CN114063203B - 一种表面等离激元光调制器和光电器件 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种表面等离激元光调制器和光电器件，涉及光电技术领域，包括：衬底；设置于衬底上的石墨烯薄膜层；设置于石墨烯薄膜层上的黑磷薄膜层，石墨烯薄膜层与黑磷薄膜层形成范德华异质结。由此，能够通过表面等离激元光调制器中的石墨烯薄膜层与黑磷薄膜层形成的范德华异质结，结合栅压的调控，使得石墨烯的电导率的虚部调整到正数，从而在石墨烯薄膜层和黑磷薄膜层之间的界面激发表面等离激元现象，便可以通过改变黑磷的入射光偏振方向，从而改变整个石墨烯薄膜层和黑磷薄膜层形成的异质结构的色散关系，进而实现光强度的调节。
Description
技术领域
本申请涉及光电技术领域，具体而言，涉及一种表面等离激元光调制器和光电器件。
背景技术
信息社会中，数据通信和因特网的日益发展促使市场对传输速率和通信容量需求不断增加，从而对光传输网络的需求量也迅速增长，在大容量光传输系统中，对光信号的高速调制必不可少。光调制器是高速、长距离光通信的关键器件，也是最重要的集成光学器件之一。
自英国曼彻斯特大学物理学奖海姆和诺沃肖洛夫成功从石墨中分离出石墨烯，石墨烯因其奇特的结构和优异的性能，吸引了人们巨大的热情。石墨烯是零带隙的半导体材料，其通过简单的栅压调控，就可以使费米能级产生很大的移动。而费米能级的改变将产生电导率的变化。通过这个性质，可以利用光与石墨烯之间发生耦合作用，设计出具有很高的调制效率及低半波电压的电光调制器。
随着高速通信和芯片集成技术的不断发展，对器件的小型化和低能耗性提出了更高的要求。表面等离激元的出现为这些问题提供了一种新的解决办法。而石墨烯则可以支持表面等离激元的传输，并且具有较强的能量束缚能力和较小的传输损耗，这可以弥补传统金属在这些频率范围的空白。因此将石墨烯波导结构和表面等离激元相结合设计光调制器的研究和应用可以进一步降低尺寸和功耗，同时提高调制效率。
但是由于石墨烯的面内各向同性特征，因此无法实现偏振光角度相关的可调表面等离激元器件。此外，由于石墨烯的能带范围限制，现有基于石墨烯的表面等离激元器件往往仅能工作在太赫兹和近红外波段。
发明内容
本申请的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种表面等离激元光调制器和光电器件，以解决现有石墨烯表面等离激元器件无法实现偏振光角度相关可调和工作波长受限的问题。
为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
本申请实施例的一方面，提供一种表面等离激元光调制器，包括：衬底；设置于衬底上的石墨烯薄膜层；设置于石墨烯薄膜层上的黑磷薄膜层，石墨烯薄膜层与黑磷薄膜层形成范德华异质结。
可选的，在石墨烯薄膜层中设置有掺杂离子，用于调节石墨烯薄膜层的电导率。
可选的，还包括设置于石墨烯薄膜层的顶电极和设置于衬底背面的底电极。
可选的，在衬底和石墨烯薄膜层之间还设置有绝缘层。
可选的，衬底的厚度为50nm至100nm。
可选的，衬底为硅衬底、碳化硅衬底和氮化镓衬底中的一种。
本申请实施例的另一方面，提供一种光电器件，包括上述任一种的表面等离激元光调制器。
本申请的有益效果包括：
本申请提供了一种表面等离激元光调制器和光电器件，包括：衬底；设置于衬底上的石墨烯薄膜层；设置于石墨烯薄膜层上的黑磷薄膜层，石墨烯薄膜层与黑磷薄膜层形成范德华异质结。由此，能够通过表面等离激元光调制器中的石墨烯薄膜层与黑磷薄膜层形成的范德华异质结，结合栅压的调控，使得石墨烯电导率的虚部调整到正数，从而在石墨烯薄膜层和黑磷薄膜层之间的界面激发表面等离激元现象，便可以通过改变黑磷的入射光偏振方向，从而改变整个石墨烯薄膜层和黑磷薄膜层形成的异质结构的色散关系，进而实现光强度的调节。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种表面等离激元光调制器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种表面等离激元光调制器工作在波长为500nm下传输距离随入射光角度变化的示意图；
图3为本申请实施例提供的一种表面等离激元光调制器工作在波长为800nm下传输距离随入射光角度变化的示意图；
图4为本申请实施例提供的一种表面等离激元光调制器工作在波长为380nm下传输距离随入射光角度变化的示意图；
图5为本申请实施例提供的一种表面等离激元光调制器工作在波长为480nm下传输距离随入射光角度变化的示意图；
图6为基于黑磷的三层介质模型示意图；
图7为本申请实施例提供的一种表面等离激元光调制器的结构示意图。
图标：110-衬底；120-绝缘层；130-石墨烯薄膜层；140-黑磷薄膜层；150-入射偏振光；160-底电极；170-顶电极。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
应当理解，虽然术语第一、第二等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区域分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可称为第二元件，并且类似地，第二元件可称为第一元件。如本文所使用，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
应当理解，当一个元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件上”或“延伸到另一个元件上”时，其可以直接在另一个元件上或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件上”或“直接延伸到另一个元件上”时，不存在介于中间的元件。同样，应当理解，当元件(诸如层、区域或衬底)被称为“在另一个元件之上”或“在另一个元件之上延伸”时，其可以直接在另一个元件之上或直接在另一个元件之上延伸，或者也可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接在另一个元件之上”或“直接在另一个元件之上延伸”时，不存在介于中间的元件。还应当理解，当一个元件被称为“连接”或“耦接”到另一个元件时，其可以直接连接或耦接到另一个元件，或者可以存在介于中间的元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦接”到另一个元件时，不存在介于中间的元件。
除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)的含义与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。还应当理解，本文所使用的术语应解释为含义与它们在本说明书和相关领域的情况下的含义一致，而不能以理想化或者过度正式的意义进行解释，除非本文中已明确这样定义。
本申请实施例的一方面，提供一种表面等离激元光调制器，如图1所示，包括衬底110，在衬底110上设置石墨烯薄膜层130，然后在石墨烯薄膜层130上设置黑磷薄膜层140，如此，由石墨烯薄膜层130与黑磷薄膜层140则会形成范德华异质结，即由石墨烯材料和黑磷材料通过范德华力结合在一起，形成一个二维材料异质结。
需要理解的是，当光波(电磁波)入射到金属与介质的分界面时，金属表面的自由电子发生集体振荡，电磁波与金属表面自由电子耦合而形成的一种沿着金属表面传播的近场电磁波，如果电子的振荡频率与入射光波的频率一致就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效地转变为金属表面自由电子的集体振动能，这时就形成的一种特殊的电磁模式：电磁场被局限在金属表面很小的范围内并发生增强，这种现象就被称为表面等离激元现象。
石墨烯是零带隙的半导体材料，其能带结构在K空间呈对顶的双锥形，费米面在迪拉克点之上，由于其能带结构的特殊性，在迪拉克点处的电子态密度很低，但是通过对石墨烯进行简单的栅压调控，就可以使其费米能级产生很大的移动。而费米能级的改变将使石墨烯的电导率产生变化，通过这个性质，在将黑磷薄膜层140设置于石墨烯薄膜层130上时，可以由黑磷薄膜层140充当表面等离激元中的介质层，然后通过调整施加于石墨烯上的电压，从而使得石墨烯电导率的虚部调整到正数，即大于0，如此，可以在石墨烯薄膜层130和黑磷薄膜层140之间的界面激发表面等离激元现象，使得器件能够具有低能耗、小型化、调制效率高、半波电压低的特点。同时，基于黑磷能带范围较宽可以工作于可见光波段的特性，能够对石墨烯薄膜层130和黑磷薄膜层140形成的范德华异质结进行改善，从而使得原本仅能工作于太赫兹和近红外波段的石墨烯表面等离激元器件能够工作于可见光波段。
例如图2所示，本申请的表面等离激元光调制器工作于波长为500nm的可见光波段；例如图3所示，本申请的表面等离激元光调制器工作于波长为800nm的可见光波段；例如图4所示，本申请的表面等离激元光调制器工作于波长为380nm的可见光波段；例如图5所示，本申请的表面等离激元光调制器工作于波长为480nm的可见光波段。
此外，如图6所示，可以引入入射偏振光150和黑磷扶手椅方向的夹角θ这个参数，由于黑磷存在面内各向异性，黑磷整体的有效折射率n2(θ)随着θ角变化而变化，对于任意角度θ，有效折射率与该偏振角度下的椭圆半径有关。根据上述内容，可以推导出黑磷面内扶手椅方向和锯齿形方向的有效折射率，因此可以得到任意夹角θ下黑磷的有效折射率：
式中，nAC为黑磷在扶手椅方向上有效折射率，nZZ为黑磷在锯齿形方向上有效折射率。
可以得出对于任意入射黑磷的入射光的夹角，黑磷具有不同的有效折射率和有效介电常数，故，在由石墨烯薄膜层130和黑磷薄膜层140形成的异质结构中，也可以利用黑磷的特性来实现偏振光角度相关可调的目的，换言之，首先通过对石墨烯薄膜层130的栅压进行调节，从而在石墨烯薄膜层130和黑磷薄膜层140之间的界面激发表面等离激元，而后，便可以通过改变黑磷的入射光偏振方向，从而改变整个石墨烯薄膜层130和黑磷薄膜层140形成的异质结构的色散关系，进而实现光强度的调整。
例如图2所示，当本申请的表面等离激元光调制器工作于波长为500nm时，给出了该器件传输距离随入射光角度的变化，可以看出，随着入射光角度的逐渐变化，曲线整体呈类之字形周期变化，并且在入射光角度为24度、156度等角度时传输距离最小，此时可以对应光调制器的OFF状态；在入射光角度为90度时传输距离最大，此时可以对应光调制器的ON状态，因此通过简单调节入射光的偏振方向，就可以实现工作在可见光下的光强度调制器。
例如图3所示，当本申请的表面等离激元光调制器工作于波长为800nm时，给出了该器件传输距离随入射光角度的变化，可以看出，随着入射光角度的逐渐变化，曲线整体也呈类之字形周期变化，并且在入射光角度为0度时传输距离最小，此时可以对应光调制器的OFF状态；在入射光角度为90度时传输距离最大，此时可以对应光调制器的ON状态，因此通过简单调节入射光的偏振方向，就可以实现工作在可见光下的光强度调制器。
例如图4所示，当本申请的表面等离激元光调制器工作于波长为380nm时，给出了该器件传输距离随入射光角度的变化，可以看出，在入射光角度为67度、113度等角度时传输距离最小，此时可以对应光调制器的OFF状态；在入射光角度为61度、119度等角度时传输距离最大，此时可以对应光调制器的ON状态，因此通过简单调节入射光的偏振方向，就可以实现工作在可见光下的光强度调制器。
例如图5所示，当本申请的表面等离激元光调制器工作于波长为380nm时，给出了该器件传输距离随入射光角度的变化，可以看出，在入射光角度为60度、120度等角度时传输距离最小，此时可以对应光调制器的OFF状态；在入射光角度为30度、150度等角度时传输距离最大，此时可以对应光调制器的ON状态，因此通过简单调节入射光的偏振方向，就可以实现工作在可见光下的光强度调制器。
因此，如图2、图3、图4和图5所示，可以看出，对于可见光的不同波段，表面等离激元传输距离的变化曲线不一致。即可以实现工作在可见光不同波段下的光强度调制器。并且比较图2至图5，可以发现，通过激发表面等离激元，该异质结构在可见光不同波段展现了不同的传播特性，入射偏振角与表面等离激元传播特性的关系随着波段的平移而发生变化。如：在可见光380nm-480nm区域，随着波长的移动，最佳入射偏振角从61度移动到30度(图4、5)，此时扶手椅方向要比锯齿形方向有更好的传输能力，然而在可见光500nm-800nm区域，最佳入射偏振角保持为90度(图2、3)，即在锯齿形方向上可以获得最大传输距离。因此利用这一特性可以进一步实现角度可调的表面等离激元可见光调制器。
可选的，对石墨烯薄膜层130的电导率进行调控时，可以通过施加偏置电压或化学掺杂的形式进行，例如：
在一些实施方式中，可以通过在石墨烯薄膜层130中设置有掺杂离子，如此，能够对应改变石墨烯薄膜层130的费米能级，进而实现对石墨烯薄膜层130的电导率的调节，使得石墨烯薄膜层130的电导率的虚部为正数，从而能够在石墨烯薄膜层130和黑磷薄膜层140的界面激发表面等离激元。在一些实施方式中，可以在衬底110上通过化学气相沉积等方法形成石墨烯薄膜层130后，通过离子掺杂的方式在石墨烯薄膜层130中掺杂离子，进而调节石墨烯薄膜层130的电导率，而后再在石墨烯薄膜层130上继续通过化学气相沉积等方法形成黑磷薄膜层140。
在一些实施方式中，如图7所示，还可以在衬底110的背面上设置底电极160，在石墨烯薄膜层130上设置顶电极170，并且使得顶电极170与底电极160通过调制电源连接，如此，能够通过调节施加于顶电极170上的偏置电压，从而对应改变石墨烯薄膜层130的费米能级，进而实现对石墨烯薄膜层130的电导率的调节，使得石墨烯薄膜层130的电导率的虚部为正数，从而能够在石墨烯薄膜层130和黑磷薄膜层140的界面激发表面等离激元。
在一些实施方式中，如图7所示，可以使得石墨烯薄膜层130的面积大于黑磷薄膜层140的面积，即石墨烯薄膜层130包括重叠部分和非重叠部分，其中，重叠部分为石墨烯薄膜层130与黑磷薄膜层140在石墨烯薄膜层130的正投影重叠的部分，非重叠部分则为石墨烯薄膜层130重叠区域以外的部分，如此，能够利用石墨烯薄膜层130的非重叠部分，设置顶电极170。
可选的，如图7所示，在衬底110和石墨烯薄膜层130之间还设置有绝缘层120，绝缘层120材质可以是二氧化硅、碳化硅、氟化钙等，通过绝缘层120可以隔离衬底110和石墨烯薄膜层130，便于在偏压结构中充当电容极板中间的电介质。
在一些实施方式中，衬底110的厚度为50nm至100nm，例如80nm。
在一些实施方式中，绝缘层120的厚度为5nm至50nm，例如20nm。
在一些实施方式中，本申请的表面等离激元光调制器的长度可以为400nm至1200nm，例如1000nm；宽度可以为300nm至600nm，例如400nm。
可选的，衬底110可以是用于承载半导体集成电路元器件的基材，例如Si、GaN、GaAs、SiC等中的一种。
本申请实施例的另一方面，提供一种光电器件，包括上述任一种的表面等离激元光调制器，由此，能够通过表面等离激元光调制器中的石墨烯薄膜层130与黑磷薄膜层140形成的范德华异质结，结合栅压的调控，使得石墨烯电导率的虚部调整到正数，从而在石墨烯薄膜层130和黑磷薄膜层140之间的界面激发表面等离激元现象，而后，便可以通过改变黑磷的入射光偏振方向，从而改变整个石墨烯薄膜层130和黑磷薄膜层140形成的异质结构的色散关系，进而实现光强度的调整。
本申请实施例的另一方面，如图7所示，提供一种表面等离激元光调制器的制备方法：
步骤一、将SiO2/Si衬底使用有机溶剂超声清洗，按照丙酮(10-15min)→乙醇(10-20min)→去离子水(20-30min)的顺序进行超声清洗，最后用氮气枪将残留在衬底上的去离子水吹干，得到洁净的SiO2/Si衬底。
步骤二、用化学气相沉积(CVD)的方法在硅片上生长石墨烯薄膜层130，之后在生长石墨烯的一面利用匀胶机旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，并在180℃下烘干5min，随后将其泡入浓的氢氧化钾溶液中约5小时。接下来将悬浮在氢氧化钾溶液上的石墨烯薄膜层130用去离子水洗净，利用镊子去除气泡和杂质后捞出，并在去离子水环境中将其转移至洁净的带有底电极160的SiO2/Si衬底，随后将丙酮溶液利用热板加热至沸点，利用丙酮蒸汽去除二硫化钼层上的PMMA胶，从而得到SiO2/Si衬底上转移有单层石墨烯的结构。
步骤三、利用步骤二同样的步骤可以转移黑磷薄膜层140，得到SiO2/Si衬底上转移有单层石墨烯/黑磷异质结构。
步骤四、在SiO2/Si衬底的Si面处利用电子束蒸发镀膜的方法，镀上Au作为底电极160，得到具有底电极160的SiO2/Si衬底。
步骤五、在单层石墨烯/黑磷异质结构的石墨烯薄膜层130两边(超出黑磷薄膜层140的部分)表面，利用电子束蒸发镀膜的方法，镀上Au，在石墨烯薄膜层130两边分别得到设计好的顶电极170。
步骤六、利用点焊机，将顶电极170与具有底电极160的衬底Si连接，实现电压调控。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种表面等离激元光调制器，其特征在于，包括：衬底；设置于所述衬底上的石墨烯薄膜层；设置于所述石墨烯薄膜层上的黑磷薄膜层，所述石墨烯薄膜层与所述黑磷薄膜层形成范德华异质结；在所述石墨烯薄膜层中设置有掺杂离子，用于调节所述石墨烯薄膜层的电导率；还包括设置于所述石墨烯薄膜层上的顶电极和设置于所述衬底背面的底电极；
所述石墨烯薄膜层的面积大于所述黑磷薄膜层的面积；
所述表面等离激元光调制器的制备方法包括：
将SiO2/Si衬底使用有机溶剂超声清洗，按照丙酮、乙醇、去离子水的顺序进行超声清洗，其中，丙酮的超声清洗时间为10-15min，乙醇的超声清洗时间为10-20min，去离子水的超声清洗时间为20-30min，最后用氮气枪将残留在SiO2/Si衬底上的去离子水吹干，得到洁净的SiO2/Si衬底；
用化学气相沉积的方法在硅片上生长石墨烯薄膜层，之后在生长石墨烯的一面利用匀胶机旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，并在180℃下烘干5min，随后将其泡入浓的氢氧化钾溶液中约5小时，接下来将悬浮在氢氧化钾溶液上的石墨烯薄膜层用去离子水洗净，利用镊子去除气泡和杂质后捞出，并在去离子水环境中将其转移至洁净的SiO2/Si衬底，随后将丙酮溶液利用热板加热至沸点，利用丙酮蒸汽去除石墨烯薄膜层上的聚甲基丙烯酸甲酯，从而得到SiO2/Si衬底上转移有单层石墨烯薄膜层的结构；
用化学气相沉积的方法在硅片上生长黑磷薄膜层，之后在生长黑磷薄膜层的一面利用匀胶机旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯，并在180℃下烘干5min，随后将其泡入浓的氢氧化钾溶液中约5小时，接下来将悬浮在氢氧化钾溶液上的黑磷薄膜层用去离子水洗净，利用镊子去除气泡和杂质后捞出，并在去离子水环境中将其转移至带有单层石墨烯薄膜层的SiO2/Si衬底，随后将丙酮溶液利用热板加热至沸点，利用丙酮蒸汽去除黑磷薄膜层上的聚甲基丙烯酸甲酯，从而得到SiO2/Si衬底上转移有单层石墨烯薄膜层/黑磷薄膜层的范德华异质结构；
在SiO2/Si衬底的Si面处利用电子束蒸发镀膜的方法，镀上Au作为底电极，得到具有底电极的SiO2/Si衬底；
在单层石墨烯薄膜层/黑磷薄膜层范德华异质结构的石墨烯薄膜层两边超出黑磷薄膜层的部分表面，利用电子束蒸发镀膜的方法，镀上Au，在石墨烯薄膜层两边分别得到设计好的顶电极；
利用点焊机，将顶电极与具有底电极的衬底Si连接，实现电压调控。
2.如权利要求1所述的表面等离激元光调制器，其特征在于，在所述衬底和所述石墨烯薄膜层之间还设置有绝缘层。
3.如权利要求1或2所述的表面等离激元光调制器，其特征在于，所述衬底的厚度为50nm至100nm。
4.一种光电器件，其特征在于，包括如权利要求1至3任一项所述的表面等离激元光调制器。
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