CN113804628A - 一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，涉及手性装置领域。本申请提供一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，装置包括：基底、介质层、石墨烯层、金属结构层。在圆偏振光照射下，金属结构层和石墨烯层产生局域表面等离激元共振，基底表面产生表面等离极化激元共振，三者之间相互耦合。调控石墨烯层中两石墨烯纳米带上的电压，能够实现手性大小和手性结构的调控；通过改变介质层周围的温度，改变介质层内载流子的电导率，改变本发明装置的非对称性，调控手性大小。通过电压和温度的改变，实现了手性大小及结构的调控，有效地降低了手性调控的成本。

Description

一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置
技术领域
本申请涉及手性装置领域，具体而言，涉及一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置。
背景技术
不能与其镜像结构叠合的几何特征称为手性。手性结构是无处不在的，例如，我们的左右手、星系、锥形、多叶芦荟、DNA、氨基酸。手性结构表现出奇特的圆二色性(CD)，定义为右圆偏振(RCP，+)光与左圆偏振(LCP，-)光之间的吸光度差。手性分子的左旋分子和右旋分子的特性相差较大，尤其在制药领域需要对制备出的药物的手性特征进行检测。CD光谱严格依赖于材料的手性，成为分析手性分子的重要手段。然而，入射光与手性分子之间的耦合作用较弱，手性分子的CD信号往往较弱。由于光与贵金属材料的相互作用较强，人工手性等离子体纳米结构(ACPNs)比手性生物分子具有更强的CD信号。产生CD信号是由于电偶极矩的耦合而产生。ACPNs广泛应用于生物监测、分析化学、宽带圆极化、负折射率介质领域。
现有技术中，研究人员提出了不同的ACPNs，并产生较的强手性信号。斜激发下的二维非手性等离子体纳米粒子和正常激发下的二维手性等离子体纳米粒子都获得了强的CD信号。三维ACPNs比二维ACPNs表现出更强的手性，如螺旋ACPNs[M.Esposito,V.Tasco,F.Todisco,A.Benedetti,I.Tarantini,M.Cuscunà,and A.Passaseo.Tailoring chiro-optical effects by helical nanowire arrangement.Nanoscale,2015,7(43),18081-18088.]和L形ACPNs(Y.Wang,J.Deng,G.Wang,T.Fu,Y.Qu,and Z.Zhang.Plasmonicchirality of l-shaped nanostructure composed of two slices with differentthickness.Optics express,2016,24(3),2307-2317)。多层三维ACPNs制造简单，成为研究的热点。由于两层之间的电磁耦合，逐层ACPNs也获得了比单层更强的CD信号[Y.Wang,X.Wen,Y.Qu,L.Wang,R.Wan,and Z.Zhang.Co-occurrence of circular dichroism andasymmetric transmission in twist nanoslit-nanorod arrays.Optics Express,2016,24(15),16425.]。在上述ACPNs中，需要多次制备不同形状或尺寸的ACPNs，以获得两种相反的手性，实现CD调节，这使得调控CD的成本极较高。即，同一ACPNs难以实现两种手性且无法动态调控CD信号。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，以解决现有技术中同一ACPNs难以实现两种手性且无法动态调控CD信号的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本申请提供一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，装置从下至上依次包括：基底、介质层、石墨烯层、金属结构层。石墨烯层包括周期排布的石墨烯纳米结构单元，石墨烯纳米结构单元包括平行排布的第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带，第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带之间设有间隙。第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带的宽度相同。金属结构层包括在垂直于第一石墨烯纳米带方向上相同周期排布的第一金属纳米棒、第二金属纳米棒、第三金属纳米棒、第四金属纳米棒。第一金属纳米棒和第二金属纳米棒置于第一石墨烯纳米带上，第三金属纳米棒和第四金属纳米棒置于第二石墨烯纳米带上。第一金属纳米棒的方向与第一石墨烯纳米带的方向平行，第二金属纳米棒的方向与第一石墨烯纳米带的方向垂直。第二金属纳米棒靠近第一金属纳米棒的一端。第三金属纳米棒与第一金属纳米棒关于缝隙成镜像设置，第四金属纳米棒与第二金属纳米棒关于缝隙成镜像设置。
可选地，金属纳米棒结构单元沿第一石墨烯纳米带方向上的周期长度为16μm-20μm，金属纳米棒结构单元和石墨烯纳米结构单元沿石墨烯纳米带垂直方向上的周期长度均为38μm-40μm。
可选地，基底的厚度为14μm-16μm，介质层的厚度为2μm-4μm，金属结构层的厚度为4μm-8μm。
可选地，第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带的宽度为14μm-16μm。
可选地，第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带之间间隙的宽度为2μm-4μm。
可选地，第一金属纳米棒和第三金属纳米棒的长度为10μm-14μm，宽度为2μm-4μm，第二金属纳米棒和第四金属纳米棒的长度为5μm-7μm，宽度为2μm-4μm。
可选地，第一金属纳米棒的端部到第二金属纳米棒所在直线的距离为0μm-4μm。
可选地，介质层的材料为相变材料，具体地，介质层材料为二氧化钒或碲锑锗。
可选地，第二金属纳米棒的端部与第一金属纳米棒的侧面接触。
可选地，第二金属纳米棒的自由端在第一石墨烯纳米带上靠近第二石墨烯纳米带一侧的边缘上。
可选地，基底的材料为二氧化硅、金、银、铜中的一种。
可选地，介质层中加入金属纳米棒，其位置和大小与金属层中第二金属纳米棒与第四金属纳米棒相同，其材料为金和/或银和/或铜。
应用时本发明还包括，电压控制装置、温度控制装置、光谱仪。电压控制装置设置在石墨烯层中的第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带上，用于改变石墨烯纳米带的费米能级。可选地，第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带的上加载的电压为0.1eV-0.9eV。温度控制装置设置在介质层的外部，用于改变介质层的温度。光谱仪用于对装置的出射光的光谱进行检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)在圆偏振光的作用下，金属纳米棒和石墨烯纳米带上激发出较强的局域表面等离激元共振，基底表面激发出表面等离极化激元共振。通过在第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带上加载不同的电压，调控石墨烯纳米带的非对称性，第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带上加载电压的差值越大，石墨烯纳米带的非对称性越强。通过石墨烯纳米带与金属纳米棒、基底的共振耦合，增强本发明装置的非对称性，获得CD信号。交换第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带上加载的电压，呈现出相反的手性结构，获得手性相反的CD信号。通过改变第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带上加载的电压，能够调控出不同大小和不同手性结构的CD信号。
(2)介质层为相变材料，环境温度的改变使得介质层的电导率变化，引起介质层折射率的变化，使得本发明装置的CD的光谱随环境温度变化，从而实现对CD信号的动态调控。
(3)本申请通过改变石墨烯纳米带上的加载电压和装置环境温度实现双手性纳米结构，不需要重新制备结构就可实现CD的动态调控，极大地减少了调控CD的成本。另外，本申请为多层平面手性结构，结构厚度为微纳米尺度，有利于制成光学集成芯片，符合装置微型化的趋势。
附图说明
图1为本发明提供的一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置的示意图；
图2为本发明提供的一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置的俯视图；
图3为本发明提供的一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在电压调控下的数值模拟仿真CD光谱；
图4为本发明提供的一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在电压和温度调控下的数值模拟仿真CD光谱；
图5为本发明提供的又一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置的俯视图；
图6为本发明提供的又一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在电压调控下的数值模拟仿真CD光谱；
图7为本发明提供的又一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在电压和温度调控下的数值模拟仿真CD光谱；
图8为本发明提供的又一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置的介质层的俯视图。
图标：10-基底；20-介质层；21-第五金属纳米棒；22-第六金属纳米棒；30-石墨烯层；31-第一石墨烯纳米带；32-第二石墨烯纳米带；40-金属结构层；41-第一金属纳米棒；42-第二金属纳米棒；43-第三金属纳米棒；44-第四金属纳米棒。
具体实施方式
为了使本发明的实施过程更加清楚，下面将会结合附图进行详细说明。
实施例1：
本发明提供了一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，图1为该动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置的结构的示意图。动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置从下至上依次包括：基底10、介质层20、石墨烯层30、金属结构层40。石墨烯层30包括周期排布的石墨烯纳米结构单元，石墨烯纳米结构单元包括平行排布的第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32，第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32之间设有间隙。第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32的宽度相同，这样在交换第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上加载的电压时，能够获得镜像对称的两条CD光谱，从而方便对本发明装置的手性进行调控。金属结构层40包括在垂直于第一石墨烯纳米带31方向上相同周期排布的第一金属纳米棒41、第二金属纳米棒42、第三金属纳米棒43、第四金属纳米棒44。第一金属纳米棒41和第二金属纳米棒42置于第一石墨烯纳米带31上，第三金属纳米棒43和第四金属纳米棒44置于第二石墨烯纳米带32上。第一金属纳米棒41的方向与第一石墨烯纳米带31的方向平行，第二金属纳米棒42的方向与第一石墨烯纳米带31的方向垂直，且第一金属纳米棒41和第二金属纳米棒42之间不接触；这样一来，第一金属纳米棒41与第一石墨烯纳米带31上的表面等离激元共振平行耦合，第二金属纳米棒42与第一石墨烯纳米带31上的表面等离激元共振正交耦合，能够增强金属结构层40与石墨烯层30之间的非对称耦合，从而增强本发明装置的CD响应；另外，第一金属纳米棒41的方向与第一石墨烯纳米带31的方向平行，方便在微纳加工过程中层与层之间的对齐与校准，容易加工。第二金属纳米棒42靠近第一金属纳米棒41的一端，这样第一金属纳米棒41和第二金属纳米棒42形成的结构没有对称轴，与其镜像不能通过平移或旋转重合在一起，使得第一金属纳米棒41和第二金属纳米棒42形成的结构具有手性。第三金属纳米棒43与第一金属纳米棒41关于缝隙成镜像设置，第四金属纳米棒44与第二金属纳米棒42关于缝隙成镜像设置。
该金属纳米棒结构单元沿第一石墨烯纳米带31方向上的周期长度为18μm，金属纳米棒结构单元和石墨烯纳米结构单元沿石墨烯纳米带垂直方向上的周期长度均为39μm。
该基底10的厚度为15μm，介质层20的厚度为3μm，金属结构层40的厚度为6μm。
该第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32的宽度为15μm。
该第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32之间间隙的宽度为3μm。
该第一金属纳米棒41和第三金属纳米棒43的长度为12μm，宽度为3μm，第二金属纳米棒42和第四金属纳米棒44的长度为6μm，宽度为3μm。
该第一金属纳米棒41的端部到第二金属纳米棒42所在直线的距离为2μm。
该基底10的材料为二氧化硅。
该介质层20的材料为相变材料，具体地，介质层20的材料为二氧化钒。
电压控制装置设置在石墨烯层30中的第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上，用于改变石墨烯纳米带的费米能级；正负电极分别接触于两个石墨烯纳米带的两端，基底10接零电位，三个电位分离能够有效地缩小装置的体积，方便集成。每个石墨烯纳米结构单元中第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32加载电压的情况可以相同，也可以不同；加载电压相同方便电压控制装置的设置，加载电压不同，使得石墨烯纳米带上的表面等离激元共振峰较多，拓宽装置CD响应光谱的范围。可选地，第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32的上加载的电压为0.1eV-0.9eV，每个石墨烯纳米结构单元加载电压情况相同。介质层20的材料为高折射率的相变材料，一方面相变材料的电导率与其周围环境的温度密切相关，温度控制装置设置在介质层20的外部，用于改变介质层20的温度，使得介质层20的相变材料从介质状态变为金属状态，从而介质层20的折射率发生变化，改变CD光谱；另一方面，高折射率的特性使得介质层20内可以局域更多的光场能量，这样圆偏振光与相变材料的相互作用更强。光谱仪用于对装置的出射光的光谱进行检测。
应用时，使用圆偏振光正入射照射在金属结构层40的表面，金属结构层40和石墨烯层30中有大量自由电子，在圆偏振光的作用下，大量自由电子处于共振状态，金属纳米棒和石墨烯纳米带上产生局域表面等离激元共振。金属结构层40中，第一金属纳米棒41/第三金属纳米棒43和第二金属纳米棒42/第四金属纳米棒44表面激发出非对称分布的两个相互垂直的线形局域表面等离激元共振，分别于石墨烯纳米带上的表面等离激元共振平行耦合和正交耦合，这增强了金属结构层40与石墨烯层30之间的非对称耦合，进而增强本发明装置的CD大小。石墨烯层30中，第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32中产生带状局域表面等离激元共振。石墨烯纳米带中的带状局域表面等离激元共振与金属纳米棒中的线形局域表面等离激元共振形成共振耦合。
然后，在第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上分别加载不同的电压，使得第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32的费米能级不同，提高两个石墨烯纳米带的非对称性。通过与金属纳米棒的共振耦合，进一步提高金属纳米棒中局域表面等离激元非对称性，进而增强整个装置的非对称性，获得不同大小的手性CD信号。交换第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上加载的电压，第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32的费米能级互换，其非对称性相反，这反向提高了第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32的非对称性。从而，在不改变装置的情况下，获得了相反的手性CD信号。综上所述，本发明通过调控第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上加载的电压，实现了本发明装置的CD大小及手性结构调控，这极大地减低了手性调控的成本。
另外，介质层20的材料为相变材料，通过介质层20外部的温度控制装置改变介质层20的温度，导致介质层20的电导率的变化，进而介质层20的折射率发生变化，这使得透过介质层20的光强度发生变化，从而使得本发明装置的CD光谱发生改变，即本发明还可以通过改变温度，实现对CD信号的动态调控。温度和电压的双调控，也使得本发明装置具有更广泛的应用场景。
本发明装置不仅能够实现装置本身手性的双调控，还能够测量其他材料的手性。比如，测量手性分子溶液的手性。测量时，通过改变石墨烯纳米带表面的加载电压调节CD的同时，也会改变手性分子溶液的电位，进而通过静电吸附效应改变手性分子在溶液中的分散度。这样，改变电压相当于同时改变了石墨烯纳米带的费米能级和手性分子在溶液中的分散度，从而给手性分子CD的测量带来误差。在石墨烯纳米带上加载恒定电压，这样静电吸附强度不变，手性分子分散度不变，仅通过介质层20外的温度控制装置调控本发明装置的CD来测量手性分子溶液的手性，或将本发明装置放置在手性分子溶液中，水浴法对溶液加温或者降温，进而改变装置介质层20的温度，这样在调控装置CD的同时测量手性分子溶液的手性。仅调控温度实现手性的变化，因此，本发明能够实现手性分子溶液CD的精准测量。
实施例2：
为了进一步增强本发明装置的非对称性，本实施例与实施例1的区别在于，第二金属纳米棒42的端部与第一金属纳米棒41的侧面相接触，装置的俯视图如图2所示。金属结构层40中，第一金属纳米棒41/第三金属纳米棒43和第二金属纳米棒42/第四金属纳米棒44表面产生较强的T形局域表面等离激元共振，激发出非对称的T形电流。基底10的材料为金属铜，这样在圆偏振光的作用下，基底10的上表面会产生表面等离极化激元共振，表面等离极化激元共振相比于局域表面等离激元共振具有更窄的峰宽，有利于提高生物检测时本发明装置的灵敏度；此外，基底10的材料属于金属材料，金属材料对光具有很好的反射特性，基底10还可以反射更多的圆偏振光，入射光不能穿过基底10，使得金属结构层40、石墨烯层30、基底10三者之间的共振耦合增强，增强本发明装置的非对称性，进而增强CD响应。
为了进一步的说明本申请的装置对手性的增强情况，使用数值模拟仿真数据进行说明，具体如下：
图3为本发明提供的一种如图2所示的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在电压调控下的数值模拟仿真CD光谱。如图3所示，图2所示的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在圆偏振光下的激发下，仅改变第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压，实现CD大小及正负的调控，使得本发明装置的手性大小及手性结构(CD>0为右手结构，CD<0为左手结构)动态可调。数值模拟过程中，介质层20周围的温度不变，为25摄氏度，对应二氧化钒的电导率为σVO2＝200S/m不变。第一石墨烯纳米带31上的电压Ef1＝0.1eV，第二石墨烯纳米带32上的电压Ef2＝0.2eV、0.3eV、0.4eV、0.5eV、0.6eV、0.7eV，第一石墨烯纳米带31上的电压小于第二石墨烯纳米带32上的电压，本发明装置在波长30μm到70μm范围内CD>0，手性表现为右手结构。当Ef2＝0.7eV时，第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压差值最大，在波长λ＝52μm处的CD达到0.36。第一石墨烯纳米带31上的电压Ef1＝0.2eV、0.3eV、0.4eV、0.5eV、0.6eV、0.7eV，第二石墨烯纳米带32上的电压Ef2＝0.1eV，第一石墨烯纳米带31上的电压大于第二石墨烯纳米带32上的电压，本发明装置在波长30μm到70μm范围内CD<0，手性表现为左手结构。当Ef1＝0.7eV时，第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压差值最大，在波长λ＝52μm处的CD达到-0.36。综上所述，在0.1eV-0.7eV范围内分别改变第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压，能够实现CD从0.36至-0.36的动态调节，即本发明的双手性复合纳米装置实现了手性大小及手性结构(CD>0为右手结构，CD<0为左手结构)的动态可调。这极大地降低了动态调控CD的成本。
图4为本发明提供的一种如图2所示的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在电压和温度调控下的数值模拟仿真CD光谱。图2所示的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在圆偏振光下的激发下，仅改变介质层20周围的温度，实现CD大小的调控，结合第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压调控，使得本发明装置的手性大小及手性结构(CD>0为右手结构，CD<0为左手结构)可动态可调。数值模拟过程中，第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压的差值固定不变，需要右手结构时，第一石墨烯纳米带31上的电压Ef1＝0.1eV，第二石墨烯纳米带32上的电压Ef2＝0.7eV；需要左手结构时，第一石墨烯纳米带31上的电压Ef1＝0.7eV，第二石墨烯纳米带32上的电压Ef2＝0.1eV。二氧化钒的电导率与其周围的温度变化密切相关，数值模拟过程中通过改变依赖于温度的电导率来模拟。如图4所示，对于右手结构，二氧化钒的电导率从200S/m变化到1000S/m，CD信号的大小发生显著变化，在λ＝52μm处CD值从0.36逐渐减弱至0.10；对于左手结构，二氧化钒的电导率从200S/m变化到1000S/m，CD信号的大小发生显著变化，在λ＝52μm处CD值从-0.36逐渐减弱至-0.10。使得本装置的CD大小对温度灵敏变化。综上所述，通过改变二氧化钒的电导率(即二氧化钒的温度)、调换第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压，能够实现本发明装置的CD大小及手性结构的动态调控。这极大地降低了动态调控CD的成本。
实施例3：
为了更进一步增强金属纳米棒中的T形局域表面等离激元共振的非对称性，本实施例与实施例2的区别在于，如图5所示第二金属纳米棒42和第四金属纳米棒44分别与第一金属纳米棒41和第三金属纳米棒43的端点相连，即第二金属纳米棒42距离第一金属纳米棒41一端的距离为0μm，第四金属纳米棒44距离第三金属纳米棒43一端的距离为0μm。相比于实施例2中的T形表面等离激元共振，本实施例中的L形局域表面等离激元共振可以形成涡流效应，捕获并局域更多的圆偏振光能量，使得本发明装置与圆偏振光的耦合更强。此外，在金属纳米棒中形成的这个非对称性更强的L形局域表面等离激元共振与石墨烯层30中的带状局域表面等离激元共振和基底10上表面产生沿其表面传播的表面等离极化激元共振之间两两相互耦合，从而进一步提高石墨烯层30中的带状局域表面等离激元共振和基底10上表面产生沿其表面传播的表面等离极化激元共振的非对称性，显著增强本发明装置的非对称性，获得更强的CD信号。
图6为本发明提供的一种如图5所示的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在电压调控下的数值模拟仿真CD光谱。如图6所示，图5所示的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在圆偏振光下的激发下，仅改变第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压，实现CD大小及正负的调控，使得本发明装置的手性大小及手性结构(CD>0为右手结构，CD<0为左手结构)动态可调。数值模拟过程中，介质层20周围的温度不变，为25摄氏度，对应二氧化钒的电导率为σVO2＝200S/m不变。第一石墨烯纳米带31上的电压Ef1＝0.1eV，第二石墨烯纳米带32上的电压Ef2＝0.2eV、0.3eV、0.4eV、0.5eV、0.6eV、0.7eV，第一石墨烯纳米带31上的电压小于第二石墨烯纳米带32上的电压，本发明装置在波长30μm到70μm范围内CD>0，手性表现为右手结构。当Ef2＝0.7eV时，第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压差值最大，在波长λ＝52μm处的CD达到0.46(强于实施例2中的0.36)。第一石墨烯纳米带31上的电压Ef1＝0.2eV、0.3eV、0.4eV、0.5eV、0.6eV、0.7eV，第二石墨烯纳米带32上的电压Ef2＝0.1eV，第一石墨烯纳米带31上的电压大于第二石墨烯纳米带32上的电压，本发明装置在波长30μm到70μm范围内CD<0，手性表现为左手结构。当Ef1＝0.7eV时，第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压差值最大，在波长λ＝52μm处的CD达到-0.46(强于实施例1中的-0.36)。综上所述，在0.1eV-0.7eV范围内分别改变第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压，能够实现CD从0.46至-0.46的动态调节，即本发明的双手性复合纳米装置实现了手性大小及手性结构(CD>0为右手结构，CD<0为左手结构)的动态可调。这极大地降低了动态调控CD的成本。
图7为本发明提供的又一种如图5所示的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在电压和温度调控下的数值模拟仿真CD光谱。图5所示的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置在圆偏振光下的激发下，仅改变介质层20周围的温度，实现CD大小的调控，结合第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压调控，使得本发明装置的手性大小及手性结构(CD>0为右手结构，CD<0为左手结构)可动态可调。数值模拟过程中，第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压的差值固定不变，需要右手结构时，第一石墨烯纳米带31上的电压Ef1＝0.1eV，第二石墨烯纳米带32上的电压Ef2＝0.7eV；需要左手结构时，第一石墨烯纳米带31上的电压Ef1＝0.7eV，第二石墨烯纳米带32上的电压Ef2＝0.1eV。二氧化钒的电导率与其周围的温度变化密切相关，数值模拟过程中通过改变依赖于温度的电导率来模拟。如图7所示，对于右手结构，二氧化钒的电导率从200S/m变化到1000S/m，CD信号的大小发生显著变化，在λ＝52μm处CD值从0.46逐渐减弱至0.11；对于左手结构，二氧化钒的电导率从200S/m变化到1000S/m，CD信号的大小发生显著变化，在λ＝52μm处CD值从-0.46逐渐减弱至-0.11。使得本装置的CD大小对温度灵敏变化。综上所述，通过改变二氧化钒的电导率(即二氧化钒的温度)、调换第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的电压，能够实现本发明装置的CD大小及手性结构的动态调控。这极大地降低了动态调控CD的成本。
实施例4：
与实施例3不同的是，介质层20中还设有金属纳米结构单元，每个单元包括第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22，金属纳米棒的材料为金和/或银和/或铜。第五金属纳米棒21在介质层20中的位置、长度、宽度与第二金属纳米棒42相同，第六金属纳米棒22在介质层20中的位置、长度、宽度与第四金属纳米棒44相同。第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22嵌在介质层20中的高度与介质层20的厚度相同，这样通过第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22连通了基底10和石墨烯层30，这样基底10、介质层20、石墨烯层30、金属结构层40中的共振耦合更强，从而本发明装置的非对称性进一步提高。第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22沿石墨烯纳米带方向和垂直石墨烯纳米带方向上的周期排列均和金属结构层40中第一金属纳米棒41、第二金属纳米棒42、第三金属纳米棒43、第四金属纳米棒44组成的金属纳米结构单元的周期排列一致。图8为本发明又一装置中介质层20的俯视图。
第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22在圆偏振光的激发下产生新的局域表面等离激元，进一步与金属结构层40中的L形局域表面等离激元、石墨烯层30中的带状局域表面等离激元、基底10上表面的表面等离极化激元两两相互共振耦合。在第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22上能够产生与石墨烯纳米带中带状局域表面等离激元共振所在平面垂直方向上的局域表面等离激元共振，这增强了本发明装置在垂直方向上的非对称性，从而提高了装置的非对称性，使得CD信号增强。另外，第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22在介质层20中，这样第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22上产生的局域表面等离激元在其表面产生强电场。环境温度变化时，圆偏振光激发下的相变材料电导率发生变化，进而使得相变材料表面极化电荷发生变化。相变材料表面的极化电荷和第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22上产生的强电场之间实现强耦合，进而影响本发明装置的CD光谱。通过强耦合作用，环境温度的微小变化便可影响装置的CD光谱。因此，第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22加入后产生的这种强耦合可以提高相变材料的温度响应，促进本发明装置的CD调节能力。
实施例5：
在实施例4的基础上，将金属结构层40中第一金属纳米棒41/第三金属纳米棒43和第二金属纳米棒42/第四金属纳米棒44设置为不同的厚度。使得第一金属纳米棒41/第三金属纳米棒43和第二金属纳米棒43/第四金属纳米棒44在厚度方向上能够激发出不同的局域表面等离激元共振，并与金属纳米棒上L形局域表面等离激元共振耦合，进一步增加金属结构层40在与基底10垂直方向上的非对称性。金属结构层40进一步与石墨烯层30、嵌有第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22的介质层20、基底10产生非对称共振耦合，增强本发明装置的CD响应。
实施例6：
在实施例5的基础上，在金属结构层40的上表面覆盖第三石墨烯纳米带和第四石墨烯纳米带。由于金属结构层40上表面的金属纳米棒厚度不一，使得柔性的第三石墨烯纳米带和第四石墨烯纳米带表面高低起伏，这样第三石墨烯纳米带和第四石墨烯纳米带在厚度方向上产生局域表面等离激元共振，进而与第一石墨烯纳米带31和第二石墨烯纳米带32上的局域表面等离激元共振耦合，增加第三石墨烯纳米带和第四石墨烯纳米带在厚度方向上的非对称性。第三石墨烯纳米带和第四石墨烯纳米带、进一步与金属结构层40、嵌有第五金属纳米棒21和第六金属纳米棒22的介质层20、基底10产生非对称耦合，增强本发明装置的CD响应。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，其特征在于，所述装置从下至上依次包括：基底、介质层、石墨烯层、金属结构层，所述石墨烯层包括周期排布的石墨烯纳米结构单元，所述石墨烯纳米结构单元包括平行排布的第一石墨烯纳米带和第二石墨烯纳米带，所述第一石墨烯纳米带和所述第二石墨烯纳米带之间设有间隙，所述金属结构层包括在垂直于所述第一石墨烯纳米带方向上相同周期排布的第一金属纳米棒、第二金属纳米棒、第三金属纳米棒、第四金属纳米棒，所述第一金属纳米棒和所述第二金属纳米棒置于所述第一石墨烯纳米带上，所述第三金属纳米棒和所述第四金属纳米棒置于所述第二石墨烯纳米带上，所述第一金属纳米棒与所述第二金属纳米棒垂直，所述第二金属纳米棒靠近所述第一金属纳米棒的一端，所述第三金属纳米棒与所述第一金属纳米棒关于所述缝隙成镜像设置，所述第四金属纳米棒与所述第二金属纳米棒关于所述缝隙成镜像设置。
2.根据权利要求1所述的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，其特征在于，所述基底的材料为金和/或银和/或铜。
3.根据权利要求2所述的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，其特征在于，所述第一石墨烯纳米带和所述第二石墨烯纳米带的宽度相同。
4.根据权利要求3所述的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，其特征在于，所述第一金属纳米棒与所述第一石墨烯纳米带的方向平行。
5.根据权利要求4所述的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，其特征在于，所述第一金属纳米棒的长度为10μm-14μm，宽度为2μm-4μm。
6.根据权利要求5所述的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，其特征在于，所述第二金属纳米棒的长度为5μm-7μm，宽度为2μm-4μm。
7.根据权利要求6所述的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，其特征在于，所述第一金属纳米棒的端部到所述第二金属纳米棒所在直线的距离为0μm-4μm。
8.根据权利要求7所述的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，其特征在于，所述第二金属纳米棒的端部与所述第一金属纳米棒的侧面接触。
9.根据权利要求1-8任一项所述的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，其特征在于，所述介质层为相变材料。
10.根据权利要求9所述的动态可调的双手性石墨烯复合纳米装置，其特征在于，所述相变材料为二氧化钒或碲锑锗。
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