[发明专利]一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件及其制备方法

说明书

本发明提供了一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件，包括：自下而上依次设置的衬底，石墨烯层和电极；所述衬底包括至少一个孔结构，用于支撑石墨烯层和电极；所述石墨烯层覆盖在所述衬底的孔结构上，构成悬空石墨烯结构；所述电极用于电学测量和静电调控石墨烯载流子浓度，置于石墨烯层之上。本发明提供一种悬空石墨烯结构上支持的传播等离激元，这种结构可以有效消除石墨烯等离激元的介电损耗，降低等离激元的衰减率。另外，由于空气介电常数很小，悬空石墨烯上的等离激元波长很长，配合其低衰减的特性，可实现长波长的传播距离。

技术领域

本发明涉及表面等离激元领域，特别涉及一种悬空石墨烯传播等离激元器件及其制备方法。

背景技术

石墨烯是一种碳原子按照六边形蜂窝状晶格结构组成的单原子层二维材料，其具有良好的电学性质，包括高的载流子迁移率，双极性载流子特性和易于调谐的载流子浓度等。另外，石墨烯具有优异的力学性质，因此可以支持悬空石墨烯结构稳定存在。

石墨烯上电子谐共振的等离激元可以将入射的光场能量局域在石墨烯的表面，形成沿着石墨烯表面传播的等离激元模式。这种等离激元具有具有高的局域场束缚和易于调谐的优良性质。但是，石墨烯等离激元具有较高的衰减率，主要来自两方面：一是石墨烯中的电子受到声子散射，二是等离激元极化周围介电环境的介电损耗。降低石墨烯等离激元的衰减，实现长距离的传播是将石墨烯等离激元作为波导应用的关键问题。

因此，需要一种能够有效消除石墨烯等离激元的介电损耗，降低等离激元的衰减率，进而实现长距离的传播的悬空石墨烯传播等离激元波导器件及其制备方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件，该器件包括：自下而上依次设置的衬底，石墨烯层和电极；所述衬底包括至少一个孔结构，用于支撑石墨烯层和电极；

所述石墨烯层覆盖在所述衬底的孔结构上，构成悬空石墨烯结构；

所述电极用于电学测量和静电调控石墨烯载流子浓度，置于石墨烯层之上。

优选地，所述衬底的几何尺寸为500μm-5cm，厚度为1μm-5cm；所述孔结构中，孔以阵列形式排布，孔之间的间距为1μm-4cm，孔径为0.5μm-5cm，孔深度为0.1μm到5㎝。

优选地，所述孔结构为盲孔或通孔的结构。所述孔结构的纵切面为台阶状结构，横向切面形状为圆形、椭圆形、三角形、正方形、矩形、五角形结构、正六边形、八角形。

优选地，所述衬底的材料为金属、无机晶体或有机塑料；其中所述金属材料选自铁、铝、铜、金、银、铂、钢；所述无机晶体材料选自硅、石英、蓝宝石、氟化钙、氟化镁、氮化硅、氮化镓。

其中，所述石墨烯层可使用化学掺杂和静电调控掺杂。优选地，所述石墨烯层数可选自1层至10层。

优选地，所述电极的材料选自铬、钛、铁、铝、铜、金、银、铂。

本发明中可通过两种方式激发等离激元，一种是使用中红外散射型扫描近场光学显微镜针尖的散射光可以直接激发等离激元，另一种是入射红外光照射到样品中孔的边界而激发等离激元。其中，使用所述近场光学显微镜针尖扫描悬空样品表面可以获得悬空石墨烯上支持的等离激元波的干涉图案。

根据本发明的另一方面，本发明还提供一种悬空石墨烯传播等离激元波导器件的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：选取衬底，在所述衬底上制备孔结构；所述衬底选用坚固、平整稳定的材料，可选自金属、无机晶体或有机塑料，所述金属可选自Al、Cu、Au、钢，所述无机晶体可选自硅，石英、氟化钙。

优选地，所述衬底选用厚度为300nm二氧化硅结合500μm的硅片。