CN114442207A - 一种范德华异质结负折射聚焦器件 - Google Patents

一种范德华异质结负折射聚焦器件 Download PDF

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Abstract

本发明公开的一种范德华异质结负折射聚焦器件，包括由下至上依次设置的基底层、氧化钼层和石墨烯层；金属天线设置在氧化钼层上以及石墨烯层上；氧化钼层和石墨烯层构成石墨烯氧化钼范德华异质结。本发明通过基于氧化钼和石墨烯的范德华异质结来实现深亚波长负折射。无需复杂的微纳加工过程，能够有效避免反射和散射损耗。氧化钼声子极化激元与石墨烯表面等离激元所形成的混合拓扑极化激元可以通过对石墨烯费米能的调控实现对其色散轮廓的调控，从而实现界面处的深亚波长负折射，在此基础上，通过控制金属天线的位置，实现了全角负折射聚焦。

Description

一种范德华异质结负折射聚焦器件
技术领域
本发明涉及极化激元的负折射聚焦领域，特别是涉及一种范德华异质结负折射聚焦器件。
背景技术
由于折射方向与常规折射方向相反，负折射在光学、电子、声学和磁学中受到了广泛的关注和研究，在亚波长成像和隐身等方面具有极大的应用潜力。在过去的二十年中，负折射的研究是基于金属超材料和介电光子晶体。这些材料是由周期性晶胞阵列组成，具有自然界中不存在的非凡光学特性。然而，超材料受到物理尺寸的限制，其工作范围主要在微波波段。光子晶体能够在纳米尺度操控光，但是其周期性阵列结构的加工过程会引入较大的散射和损耗。此外，金属等离子激元也被提出用于深紫外、可见光和近红外光谱区域的负折射。然而，其较弱的红外响应和严重的欧姆损耗限制了其向中红外波段的扩展。到目前为止，中红外和太赫兹频率的负折射仍然具有挑战性，对深亚波长尺度负折射的直接成像也难以实现。
二维范德华材料由于其能够支持不同类型的极化激元，为纳米尺度操控光带来了新的自由度。最近的理论研究提出了用二维材料中的极化激元来实现深亚波长中红外负折射，例如石墨烯条带或石墨烯-氮化硼面内异质结构的周期性阵列结构。然而，极化激元高度局域的特性限制了通过微纳结构的加工对其色散关系的调控。此外，在折射过程中不可避免地会出现纳米结构对光的反射和散射，从而带来巨大损失，阻碍了理论概念的实现。
发明内容
本发明的目的是提供一种范德华异质结负折射聚焦器件，能够实现界面处的深亚波长负折射。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种范德华异质结负折射聚焦器件，包括由下至上依次设置的基底层、氧化钼层、石墨烯层和金属天线；所述金属天线设置在所述氧化钼层上以及所述石墨烯层上；所述氧化钼层和所述石墨烯层构成石墨烯氧化钼范德华异质结。
可选的，所述基底层材料为金属材料、无机介电材料或有机高分子材料。
可选的，所述氧化钼层的平面几何尺寸为10um-500um；所述氧化钼层的厚度为10nm-1um。
可选的，所述石墨烯层的平面几何尺寸为1um-100um。
可选的，所述金属天线的平面几何尺寸为5nm-30um；所述金属天线的厚度5nm-5um。
可选的，所述范德华异质结负折射聚焦器件还包括金属电极；所述金属电极，设置在所述石墨烯层上，用于对所述石墨烯层施加偏压进而调控石墨烯的载流子浓度。
可选的，所述偏压的范围为0-100V。
可选的，所述载流子浓度范围为0-1×1014cm-2。
一种范德华异质结负折射聚焦器件的制备方法，包括：
选取基底层材料，制备基底层；
制备氧化钼，并将所述氧化钼置于所述基底层上，得到氧化钼层；
制备单层石墨烯，并将所述石墨烯转移到所述氧化钼层上，得到石墨烯层；
在所述氧化钼层上表面与所述石墨烯层的交界线的两侧制备金属天线。
可选的，所述基底层包括由下至上依次设置的硅基底和金基底。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种范德华异质结负折射聚焦器件，包括由下至上依次设置的基底层、氧化钼层和石墨烯层；金属天线设置在氧化钼层上以及石墨烯层上；氧化钼层和石墨烯层构成石墨烯氧化钼范德华异质结。本发明通过基于氧化钼和石墨烯的范德华异质结来实现深亚波长负折射。无需复杂的微纳加工过程，能够有效避免反射和散射损耗。氧化钼声子极化激元与石墨烯表面等离激元所形成的混合拓扑极化激元可以通过对石墨烯费米能的调控实现对其色散轮廓的调控，从而实现界面处的深亚波长负折射，在此基础上，通过控制金属天线的位置，实现了全角负折射聚焦。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种范德华异质结负折射聚焦器件的结构示意图；
图2中的(a)为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件金属天线位于石墨烯边界一侧氧化钼上的光学显微镜图；
图2中的(b)为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件金属天线位于石墨烯边界一侧石墨烯氧化钼异质结上的光学显微镜图；
图3中的(a)为本发明金属天线位于氧化钼上激发声子极化激元传输的实验图和对应的模拟图；
图3中的(b)为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件天线位于石墨烯边界一侧氧化钼上激发声子极化激元传输到石墨烯一侧的实验图和对应的模拟图；
图3中的(c)为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件天线位于石墨烯边界一侧氧化钼石墨烯异质结上激发杂化极化激元传输到无石墨烯一侧的实验图和对应的模拟图；
图4中的(a)为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件天线位于石墨烯边界一侧氧化钼上激发声子极化激元传输到费米能依次为0.1eV、0.3eV、0.5eV的石墨烯一侧的模拟图；
图4中的(b)为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件天线位于石墨烯边界一侧氧化钼石墨烯异质结上，在石墨烯费米能依次为0.1eV、0.3eV、0.5eV时所激发的杂化极化激元传输到无石墨烯一侧的模拟图；
图5中的(a)为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件天线位于石墨烯边界一侧氧化钼上在入射光频率依次为900cm-1、910cm-1、920cm-1时激发声子极化激元传输到石墨烯一侧的实验图；
图5中的(b)为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件天线位于石墨烯边界一侧氧化钼上在入射光频率依次为900cm-1、910cm-1、920cm-1时激发声子极化激元传输到石墨烯一侧的实验图对应的模拟图；
图5中的(c)为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件天线位于石墨烯边界一侧氧化钼石墨烯异质结上在入射光频率依次为900cm-1、910cm-1、920cm-1时激发杂化极化激元传输到无石墨烯一侧的实验图；
图5中的(d)为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件天线位于石墨烯边界一侧氧化钼石墨烯异质结上在入射光频率依次为900cm-1、910cm-1、920cm-1时激发杂化极化激元传输到无石墨烯一侧的实验图对应的模拟图；
图6为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件的制备方法流程图；
图7为本发明的范德华异质结负折射聚焦器件的实施方法流程图。
符号说明：
硅基底—1，金基底—2，氧化钼层—3，金属天线—4，入射红外光—5，中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖—6，石墨烯层—7，金属电极—8。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种范德华异质结负折射聚焦器件，能够实现界面处的深亚波长负折射。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件，包括由下至上依次设置的基底层、氧化钼层3、石墨烯层7和金属天线4；金属天线4设置在氧化钼层3上以及石墨烯层7上；氧化钼层3和石墨烯层7构成石墨烯氧化钼范德华异质结。为了表示负折射的过程，只在图1中画出了天线在氧化钼一侧的情况。
具体的，本发明提供了一种范德华异质结负折射聚焦器件，通过构造石墨烯氧化钼范德华异质结实现了二维平面内的负折射，通过改变天线激发位置，实现了全角负折射聚焦，并通过入射光频率和石墨烯载流子浓度的控制实现了入射角、折射角和焦点的调控。
进一步的，通过化学掺杂或电学栅压动态调控石墨烯的载流子浓度；水平偏振红外光照射金属天线4激发极化激元。极化激元传输至石墨烯边界处，由于色散变化导致能量传输方向产生负折射现象，从而引起极化激元的聚焦。
激发极化激元的方法包括：使用中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖6的散射光直接激发极化激元或使用入射红外光5照射到天线由天线共振或边界散射光激发极化激元。
如图2中的(a)所示，本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件金属天线位于石墨烯边界一侧氧化钼上的光学显微镜图。如图2中的(b)所示，本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件金属天线位于石墨烯边界一侧石墨烯氧化钼异质结上的光学显微镜图。
具体的，基底层材料为金属材料、无机介电材料或有机高分子材料。
进一步的，金属材料包括铁、铝、铜、金、银、铂、钢。无机介电材料包括二氧化硅、硅、石英、蓝宝石、锗、氧化铝、氮化硼、氟化钙、氟化镁、砷化镓、氮化镓。有机高分子材料包括PET、PMMA、PDMS和塑料。
本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件的基底层包括由下至上依次设置的硅基底1和金基底2。
具体的，氧化钼层3的平面几何尺寸为10um-500um；氧化钼层3的厚度为10nm-1um。
具体的，石墨烯层7的平面几何尺寸为1um-100um。
具体的，金属天线4的平面几何尺寸为5nm-30um；金属天线4的厚度5nm-5um。
进一步的，金属天线4材料包括铁、铝、铜、金、银、铂、钢。金属天线4形状包括棒状，长方体，椭球体，圆盘。本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件的金属天线4的形状为棒状。
具体的，范德华异质结负折射聚焦器件还包括金属电极8；金属电极8，设置在石墨烯层7上，用于对石墨烯层7施加偏压进而调控石墨烯的载流子浓度。
进一步的，偏压的范围为0-100V。对石墨烯层7施加偏压形成电学栅压结构。载流子浓度范围为0-1×1014cm-2。
其中，如图3中的(a)所示，本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件在入射波数为893cm-1时，金属天线激发氧化钼声子极化激元在氧化钼上的传输实验图像和相应的实空间模拟图。第一张图为传输实验图像，第二张图为相应的实空间模拟图。
如图3中的(b)所示，本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件在入射波数为893cm-1时，金属天线激发氧化钼声子极化激元传输到氧化钼石墨烯异质结区域实验图像和相应的实空间模拟图。第一张图为实验图像，第二张图为相应的实空间模拟图。
如图3中的(c)所示，本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件在入射波数为893cm-1时，金属天线激发氧化钼石墨烯异质结杂化极化激元传输到氧化钼区域的近场实验图像和相应的实空间模拟图。第一张图为近场实验图像，第二张图为相应的实空间模拟图。
如图3中(a)图、(b)图和(c)图所示，从实验图像和模拟图像能够看出，对比与声子极化激元在本征氧化钼中的传输，声子极化激元在氧化钼石墨烯异质结界面的传输发生了明显的负折射现象，从而在石墨烯中引起聚焦。其中，入射光波数为893cm-1，石墨烯费米能为0.5eV。
如图4中(a)图和(b)图所示，能够得到本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件在金属天线位于不同位置时的负折射受石墨烯费米能调控的情况。具体的，通过对石墨烯费米能的调控实现了对石墨烯色散轮廓的调控，进而实现了在氧化钼石墨烯异质结界面处的深亚波长负折射。进一步的，石墨烯费米能越高，在氧化钼石墨烯异质结界面处的深亚波长负折射越明显。
如图5中(a)图-(d)图所示，能够得到本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件在金属天线位于不同位置时的负折射受入射光频率调控的情况。具体的，从实验和相应的模拟图中能够得到在石墨烯费米恒定能为0.5eV时，入射光频率对负折射效应入射角、折射角以及聚焦距离的调控效果。进一步的，在石墨烯费米恒定能为0.5eV时，入射光频率越高，在氧化钼石墨烯异质结界面处的深亚波长负折射的入射角越大，折射角越大，聚焦距离越小。
如图6所示，本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件的制备方法，包括：
步骤S1：选取基底层材料，制备基底层。
具体的，基底层包括由下至上依次设置的硅基底和金基底。
步骤S2：制备氧化钼，并将氧化钼置于基底层上，得到氧化钼层。
步骤S3：制备单层石墨烯，并将石墨烯转移到氧化钼层上，得到石墨烯层。
步骤S4：在氧化钼层上表面与石墨烯层的交界线的两侧制备金属天线。
如图7所示，本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件的的实施方法包括以下步骤：
步骤101：选取基底层材料，并制备基底层。基底层材料可为任意平整的金属材料、无机介电材料和有机高分子材料等。金属材料包括：铁、铝、铜、金、银、铂、钢。无机介电材料包括二氧化硅、硅、石英、蓝宝石、锗、氧化铝、氮化硼、氟化钙、氟化镁、砷化镓、氮化镓。有机高分子材料包括PET、PMMA、PDMS和塑料。
步骤102：制备氧化钼层，并将氧化钼置于上述基底层上。氧化钼的晶面取向为(010)，氧化钼薄层的平面几何尺寸为10um-500um，厚度为10nm-1um。
步骤103：制备单层石墨烯，并将石墨烯条带转移到氧化钼上。石墨烯的平面几何尺寸为1um-100um；在氧化钼石墨烯异质结界面处，距氧化钼边界尺寸为5um-250um。
步骤104：选择天线的材料、形状和尺寸，在氧化钼石墨烯异质结界面两侧的氧化钼层和石墨烯层上覆盖金属天线。金属天线距离氧化钼石墨烯异质结界面尺寸为5nm-10um。
具体的，金属天线材料包括：铁、铝、铜、金、银、铂、钢。金属天线形状包括：棒状，长方体，椭球体，圆盘。金属天线几何尺寸为5nm-30um，厚度5nm-5um，距离石墨烯边界5nm-10um。具体的，金属天线形状为棒状。
步骤105：选择水平偏振光入射到金属天线上，激发极化激元。
具体的，水平偏振光为入射红外光；入射的水平偏振光集中在红外区域，红外区域的主要波数为545-1200cm-1。
步骤106：改变化学掺杂时间或者电学栅压大小，调整石墨烯载流子浓度，得到不同入射能量角度的极化激元负折射聚焦图像。
具体的，能够通过调整电学栅压的大小调整石墨烯载流子浓度，也能够通过化学掺杂调整石墨烯载流子浓度。
进一步的，本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件调整石墨烯载流子浓度采用的是通过调整电学栅压的大小来实现对石墨烯载流子浓度的调整。
具体的，激发极化激元的方法包括：使用中红外散射型扫描进场光学显微镜针尖的散射光直接激发极化激元或使用入射红外光照射到天线由天线共振或边界散射光激发极化激元。
本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件的实现负折射聚焦原理如下所述：
通过化学掺杂或电学栅压动态调控石墨烯的载流子浓度；水平偏振红外光照射金属天线激发极化激元。极化激元传输至石墨烯边界处，由于色散变化导致能量传输方向产生负折射现象，从而引起极化激元的聚焦。通过改变入射光频率以及石墨烯载流子浓度调控极化激元的色散，从而实现异质结负折射入射和折射角度以及聚焦焦点的调控。
本发明提供的范德华异质结负折射聚焦器件器件具有如下优点：
(1)该器件实现了中红外光在二维平面内的深亚波长全角负折射，器件尺寸小，易于集成；(2)该器件利用单原子层石墨烯作为负折射界面，能有效避免界面反射、散射带来的损耗；(3)该器件通过化学掺杂或者电学栅压调控石墨烯载流子浓度，实现了原位动态调控；(4)该器件选用的是天然材料氧化钼与石墨烯，通过构造异质结实现负折射，无需复杂的微纳结构加工过程，有效避免加工过程中引入缺陷所带来的损耗。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种范德华异质结负折射聚焦器件，其特征在于，包括由下至上依次设置的基底层、氧化钼层、石墨烯层和金属天线；所述金属天线设置在所述氧化钼层上以及所述石墨烯层上；所述氧化钼层和所述石墨烯层构成石墨烯氧化钼范德华异质结。
2.根据权利要求1所述的范德华异质结负折射聚焦器件，其特征在于，所述基底层材料为金属材料、无机介电材料或有机高分子材料。
3.根据权利要求1所述的范德华异质结负折射聚焦器件，其特征在于，所述氧化钼层的平面几何尺寸为10um-500um；所述氧化钼层的厚度为10nm-1um。
4.根据权利要求1所述的范德华异质结负折射聚焦器件，其特征在于，所述石墨烯层的平面几何尺寸为1um-100um。
5.根据权利要求1所述的范德华异质结负折射聚焦器件，其特征在于，所述金属天线的平面几何尺寸为5nm-30um；所述金属天线的厚度5nm-5um。
6.根据权利要求1所述的范德华异质结负折射聚焦器件，其特征在于，所述范德华异质结负折射聚焦器件还包括金属电极；所述金属电极，设置在所述石墨烯层上，用于对所述石墨烯层施加偏压进而调控石墨烯的载流子浓度。
7.根据权利要求6所述的范德华异质结负折射聚焦器件，其特征在于，所述偏压的范围为0-100V。
8.根据权利要求6所述的范德华异质结负折射聚焦器件，其特征在于，所述载流子浓度范围为0-1×1014cm-2。
9.一种范德华异质结负折射聚焦器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法应用于权利要求1-8任意一项所述的范德华异质结负折射聚焦器件，所述制备方法包括：
选取基底层材料，制备基底层；
制备氧化钼，并将所述氧化钼置于所述基底层上，得到氧化钼层；
制备单层石墨烯，并将所述石墨烯转移到所述氧化钼层上，得到石墨烯层；
在所述氧化钼层上表面与所述石墨烯层的交界线的两侧制备金属天线。
10.根据权利要求9所述的范德华异质结负折射聚焦器件的制备方法，其特征在于，所述基底层包括由下至上依次设置的硅基底和金基底。
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