一种具有电控极化率的可变波长二维旋光器件的制作方法

本实用新型涉及一种旋光器件，尤其是一种具有电控极化率的可变波长二维旋光器件。

背景技术：

1815年，法国物理学家毕奥发现，当平面偏振光通过石英晶体时，偏振面会转动。除了石英以外，具有这种作用的物质均称为旋光性物质，比如糖溶液、松节油液体，还包括朱砂等固体。因此定义偏振光通过某些晶体或物质的溶液时，其振动面以光的传播方向为轴线发生旋转的现象为旋光现象。有些晶体能使振动平面按顺时针方向转动(右旋)，而有些晶体能使其按逆时针方向转动(左旋)。如今旋光技术的应用无处不在，如电光、磁光、液晶、光通讯、光传感、光开关、光调制、光存储、外差探测、薄膜参数测量、物质结构探测、生物细胞荧光测量、图像识别、乃至最新的生物芯片探测等。最早用于产生旋光的器件主要是基于上述旋光物质，因而不利于集成。此外还有利用磁致旋光效应制作的旋光器件。然而现有磁光材料本身应用性能不理想，如温度稳定性和磁滞效应等，以及成本较高等问题，也制约了其进一步广泛应用。后来逐渐发展了基于液晶各向异性产生的旋光效应而研制的显示器件、光调制器、光路转换开关等旋光器件。然而以上几种旋光器件基本是利用透射方式来进行线偏振光偏振面取向转动的控制，与目前基于全反射的光纤、光波导等光学器件之间仍存在集成与兼容性的问题。

技术实现要素：

本实用新型鉴于旋光器件的设计需求，提出一种基于电致伸缩材料与iii-vi族硫属化物二维材料异质结构的具有电场可调极化率和发光波长的二维旋光器件；该器件可产生圆偏振极化率与波长可调范围较大的旋光效应，从而解决旋光集成与兼容性问题。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种具有电控极化率的可变波长二维旋光器件，包括电致伸缩基片、与电致伸缩基片底面连接的第一和第二导电电极、层叠设置在电致伸缩基片上表面的增强光吸收层、第一透明导电电极、iii-vi族硫属化物二维材料、以及第二透明导电电极；该器件在圆偏光激发下可产生具有可控圆偏振极化率的旋光效应；

通过在与电致伸缩基片连接的第一和第二导电电极之间施加适当电压可调控该旋光的圆偏振极化率，且通过在第一和第二透明导明电极之间施加适当电压可使该旋光波长从紫外到红外的宽波段范围内连续可调。

在一较佳实施例中：所述电致伸缩基片采用铌镁酸铅(pmn)、铌镁酸铅—钛酸铅(pmn-pt)、锆钛酸铅镧(plzt)、锆钛酸铅钡(ba-pzt)等中的一种。

在一较佳实施例中：所述增强光吸收层为由表面等离子激元金属材料构成的颗粒状非周期性纳米结构或周期性纳米阵列结构中的一种。

在一较佳实施例中：所述颗粒状非周期性纳米结构的颗粒个体大小、颗粒状非周期性纳米结构的颗粒间距尺度均在50～300nm范围内。

在一较佳实施例中：所述周期性纳米阵列结构的周期单元结构、周期性纳米阵列结构的周期尺度均在50～300nm范围内。

在一较佳实施例中：所述iii-vi族硫属化物二维材料的厚度d1满足范围0<d1<100nm。

在一较佳实施例中：所述第一和第二透明导电电极采用石墨烯透明导电电极，其厚度d2满足范围0<d2<1nm。

在一较佳实施例中：所述bn二维材料绝缘层厚度d3满足范围0<d3<1nm。

本实用新型的原理为：iii-vi族硫属化物二维材料在无应力作用下，在室温空气中具有较低的圆偏极化率，当在第一和第二导电电极之间通电后，电致伸缩基片将产生形变，从而使置于其表面的iii-vi族硫属化物二维材料受到应力作用；理论计算与实验结构均表明，当受到压应力作用时，iii-vi族硫属化物二维材料的电子和空穴波函数的空间交迭增大，激子寿命减小，从而将提高并调控其光致发光的圆偏振极化率；且通过外加垂直电场可调节iii-vi族硫属化物二维材料的带隙宽度，使旋光波长在从紫外到红外的宽波段范围内连续可调。

相较于现有技术，本实用新型产生的有益效果是：本实用新型适用于0k<t<320k温度范围内，空气环境或真空环境中；所产生的旋光的波长及圆偏振极化率均可通过电学方式调控，且旋光波长在从紫外到红外的宽波段范围内连续可调，从而可解决旋光集成与兼容性问题。

附图说明

图1具有电控极化率的可变波长二维旋光器件示意图。

图2au纳米三角棱柱阵列增强光吸收层的sem图像。

图3有无应力条件下gase二维材料室温圆偏振pl光谱。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作详细说明，但本实用新型保护的范围不仅限于下述实施例：

本实施例结构如图1所示，包含电致伸缩基片、与电致伸缩基片底面连接的第一和第二导电电极、层叠设置在电致伸缩基片上表面的增强光吸收层、第一透明导电电极、iii-vi族硫属化物二维材料、bn二维材料绝缘层、以及第二透明导电电极；该器件在圆偏光激发下可产生具有可控圆偏振极化率的旋光效应。

通过在与电致伸缩基片连接的第一和第二导电电极之间施加适当电压可调控该旋光的圆偏振极化率，且通过在第一和第二透明导明电极之间施加适当电压可使该旋光波长从紫外到红外的宽波段范围内连续可调。

其中电致伸缩基片为锆钛酸铅镧(plzt)晶体材料，增强光吸收层为由表面等离子激元金属au构成的具有80nm特征尺度的颗粒状周期性纳米阵列结构，iii-vi族硫属化物二维材料为厚度60nm的gase二维材料，第一和第二透明导电电极均为厚度1nm的石墨烯透明导电电极，bn二维材料绝缘层的厚度为1nm。

本实用新型的制作方法如下：

第一步，通过化学清洗(使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗)获得清洁的锆钛酸铅镧(plzt)晶体基片；

第二步，采用纳米聚苯乙烯(ps)球掩膜法制备增强光吸收层；

1)将去离子水/酒精混合溶液放置于底部有小孔活塞的玻璃容器中，将基片浸入，之后将直径为360nm的ps球均匀分散在去离子水/酒精混合溶液中，在液面形成单层纳米球；

2)打开位于容器底部的小孔活塞，使去离子水/酒精混合溶液通过容器底部小孔缓慢流出，直至液面接触基片表面，此时分散在溶液表面的单层ps球接触并覆盖基片表面；

3)水和有机溶剂在基片表面蒸发，基片表面形成周期性六角排布的单层ps球阵列，紧密排列的ps球之间形成准三角状缝隙；

4)采用热蒸镀方法将au原子蒸发到ps球阵列的准三角状缝隙中，形成au纳米三角棱柱阵列，调节蒸镀时间控制au纳米三角棱柱高度约为60nm；

5)将基片浸泡于丙酮溶液中将ps球溶解，获得周期为360nm，边长为80nm，高度为60nm的au纳米棱柱阵列作为增强光吸收层，如图2所示；

第三步，采用转移技术制备第一石墨烯透明导电电极；

1)取一小片生长在铜箔上的单分子层石墨烯样品，在石墨烯表面旋涂一层pmma；待pmma固化后，用(nh4)2s2o8溶液(～1mol/l)将金属衬底溶解；

2)将带有石墨烯的pmma转移到增强光吸收层上方，待残留液体晾干后，将基片放置于加热台上，在100℃下加热1小时使石墨烯与基片更紧密接触；

3)将转移了石墨烯的基片浸泡于丙酮中数小时，以彻底溶解pmma；

4)重复以上步骤1～4，转移厚度1nm的石墨烯透明导电电极；

第四步，采用机械剥离与转移技术制备gase二维材料；

1)取一小片gase体材料，然后将其粘贴在粘性适当的胶带上，并取用另一片大小相当的胶带与其对粘撕开，反复进行几次对撕，将胶带上gase体材料减薄为约60nm的gase二维材料；

2)再将粘有gase二维材料的胶带贴至pdms柔性薄膜上，轻轻按压后缓慢揭开，gase二维材料由此转移至pdms柔性薄膜表面；

3)进而将附有gase二维材料的pdms柔性薄膜覆盖至第一石墨烯透明电极表面并轻轻压紧，随后将pdms揭除，gase二维材料由此转移至第一石墨烯透明电极表面；

第五步，采用第三步所述转移技术在gase二维材料表面上制备bn二维材料绝缘层；

第六步，采用第三步所述转移技术在bn二维材料绝缘层表面上制备第二石墨烯透明导电电极；

第七步，采用电子束蒸镀方法结合物理掩膜技术在锆钛酸铅镧(plzt)晶体基片下表面制备厚度约为80nm的ti/au第一和第二导电电极并分别焊接引线，从而制得具有电场可调圆偏振极化率的二维旋光器件。测试结果表明，当第一和第二导电电极之间不通电时，gase二维材料在无应力作用下，在室温空气中通过532nm右旋圆偏振光激发产生的右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的极化率仅为5％，当在第一和第二导电电极之间通电使gase二维材料受到0.26％应力时，在室温空气中通过532nm右旋圆偏振光激发产生的右旋圆偏振光与左旋圆偏振光的极化率上升为约30％。

以上所述仅为本实用新型的较佳实例而已，并不是用来限制本实用新型的，其他的凡是在本实用新型的相似原理、精神和原则之内所做的任何修改、替换和改进等，均应该包含在本实用新型的保护范围之内，本实用新型未详尽描述的内容均为常规技术内容。