[發明專利]一種調控金屬天線-石墨烯復合超表面光電導的方法

有效

• 申請號: 201910001847.4
• 申請日: 2019-01-02
• 公開（公告）號: CN109633798B
• 公開（公告）日: 2020-09-25
• 發明（設計）人: 黃小平;黃秋瑩;張培鋒;孫靜泊;周杰
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G02B5/00
• 分類號: G02B5/00
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 周劉英

1.一種調控金屬天線-石墨烯復合超表面光電導的方法，其特征在于，該方法具體為：利用n條不同波長λ₁,λ₂,λ₃,...,λ_n的共振激光分別輻照特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構，激發出n條具有不同波長的表面等離子體激元(SPP)波，不同波長的表面等離子體激元(SPP)波產生不同的干涉場，不同干涉場的表面等離子體激元(SPP)波在石墨烯表面傳輸并與石墨烯作用后衰變轉換成的熱載流子濃度分布不同，從而改變石墨烯的能帶結構，進而調控石墨烯的光電導，其中，n為正整數，

其中，所述特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構的制備方法包括如下步驟：

1)定義特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構模型

特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構模型的主體結構包括：基底、單層石墨烯薄膜和金屬天線陣列，所述基底位于底部，其材料為硅、石英玻璃、氟化鈣或碳化硅，其形狀為邊長為1～2mm的正方體；所述基底的上表面覆蓋單層石墨烯薄膜，單層石墨烯薄膜的厚度為0.5nm，其表面形狀與基底表面形狀相同，為邊長為1～2mm的正方形；在所述單層石墨烯薄膜表面構建金屬天線陣列，所述金屬天線陣列中的每一個金屬天線單元的形狀和尺寸均相同，為長方體且該長方體的三個維度的尺寸分別為長l＝2500～3000nm、寬w＝400～800nm以及高t＝30～80nm，每一個金屬天線單元之間平行于金屬天線單元長度l方向的縱向空白間距為d，垂直于長度l方向的橫向空白間距為s，金屬天線單元的個數由基底面積和金屬天線單元縱向空白間距為d和橫向空白間距為s決定；

2)特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構模型的數值仿真計算

2-1)通過仿真軟件對步驟1)中的特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構模型進行仿真，得到該模型被特定波長λ₀的共振激光激發出的表面等離子體激元(SPP)波的光場分布，其中，λ₀不同于λ₁,λ₂,λ₃,...,λ_n，且所述特定波長λ₀的共振激光為偏振方向沿著金屬天線單元長度l方向的線偏振光，入射角為45°，λ₀＝10.2～11um；

2-2)根據步驟2-1)得到的表面等離子體激元(SPP)波的光場分布仿真結果，利用計算機程序計算出特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構模型被特定波長λ₀的共振激光激發所產生的表面等離子體激元(SPP)波的波長λ_{0_SPP}，將該波長λ_{0_SPP}作為表面等離子體激元(SPP)波的仿真預設波長；

2-3)根據步驟2-2)計算出的表面等離子體激元(SPP)波的仿真預設波長λ_{0_SPP}，設置金屬天線陣列中相鄰金屬天線單元之間的縱向空白間距d的大小，并利用計算機程序對設置了縱向空白間距d的特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構模型進行數值仿真計算：

若縱向空白間距設置為d＝m₀×λ_{0_SPP}，得到被特定波長λ₀的共振激光激發出的表面等離子體激元(SPP)波相長干涉的干涉場；若縱向空白間距設置為d＝(m₀-1/2)×λ_{0_SPP}，得到被特定波長λ₀的共振激光激發出的表面等離子體激元(SPP)波相消干涉的干涉場；若縱向空白間距設置為(m₀-1/2)×λ_{0_SPP}＜d＜m₀×λ_{0_SPP}，得到被特定波長λ₀的共振激光激發出的表面等離子體激元(SPP)波中間干涉態的干涉場，其中m₀為正整數，

基于上述設置了縱向空白間距d的特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構模型的數值仿真計算結果，制備特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構實物，

其中，為消除表面等離子體激元(SPP)波在金屬天線單元橫向空白間距s中的干涉，三種干涉場中金屬天線單元之間的橫向空白間距s均設置為被特定波長λ₀的共振激光激發出的表面等離子體激元(SPP)波衰變距離的兩倍；

3)制備特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構實物

3-1)脫水烘烤：將具有步驟1)所述材料和尺寸的附有單層石墨烯薄膜的基底放置在真空或干燥氮氣的烘箱中，以150℃～200℃的溫度烘烤30分鐘；

3-2)旋轉涂膠與軟烤：利用旋涂機在經過步驟3-1)處理的基底上的單層石墨烯薄膜表面旋涂一層厚度為40～100nm的光刻膠，首先將旋涂機的轉速調整為500r/min，隨后將旋涂機的轉速增大至5000r/min以實現均勻旋涂，光刻膠均勻旋涂之后，將基底放置在真空軟板中軟烤2～5分鐘，軟烤溫度為80～100℃，以去除光刻膠中的溶劑丙酮，使得光刻膠的曝光特性固定；

3-3)電子束曝光：利用步驟2-3)得到的設置了縱向空白間距d的特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構模型的數值仿真計算結果，用聚焦電子束對經過步驟3-2)處理的基底上的光刻膠進行曝光，得到特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構的天線陣列結構；

3-4)顯影及蒸鍍金屬膜：利用顯影液對經過步驟3-3)處理的基底進行顯影，接著，在顯影后的基底表面蒸鍍一層厚度為40nm的金屬膜；

3-5)去膠(Lift-off)：在經過步驟3-4)處理的基底上使用丙酮溶液將剩余的光刻膠和附著在光刻膠上的金屬一并去除，得到特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構的金屬天線陣列結構，由此得到特定金屬天線-石墨烯復合超表面結構。