WO2022021330A1

WO2022021330A1 - 一种平面透镜聚焦器件及调控焦距的方法

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Publication number: WO2022021330A1
Application number: PCT/CN2020/106212
Authority: WO
Inventors: 戴庆; 胡海; 陈娜; 滕汉超; 胡德波; 秦亚灵
Original assignee: 国家纳米科学中心
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2022-02-03

Abstract

一种平面透镜聚焦器件包括，基底层（101，201），在基底层（101，201）上侧布置一层氧化钼薄层（102，202），在基底层（101，201）的下侧布置硅衬底（204），在氧化钼薄层（102，202）的上侧覆盖金属天线（103，203），或者在氧化钼薄层（102，202）下侧与基底层（101，201）之间嵌入金属天线（103，203），在氧化钼薄层（102，202）上层覆盖石墨烯层（205）；石墨烯层（205）与硅衬底（204）接通电压，金属天线（103，203）激发双曲声子激元，通过电压改变石墨烯层（205）的费米能级，调整纳米聚焦的焦距。在石墨烯层（205）与硅衬底（204）之间接通电压，通过改变电压进而改变石墨烯层（205）的费米能级，动态调控焦距的位置，从而实现平面透镜聚焦的焦距调整，简单易行，且使用的范围广，成本低。

Description

一种平面透镜聚焦器件及调控焦距的方法

技术领域

本发明涉及纳米聚焦技术领域，特别涉及一种平面透镜聚焦器件及调整纳米聚焦的焦距的方法。

背景技术

氧化钼是一种双轴材料且具有强烈的各向异性。其在不同剩余射线带内，沿不同光轴的介电函数相反，产生的声子激元具有明显的平面双曲特性，可以控制光沿在某一特殊方向传播，因而在纳米光学中控制与调控光领域具有重要的应用。

双曲声子激元是一类特殊的激元，相比较其他传导类型的激元(如等离激元，激子激元)，其具有明显的各向异性以及低损耗特性。在现有技术中，依靠天然氧化钼材料可以实现片内双曲声子激元的激发。

石墨烯是SP ²杂化形成蜂窝状晶格结构的单原子层二维材料，具有线性能带结构。石墨烯的最大优势在于具有电学可调的载流子浓度，动态改变介电函数。

构建平面透镜，实现纳米聚焦对于微纳光学，光控制与调节领域具有重要的应用价值。现有技术中，人们主要依靠超结构，表面构造纳米聚焦的透镜。但是由于微纳加工的影响，会造成较大的光损耗，且由于尺寸的影响，聚集光的范围比较窄。此外，依靠超结构，表面构造纳米聚焦的透镜，制造的成本较高，不利于实际生产应用。

因此，为了解决上述问题，需要一种平面透镜聚焦器件及调整纳米聚焦的焦距的方法，实现降低损耗且简单易行的进行焦距调控。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种平面透镜聚焦器件,所述器件包括，基底层，在所述基底层上布置一层氧化钼薄层；

在所述氧化钼薄层的一侧覆盖金属天线；散射光或红外光照射所述金属天线激发双曲声子激元，通过改变金属天线的尺寸或入射光的波长，调整纳米聚焦的焦距。

优选地，所述基底层材料为无机介电材料或有机高分子材料。

优选地，所述氧化钼薄层的平面几何尺寸为1μm-50μm，厚度为2nm-500nm；所述金属天线的几何尺寸为10nm-30μm，厚度为20nm-5μm。

本发明的另一个目的在于提供一种平面透镜聚焦器件制备方法，所述方法包括：

制备氧化钼薄层；

选择天线的形状与尺寸，制作金属天线；

选择基底层材料，并制备基底层，将氧化钼薄层贴合在所述基底层上，在所述氧化钼薄层上一侧覆盖所述金属天线。

本发明的另一个目的在于提供一种平面透镜聚焦器件调整纳米聚焦的焦距的方法，所述方法包括：

步骤1)，通过中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光直接照射金属天线，激发氧化钼声子激元；

得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤2)，改变金属天线尺寸，重复步骤1)，得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤3)，重复步骤2)，直至焦距调整到合适的位置。

步骤a)，使用入射红外光照射所述金属天线，在金属天线边界处激发声子激元；

得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤b)，改变入射红外光的波数，重复步骤a)得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤c)，重复步骤b)，直至焦距调整到合适的位置。

本发明的另一个目的在于提供一种平面透镜聚焦器件，所述器件包括，基底层，在所述基底层上侧布置一层氧化钼薄层，在所述基底层的下侧布置硅衬底；

在所述氧化钼薄层的上侧覆盖金属天线，或者在所述氧化钼薄层下侧与基底层之间嵌入金属天线，在氧化钼薄层上层覆盖石墨烯层；

所述石墨烯层与所述硅衬底接通电压，金属天线激发双曲声子激元，通过电压改变石墨烯层的费米能级，调整纳米聚焦的焦距。

优选地，所述氧化钼薄层的平面几何尺寸为1μm-500μm，厚度为2nm-5000nm；所述金属天线的几何尺寸为10nm-300μm，厚度为20nm-50μm。

优选地，所述石墨烯层的平面几何尺寸为1μm-500μm，厚度为0.35nm-100nm；

本发明的另一个目的在于提供一种平面透镜聚焦器件的制备方法，所述方法包括：

制备氧化钼薄层；

选择天线的形状与尺寸，制作金属天线；

选择基底层材料，并制备基底层，将基底层贴合于硅衬底上，氧化钼薄层贴合在所述基底层上，所述氧化钼薄层上侧覆盖所述金属天线或所述氧化钼薄层下侧覆盖所述金属天线；

在所述氧化钼薄层上侧覆盖石墨烯层。

本发明的另一个目的在于提供一种利用平面透镜聚焦器件调整纳米聚焦的焦距的方法，所述方法包括：

步骤1)，在石墨烯层与硅衬底接通电压，金属天线激发声子激元；

得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤2)，改变石墨烯层与硅衬底之间的电压，重复步骤1)，得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤3)，重复步骤2)，直至焦距调整到合适的位置。

本发明提供的一种平面透镜聚焦器件及调整纳米聚焦的焦距的方法，在基底层下侧布置硅衬底，在氧化钼薄层上侧覆盖石墨烯层，在石墨烯层与硅衬底之间接通电压，通过改变电压进而改变石墨烯层的费米能级，动态调控焦距的位置，从而实现平面透镜聚焦的焦距调整。本发明简单易行，且使用范围广，成本低。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示意性示出了本发明一种平面透镜聚焦器件的结构示意图。

图2示出了本发明一种平面透镜聚焦器件聚焦的实验图像和模拟图像。

图3示出了本发明一种平面透镜聚焦器件的不同尺寸的金属天线的光学显微镜照片。

图4示出了本发明一种平面透镜聚焦器件的不同尺寸的金属天线对应的聚焦图像。

图5示出了本发明一种平面透镜聚焦器件的三组金属天线尺寸在不同入射波数照射下的聚焦图像。

图6示出了本发明一种平面透镜聚焦器件不同入射波数与焦距的关系示意图。

图7示出了本发明一个实施例中一种平面透镜聚焦器件调整纳米聚焦的焦距的方法流程图。

图8示出了本发明另一个实施例中一种平面透镜聚焦器件的结构示意图。

图9示出了图8中一种平面透镜聚焦器件的俯视图。

图10示出了本发明另一个实施例中一种平面透镜聚焦器件的不同电压下对应的聚焦图像。

图11示出了本发明另一个实施例中一种平面透镜聚焦器件不同费米能级与焦距的关系示意图。

图12示出了本发明在另一个实施例中一种平面透镜聚焦器件调整纳米聚焦的焦距的方法流程图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例，相关技术术语应当是本领域技术人员所熟知的。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤，除非另有说明。

实施例一。

如图1所示本发明一种平面透镜聚焦器件的结构示意图，根据本发明的实施例，一种平面透镜聚焦器件包括，基底层101，在基底层101上布置一层氧化钼薄层102。在氧化钼薄层102的一侧覆盖金属天线103，散射光或红外光照射金属天线103激发双曲声子激元，通过改变金属天线的尺寸或入射光的波长，调整纳米聚焦的焦距f。

在一些实施例中，通过中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖105的散射光直接照射金属天线103，激发氧化钼声子激元。

在另一些实施例中，使用入射红外光104照射金属天线103，在金属天线103边界处激发声子激元。

根据本发明的实施例，基底层101材料为无机介电材料或有机高分子材料。例如，在一些实施例中，无机介电材料可以选自二氧化硅、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。在一些实施例中，有机高分子材料可以选自PET、PMMA、PDMS和塑料。

氧化钼晶面取向为(010)，根据本发明的实施例，氧化钼薄层102的平面几何尺寸为1μm-500μm，厚度为2nm-5000nm。例如氧化钼薄层102的长度范围为1μm-500μm，宽度范围为1μm-500μm。

金属天线103材料可以选择铁、铝、铜、金、银、铂、钢。金属天线103形状可以为圆形，半圆形，椭圆形，半椭圆形，金属天线103的几何尺寸为10nm-300μm，厚度为20nm-50μm。

本实施例中示例性的以圆形金属天线(圆盘)为例，金属天线的直径为10nm-300μm，厚度为20nm-50μm。

通过激发氧化钼中双曲声子激元，依靠金属天线实现平面透镜聚焦，通过改变金属天线的尺寸或者入射光的波数动态调控焦距。激发氧化钼所使用的入射的电磁波集中在红外区域，区域主要波数为545-980cm ^-1。

根据本发明的实施例，一种平面透镜聚焦器件器件的制备方法，包括：

制备氧化钼薄层；

选择天线的形状与尺寸，制作金属天线；

下面通过具体的实验和模拟对本发明提供的一种平面透镜聚焦器件器件的聚焦进行分析。

如图2所示本发明一种平面透镜聚焦器件聚焦的实验图像和模拟图像。

本发明提供的一种平面透镜聚焦器件通过金属天线来激发氧化钼的声子激元从而进行平面聚焦，在图2中，(a)为在入射波数为900cm ^-1下，直径为2.4um金属天线(圆盘)的实验图像，f为图像显示的焦距。(b)为在入射波数为900cm ^-1下，直径为2.4um金属天线(半圆盘)的实验图像，f为图像显示的焦距。

实施例中，使用COMSOL软件进行仿真模拟，在图2中，(c)为在入射波数为900cm ^-1下，直径为2.4um金属天线(圆盘)的模拟图像，f为图像显示的焦距。(d)为在入射波数为900cm ^-1下，直径为2.4um金属天线(半圆盘)的模拟图像，f为图像显示的焦距。

如图3所述本发明一种平面透镜聚焦器件的不同尺寸的金属天线的光学显微镜照片。实施例中，通过光纤显微镜拍摄直径为0.5μm-22μm的金属天线的图片，图3中右侧圆形白色的区域是金属天线，左侧是金属天线的直径大小。

如图4所示本发明一种平面透镜聚焦器件的不同尺寸的金属天线对应的聚焦图像。实施例中，在红外光照射下，不同金属天线尺寸大小下，进行声子激元聚焦。图4中左侧为金属天线尺寸与聚焦尺寸的关系，右侧对应不同金属天线的平面透镜聚焦图像。

根据图4，通过逐渐减小金属天线直径，聚焦的焦距逐渐减小，焦点越来越靠近金属天线边界。因此本发明提供的一种平面透镜聚焦器件可通过调整圆盘直径，进而调节焦距，效果非常明显。

如图5所示本发明一种平面透镜聚焦器件的三组金属天线尺寸在不同入射波数照射下的聚焦图像。实施例中给出三组不同金属天线直径下不同入射波数的平面透镜的聚焦图像。可以明显看到，随着波数的增加，焦距逐渐变小。

图6示出了本发明一种平面透镜聚焦器件不同入射波数与焦距的关系示意图。以金作为金属天线，金属天线直径分别为100nm、255nm和450nm三组尺寸，随着入射光波数的增加，焦距逐渐变小。

本发明提供的一种平面透镜聚焦器件，通过激发氧化钼中双曲声子激元，依靠金属天线实现平面透镜聚焦，通过改变金属天线的尺寸或者入射光的波数动态调控焦距。

根据本发明的一个实施例，通过改变金属天线的尺寸调整纳米聚焦的焦距，具体地，一种利用平面透镜聚焦器件调整纳米聚焦的焦距的方法，包括：

步骤1、制备氧化钼薄层。

步骤2、选择天线的形状与尺寸，制作金属天线。

步骤3、选择基底层材料，并制备基底层，将氧化钼薄层贴合在所述基底层上，在所述氧化钼薄层上一侧覆盖所述金属天线(金属圆盘)。

步骤4、，通过中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光直接照射金属天线，激发氧化钼声子激元。

步骤5、得到电场分布，测量焦距的长度。

步骤6、，改变金属天线尺寸，重复步骤4，得到电场分布，测量焦距的长度。

步骤7、，重复步骤6，直至焦距调整到合适的位置。

在一些优选的实施例中，制备的金属天线的尺寸大小(圆盘直径大小)变化是连续的，以对焦距进行连续调控。

图7示出了本发明在一个实施例中一种平面透镜聚焦器件调整纳米聚焦的焦距的方法流程图。根据本发明的一个实施例，通过改变红外光的入射光波数调整纳米聚焦的焦距，具体地，一种利用平面透镜聚焦器件调整纳米聚焦的焦距的方法，包括：

步骤S101、制备氧化钼薄层。

步骤S102、选择天线的形状与尺寸，制作金属天线。

步骤S103、选择基底层材料，并制备基底层，将氧化钼薄层贴合在所述基底层上，在所述氧化钼薄层上一侧覆盖所述金属天线(金属圆盘)。

步骤S104、使用入射红外光照射所述金属天线，在金属天线边界处激发声子激元。

步骤S105、得到电场分布，测量焦距的长度。

根据本发明的实施例，在得到测量焦距的长度后，还包括：

步骤S106、改变入射红外光的波数，重复步骤S104得到电场分布，测量焦距的长度。

步骤S107、重复步骤S106，直至焦距调整到合适的位置。

实施例二。

如图8所示本发明另一个实施例中一种平面透镜聚焦器件的结构示意图。根据本发明，在本实施例中，一种平面透镜聚焦器件包括，基底层201，在基底层201上侧布置一层氧化钼薄层202，在基底层201的下侧布置硅衬底204。

在氧化钼薄层202的上侧覆盖金属天线203，或者在氧化钼薄202下侧与基底层201之间嵌入金属天线203，在氧化钼薄层202上层覆盖石墨烯层205。

本实施例中，示例性的在氧化钼薄202下侧与基底层201之间嵌入金属天线203，同样地，在一些实施例中，可以在氧化钼薄层202的上侧覆盖金属天线203。

石墨烯层205与硅衬底204接通电压，金属天线203激发双曲声子激元，通过电压改变石墨烯层205的费米能级，调整纳米聚焦的焦距。

如图9所示图8中一种平面透镜聚焦器件的俯视图，为了方便显示金属天线和氧化钼薄层，图9中省去了石墨烯层。

在石墨烯层与硅衬底接通电压，金属天线203激发双曲声子激元，通过电压改变石墨烯层205的费米能级，调整纳米聚焦的焦距f。

根据本发明的实施例，基底层201材料为无机介电材料或有机高分子材料。例如，在一些实施例中，无机介电材料可以选自二氧化硅、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。在一些实施例中，有机高分子材料可以选自PET、PMMA、PDMS和塑料。

氧化钼晶面取向为(010)，根据本发明的实施例，氧化钼薄层202的平面几何尺寸为1μm-500μm，厚度为2nm-5000nm。例如氧化钼薄层202的长度范围为1μm-500μm，宽度范围为1μm-500μm。

金属天线203材料可以选择铁、铝、铜、金、银、铂、钢。金属天线203形状可以为圆形，半圆形，椭圆形，半椭圆形，金属天线203的几何尺寸为10nm-300μm，厚度为20nm-50μm。

石墨烯层的平面几何尺寸为1μm-500μm，厚度为0.35nm-100nm。

根据本发明的实施例，一种平面透镜聚焦器件的制备方法，包括：

制备氧化钼薄层；

选择天线的形状与尺寸，制作金属天线；

在所述氧化钼薄层上侧覆盖石墨烯层。

下面对本发明提供的一种平面透镜聚焦器件的聚焦进行分析，如图10所示本发明另一个实施例中一种平面透镜聚焦器件的不同电压下对应的聚焦图像，实施例中，使用COMSOL软件进行仿真模拟，在石墨烯层与硅衬底之间施加不同的电压，改变石墨烯的费米能级，从0.1eV到0.5eV之间变化，进而使平面透镜聚焦器件的纳米聚焦的焦距发生改变。

如图11所示本发明另一个实施例中一种平面透镜聚焦器件不同费米能级与焦距的关系示意图，施加电压增加，石墨烯费米能级增加，焦距变长，随着电压的升高，石墨烯费米能级越高，焦距越长。

如图12所示本发明在另一个实施例中一种平面透镜聚焦器件调整纳米聚焦的焦距的方法流程图，根据本发明的实施例，通过改变施加在石墨烯层与硅衬底之间的电压，调整纳米聚焦的焦距。具体地，一种利用平面透镜聚焦器件调整纳米聚焦的焦距的方法，方法包括：

步骤S201、制备氧化钼薄层。

步骤S202、选择天线的形状与尺寸，制作金属天线。

步骤S203、选择基底层材料，并制备基底层，将基底层贴合于硅衬底上，氧化钼薄层贴合在所述基底层上，氧化钼薄层上侧覆盖金属天线或氧化钼薄层下侧覆盖金属天线，在所氧化钼薄层上侧覆盖石墨烯层。

步骤S204、在石墨烯层与硅衬底接通电压，金属天线激发双曲声子激元。

步骤S205、得到电场分布，测量焦距的长度。

根据本发明的实施例，在得到测量焦距的长度后，还包括：

步骤S206，改变石墨烯层与硅衬底之间的电压，重复步骤S204，得到电场分布，测量焦距的长度。

步骤S207，重复步骤S206，直至焦距调整到合适的位置。

本发明提供的一种平面透镜聚焦器件及调整纳米聚焦的焦距的方法，通过控制金属天线的尺寸大小或者入射红外光的波数，调控声子激元的波矢大小，从而实现调控焦距的位置。

本发明提供的一种平面透镜聚焦器件及调整纳米聚焦的焦距的方法，改变金属天线的尺寸大小，可以调控焦点的位置。

本发明提供的一种平面透镜聚焦器件及调整纳米聚焦的焦距的方法，依靠入射红外光波数的变化，也可以动态调控焦距的位置，从而实现平面透镜聚焦的焦距。本发明简单易行，且使用范围广，成本低。

本发明提供的一种平面透镜聚焦器件及调整纳米聚焦的焦距的方法，在基底层下侧布置硅衬底，在氧化钼薄层上侧覆盖石墨烯层，在石墨烯层与硅衬底之间接通电压，通过改变电压进而改变石墨烯层的费米能级，动态调控焦距的位置，从而实现平面透镜聚焦的焦距调控。本发明简单易行，且范围更广，成本更低。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims

一种平面透镜聚焦器件，其特征在于，所述器件包括，基底层，在所述基底层上布置一层氧化钼薄层；

在所述氧化钼薄层的一侧覆盖金属天线；散射光或红外光照射所述金属天线激发双曲声子激元，通过改变金属天线的尺寸或入射光的波长，调整纳米聚焦的焦距。
根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述基底层材料为无机介电材料或有机高分子材料。
根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述氧化钼薄层的平面几何尺寸为1μm-50μm，厚度为2nm-500nm；所述金属天线的几何尺寸为10nm-30μm，厚度为20nm-5μm。
一种权利要求1至3任一权利要求所述器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

制备氧化钼薄层；

选择天线的形状与尺寸，制作金属天线；

选择基底层材料，并制备基底层，将氧化钼薄层贴合在所述基底层上，在所述氧化钼薄层上一侧覆盖所述金属天线。
一种利用权利要求1至3中任一权利要求所述器件调整纳米聚焦的焦距的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1)，通过中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光直接照射金属天线，激发氧化钼声子激元；

得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤2)，改变金属天线尺寸，重复步骤1)，得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤3)，重复步骤2)，直至焦距调整到合适的位置。
一种利用权利要求1至3中任一权利要求所述器件调整纳米聚焦的焦距的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤a)，使用入射红外光照射所述金属天线，在金属天线边界处激发声子激元；

得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤b)，改变入射红外光的波数，重复步骤a)得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤c)，重复步骤b)，直至焦距调整到合适的位置。
一种平面透镜聚焦器件，其特征在于，所述器件包括，基底层，在所述基底层上侧布置一层氧化钼薄层，在所述基底层的下侧布置硅衬底；

在所述氧化钼薄层的上侧覆盖金属天线，或者在所述氧化钼薄层下侧与基底层之间嵌入金属天线，在氧化钼薄层上层覆盖石墨烯层；

所述石墨烯层与所述硅衬底接通电压，金属天线激发双曲声子激元，通过电压改变石墨烯层的费米能级，调整纳米聚焦的焦距。
根据权利要求7所述的器件，其特征在于，所述氧化钼薄层的平面几何尺寸为1μm-500μm，厚度为2nm-5000nm；所述金属天线的几何尺寸为10nm-300μm，厚度为20nm-50μm；所述石墨烯层的平面几何尺寸为1μm-500μm，厚度为0.35nm-100nm。
一种权利要求7至8任一权利要求所述器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

制备氧化钼薄层；

选择天线的形状与尺寸，制作金属天线；

选择基底层材料，并制备基底层，将基底层贴合于硅衬底上，氧化钼薄层贴合在所述基底层上，所述氧化钼薄层上侧覆盖所述金属天线或所述氧化钼薄层下侧覆盖所述金属天线，

在所述氧化钼薄层上侧覆盖石墨烯层。
一种利用权利要求7至8中任一权利要求所述器件调整纳米聚焦的焦距的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1)，在石墨烯层与硅衬底接通电压，金属天线激发声子激元；

得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤2)，改变石墨烯层与硅衬底之间的电压，重复步骤1)，得到电场分布，测量焦距的长度；

步骤3)，重复步骤2)，直至焦距调整到合适的位置。