2衬底上α-MoO3薄片的位置做好定位。然后使用匀胶机在样品表面旋涂一层PMMA(7％的浓度，溶解在苯甲醚中)，旋涂转速为7000rpm，时间为1分钟。将样品置于加热台上以170℃加热3.5分钟，去除氯苯达到固化PMMA的目的。接着，使用电子束曝光系统(EBPG5000+， Raith，荷兰)对样品进行曝光，曝光剂量为300μC/cm2。曝光区域宽300nm，长度分别为2.0μm、2.6μm、3.2μm、3.8μm、4.4μm、5.0μm，长轴方向平行于α-MoO3的[100]晶向。将电子束曝光后的样品依次浸泡于以下溶液中：二甲苯丙硼(1.5分钟)、异丙醇(1分钟)、去离子水(1分钟)，除去目标结构区域的α-MoO3薄片表面的PMMA。然后，将样品放入电子束蒸镀机中，设置靶材为 Au，镀膜厚度为100nm，在样品上镀一层均匀的Au薄膜。最后，将样品置于丙酮溶液中浸泡2小时，初步去除MoO3薄片上的PMMA，然后用异丙醇冲洗，最后用高纯氮气去掉其表面的水分。除净残留的PMMA，同时使PMMA上的 Au薄膜脱落，长轴方向平行于α-MoO3的[100]晶向的不同长度的金天线结构，如图1(a)所示。
距离器件表面20cm，波数为905cm-1的平面入射光，沿金天线结构长轴方向有最大偏振分量，斜入射α-MoO3薄膜表面。用扫描近场光学显微镜(s-SNOM) 测试得到的α-MoO3面内双曲声子极化激元场强分布，如图1(b)所示，在905 cm-1激发光下，2-5μm金天线(金棒长轴平行于α-MoO3的[100]晶向)均可激发α-MoO3的声子极化激元；长度不同，金天线激发α-MoO3的声子极化激元强度不同。
实施例2
本实施例提供一系列基于金属微纳天线的面内各向异性声子极化激元器件，其制备过程如下：
在10×10mm2的SiO2衬底上利用物理气相沉积法制备厚度为200nm的α-MoO3薄膜。在光学显微镜对SiO2衬底上α-MoO3薄片的位置做好定位。然后使用匀胶机在样品表面旋涂一层PMMA(7％的浓度，溶解在苯甲醚中)，旋涂转速为7000rpm，时间为1分钟。将样品置于加热台上以170℃加热3.5分钟，去除氯苯达到固化PMMA的目的。接着，使用电子束曝光系统(EBPG5000+， Raith，荷兰)对样品进行曝光，曝光剂量为300μC/cm2。曝光区域宽300nm，长度分别为2.0μm、2.6μm、3.2μm、3.8μm、4.4μm、5.0μm，长轴方向平行于α-MoO3的[001]晶向。将电子束曝光后的样品依次浸泡于以下溶液中：二甲苯丙硼(1.5分钟)、异丙醇(1分钟)、去离子水(1分钟)，除去目标结构区域的α-MoO3薄片表面的PMMA。然后，将样品放入电子束蒸镀机中，设置靶材为 Au，镀膜厚度为100nm，在样品上镀一层均匀的Au薄膜。最后，将样品置于丙酮溶液中浸泡2小时，初步去除α-MoO3薄片上的PMMA，然后用异丙醇冲洗，最后用高纯氮气去掉其表面的水分。除净残留的PMMA，同时使PMMA上的 Au薄膜脱落，留下长轴方向平行于α-MoO3的[001]晶向的不同长度的金天线结构，如图2(a)所示。
距离器件表面20cm，波数为905cm-1的平面入射光，沿金天线结构长轴方向有最大偏振分量，斜入射α-MoO3薄膜表面。用扫描近场光学显微镜(s-SNOM) 测试得到的α-MoO3面内双曲声子极化激元场强分布，如图2(b)所示，在905 cm-1激发光下，2-5μm金天线(金棒长轴平行于α-MoO3的[001]晶向)均可激发α-MoO3的声子极化激元；长度不同，金天线激发α-MoO3的声子极化激元强度不同。
实施例3
本实施例提供一系列基于金属微纳天线的面内各向异性声子极化激元器件，其制备过程如下：远场可控激发技术具体实施过程如下：
在10×10mm2的SiO2衬底上利用物理气相沉积法制备厚度为200nm的α-MoO3薄膜。在光学显微镜对SiO2衬底上α-MoO3薄片的位置做好定位。然后使用匀胶机在样品表面旋涂一层PMMA(7％的浓度溶解在苯甲醚中)，旋涂转速为7000rpm，时间为1分钟。将样品置于加热台上以170℃加热3.5分钟，去除氯苯达到固化PMMA的目的。接着，使用电子束曝光系统(EBPG5000+，Raith，荷兰)对样品进行曝光，曝光剂量为300μC/cm2。曝光区域宽300nm、长2.6μm，长轴方向与α-MoO3的[100]晶向分别成0°、15°、30°、45°和90°夹角。将电子束曝光后的样品依次浸泡于以下溶液中：二甲苯丙硼(1.5分钟)、异丙醇 (1分钟)、去离子水(1分钟)，除去目标结构区域的α-MoO3薄片表面的PMMA。然后，将样品放入电子束蒸镀机中，设置靶材为Au，镀膜厚度为100nm，在样品上镀一层均匀的Au薄膜。最后，将样品置于丙酮溶液中浸泡2小时，初步去除α-MoO3薄片上的PMMA，然后用异丙醇冲洗，最后用高纯氮气去掉其表面的水分。除净残留的PMMA，同时使PMMA上的Au薄膜脱落，留下长度方向与α-MoO3[100]晶向成不同夹角的金天线结构，如图3(a)所示。
距离器件表面20cm，波数为925cm-1的平面入射光，沿金天线结构长轴方向有最大偏振分量，斜入射α-MoO3薄膜表面。用扫描近场光学显微镜(s-SNOM) 测试得到的α-MoO3面内双曲声子极化激元场强分布，如图3(b)所示，在905 cm-1激发光下，不同取向(或方向)的金天线(2.6μm)均可激发α-MoO3的声子极化激元；取向不同，金天线激发出的声子极化激元电场分布不同。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件，其特征在于，包括面内各向异性极化激元材料薄膜和叠设于内各向异性极化激元材料薄膜上的金属微纳天线结构；所述金属微纳天线结构由等离极化激元材料制成。
2.根据权利要求1所述基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件，其特征在于，所述面内各向异性极化激元材料为等离极化激元材料、声子极化激元材料或激子极化激元材料中的一种。
3.根据权利要求2所述基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件，其特征在于，所述等离极化激元材料为WTe2或黑磷；
所述声子极化激元材料为a-MoO3或a-V2O5；
所述激子极化激元材料为WSe2。
4.根据权利要求1所述基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件，其特征在于，所述面内各向异性极化激元材料薄膜的横向尺寸为1～100000μm，厚度为1～700nm。
5.根据权利要求1所述基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件，其特征在于，所述等离极化激元材料为金、银、铝或铜。
6.根据权利要求1所述基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件，其特征在于，所述金属微纳天线结构的尺寸为：长为1-1000μm，宽为10-1000nm，高度为10-1000nm。
7.根据权利要求1所述基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件，其特征在于，所述金属微纳天线结构的取向为薄膜所在的平面0-360°。
8.权利要求1～7任一所述基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：在衬底上沉积面内各向异性极化激元材料薄膜；
S2：在面内各向异性极化激元材料薄膜上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液，固化，曝光，然后用显影液去除曝光区域的聚甲基丙烯酸甲酯；
S3：在聚甲基丙烯酸甲酯上镀等离极化激元材料薄膜；
S4：去除未曝光区域的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA及其上的等离极化激元材料薄膜形成金属微纳天线结构，即得所述基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件。
9.根据权利要求8所述制备方法，其特征在于，S1中所述衬底为SiO2衬底、Si衬底、SiC衬底或玻璃；S2中所述溶剂为苯甲醚或甲基异丁酮；S2中所述显影液为甲基异丁酮；S2中所述曝光的曝光剂量为300μC/cm2。
10.权利要求1～7任一所述基于金属微纳天线的面内各向异性极化激元器件的激发方法，其特征在于，包括如下步骤：利用远场可控激发，远场入射光的光源到面内各向异性极化激元材料薄膜表面的距离大于1个入射光波长；远场入射光的频率为0.5–1500cm-1。
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