[发明专利]基于二氧化钒相变动态可调的蝴蝶结纳米天线装置及方法

说明书

本发明公开一种基于二氧化钒相变动态可调的蝴蝶结纳米天线装置，包括：形成于衬底上的二氧化钒薄膜；形成在二氧化钒薄膜上的介质薄膜；以及由周期性排布于介质薄膜上的蝴蝶结金属单元组成的金属天线层；所述蝴蝶结金属单元被构造为由两个镜向对称的结构组成。进一步，还公开了该蝴蝶结纳米天线装置的制备方法以及纳米天线共振波长的调节方法。通过本发明可实现在近红外较大波长范围内对其共振波长的动态调控，可应用在动态可调高次谐波、动态可调分子荧光、动态可调拉曼散射、动态可调纳米激光等领域。

技术领域

本发明属于纳米天线技术领域，具体涉及一种基于二氧化钒相变动态可调的纳米天线技术。

背景技术

在过去的二十年里等离激元纳米天线得到了广泛的研究。这些人工微纳结构可以将电磁场压缩到亚波长尺度，并向远场释放电磁辐射。到目前为止人们已经设计了各种类型的纳米天线来实现不同的目的，包括单个纳米球和纳米棒，纳米球和纳米棒二聚体，八木纳米天线,以及蝴蝶结纳米天线。在这些纳米结构中，蝴蝶结纳米天线吸引了广泛的研究，由于蝴蝶结结构中局域表面等离激元以及两端之间的耦合特性，其具有优越的场局域和场增强性质，因此，蝴蝶结纳米天线可用来实现高次谐波，单分子荧光增强，拉曼增强和纳米激光等。

最近几年动态可调等离激元纳米天线吸引了广泛的关注。通过将等离激元纳米天线和动态可调材料结合，可以通过改变电压或温度动态调节等离激元纳米天线的光学性质。尽管人们已经研究了各种共振波长动态可调的可调纳米天线，但已有可调纳米天线具有各自局限性。比如：基于石墨烯或锗锑碲的可调纳米天线只能在中红外波长范围工作，无法在可见和近红外波长范围工作；基于液晶的可调纳米天线在可见和近红外波长范围动态调节范围比较窄。但由于大部分等离激元纳米天线工作波长在可见和近红外，发展在可见和近红外波段宽的动态调节范围非常重要。而为了实现这一目标需要寻找在可见和近红外波段光学性质变化比较大的动态可调材料。

二氧化钒的光学性质在近红外波段相变前后变化较大。其在68℃左右发生绝缘体-金属相变，同时晶体结构也由单斜相转变为金红石相。二氧化钒相变是一级相变，并且是可逆的，已广泛应用于场效应晶体管，动态可调等离激元结构色和偏振器，动态可调超构材料，以及波导开关等。但基于二氧化钒的可调纳米天线的研究比较少，特别是基于二氧化钒的可调蝴蝶结纳米天线目前仍然没有得到研究。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于二氧化钒相变动态可调的蝴蝶结纳米天线装置及其制备方法以及纳米天线共振波长的调节方法，实现在近红外较大波长范围内对其共振波长的动态调控。

具体技术方案如下：

方案一：一种基于二氧化钒相变动态可调的蝴蝶结纳米天线装置，包括：形成于衬底上的二氧化钒薄膜；形成在二氧化钒薄膜上的介质薄膜；以及由周期性排布于介质薄膜上的蝴蝶结金属单元组成的金属天线层；所述蝴蝶结金属单元被构造为由两个镜向对称的结构组成。

优选的，所述结构为等腰三角形、等边三角形、等腰梯形或扇形。

优选的，所述二氧化钒薄膜的厚度为50～200nm，所述介质薄膜的厚度为10～50nm，所述金属天线层的厚度为20～100nm；所述结构之间的间隙为5～80nm；所述蝴蝶结金属单元的排列周期为500～1000nm；所述结构中，轴对称的两边的边长为100～400nm。

优选的，所述二氧化钒薄膜的厚度为90～110nm，所述介质薄膜的厚度为20～40nm，所述金属天线层的厚度为40～60nm；所述结构之间的间隙为10～60nm；所述蝴蝶结金属单元的排列周期为600～800nm；所述结构中，轴对称的两边的边长为200～300nm。

优选的，所述金属为金、银、铝中的任意一种。

优选的，所述介质薄膜为二氧化硅、氧化铝、氟化镁中的任意一种。