[發明專利]一種基于石墨烯-氮化硼橫向異質結的雙曲超表面及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202110469065.0
• 申請日: 2021-04-28
• 公開（公告）號: CN113264520B
• 公開（公告）日: 2022-10-28
• 發明（設計）人: 王學力;陳珂
• 申請（專利權）人: 河南大學
• 主分類號: C01B32/186
• 分類號: C01B32/186;C01B21/064;G02B1/00;G02B5/18;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 鄭州聯科專利事務所(普通合伙) 41104
• 代理人: 蔡艷

本發明屬于超表面、微納光子技術領域，具體涉及一種基于石墨烯?氮化硼橫向異質結的雙曲超表面材料及其制備方法和應用。本發明通過在襯底上覆蓋異質結構層，形成具有若干條帶狀石墨烯層和若干條帶狀氮化硼層間隔排布形成的周期性納米光柵結構。本發明可實現氮化硼面內聲子極化子與石墨烯等離激元的耦合，形成兼具兩種極化激元優異性質的等離激元?雙曲聲子極化子雜化模式。本發明利用石墨烯費米能級可調的性質，可實現對該雙曲超表面光場的動態調控，且該雙曲超表面結構尺寸小，集成度高，適合于超高密度集成光路設計，在超表面成像和光能量傳輸器件等領域具有重要的應用價值。

技術領域

本發明屬于超表面、微納光子技術領域，具體涉及一種基于石墨烯-氮化硼橫向異質結的雙曲超表面和應用，可用于制備中紅外波段超表面成像和光能量傳輸器件。

背景技術

作為電磁超構材料的一個重要分支，雙曲超材料由于其獨特的近場電磁波操控特性成為人們研究的焦點，通過改變組成雙曲超材料結構單元的尺寸、排布規律，能夠實現對雙曲超材料內部表面等離子體激元激發強度的調控。雙曲超表面作為一種特殊新型的平面超材料，具有雙曲色散特性，在理論和應用上也與雙曲超材料有著諸多共性。

極化激元能夠突破傳統光學衍射極限，在納米尺度對光波長壓縮并操控，是近年來納米光子學研究領域的熱點。二維材料呈現出特殊的電子能帶結構，能夠激發多種極化激元模式，聲子極化子和表面等離極化激元，已經逐漸成為頗具生命力的研究方向。一方面，六方氮化硼是天然的雙曲色散材料，利用其構造的雙曲超表面表現出極強的各向異性和極低衰減的聲子極化子，對電磁波波前具有極強的調制能力。另一方面，石墨烯已被證實是一種理想的表面等離激元材料。表面等離激元具有獨特的光學性質，是納米光學和表面增強光譜學等新興領域的重要基礎，也是對電磁波波前進行操縱的重要媒介。

近幾年，基于天然雙曲材料與石墨烯異質結的納米光子學研究方興未艾。人們分別提出了將單層石墨烯與單層氮化硼面內異質結構，單層石墨烯與氮化硼薄片異質結構等模型。這些異質結構可以很好實現氮化硼面外雙曲聲子與石墨烯表面等離激元的耦合，但無法實現對電磁波有效的壓縮和操控，對電磁波的調制效果不佳。

因此，人們開始設計其他功能結構以實現在納米尺度對光波長壓縮并操控，氮化硼面內雙曲超表面是最近報道的一種特殊的雙曲超表面，可實現面內聲子耦合，形成面內雙曲波前。這對光波長的壓縮和操縱具有重要的意義。然而，氮化硼面內雙曲超表面對光的壓縮和局域束縛能力較弱，而且大部分被壓縮的光能量以歐姆損失在雙曲超表面內部消耗，導致雙曲超表面對光的調制能力變弱，這對超表面成像和光能量傳輸器件具有較大影響。此外，氮化硼雙曲聲子受到晶格特性限制，難以實現動態調控雙曲波前。

因此，如何利用雙曲超表面實現對電磁波更為有效的壓縮和操控成為一個亟待解決的技術問題。

發明內容

本發明的一個目的是針對上述現有技術中存在的問題，設計一種基于石墨烯-氮化硼橫向異質結的雙曲超表面。本發明的雙曲超表面材料可利用氮化硼面內雙曲聲子與石墨烯表面等離激元的有效耦合形成具有兼具兩種極化子優異特性的等離激元-雙曲聲子極化子，同時，本發明的異質結雙曲超表面還可以對光有效的壓縮與動態調控。

本發明的第二個目的在于提供所述基于石墨烯-氮化硼橫向異質結的雙曲超表面的制備方法。

本發明的第三個目的是提供所述基于石墨烯-氮化硼橫向異質結的雙曲超表面在制備超表面成像和光能量傳輸器件中的應用。

為達到上述目的，本發明創造的技術方案是這樣實現的：

一種基于石墨烯-氮化硼橫向異質結雙曲超表面，包括襯底，以及覆蓋于襯底上的異質結構層，所述異質結構層具有納米光柵結構。

具體的，所述異質結構層由石墨烯和氮化硼兩種材料組成，異質結構層具有若干條帶狀石墨烯層和若干條帶狀氮化硼層間隔排布形成的周期性納米光柵結構。