一种调节表面等离子体共振频率的方法与流程

本发明属于纳米光电子领域，具体是一种通过电场调节表面等离子体共振频率的方法。

背景技术：

表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance)作为金属纳米结构一种非常重要的光学特性，成为表面等离子体光子学研究(plasmonic)领域中的重要组成部分。表面等离子体光子学是一门新型的学科，近年来在国际大型光学纳米会议中频频出现，足见其重要性。表面等离子体共振是指金属中的自由电子与激励电磁场相互作用时发生集体振荡的共振现象。

表面等离子体在集成电路元器件的制备、高敏感高集成生物传感器、探测器、激光器等方面具有重要应用。表面等离子体在集成电路元器件制备中的应用是由于表面等离子体波具有和光波类似的频宽，但不受衍射极限所限制。比如表面等离纳米激光器的尺寸可以小于其发光波长，与传统的激光器相比，表面等离纳米激光器将光子耦合到金属的电荷振荡波中，增加的光矢动量压缩光波模式使其超越了衍射极限。表面等离激元在谐振腔中产生的强限制电场也会有效地增强光和物质的相互作用。表面等离子体在高敏感高集成生物传感器方面应用是由于表面等离子体激元具有表面局域特性，表面等离子体波的振荡态对表面介质环境特别敏感。生物传感器的机理就是表面等离子体共振，通过改变共振条件以侦测待测物质是否存在。同理，表面等离子体也可以应用于表面增强拉曼散射光谱。当分子被吸附在金属表面时，粗糙的金属表面可产生沿着界面传播的表面等离子激元，当传播至另一不平处，一部分能量将转变为电磁波而传播至远场，最后被侦测器接收，因此拉曼信号可增强好几个数量级。由于分子被吸附于金属表面，其共振频率将发生改变，而不同分子将具有不同的共振频率，因此我们可借助侦测到的光谱得知不同分子的存在。

表面等离子体在光电子器件中应用时，其共振频率要实现能够与光电器件的响应频率相匹配，因此，如何实现调节表面等离子体共振频率使该表面等离子体共振频率与光电器件响应频率相匹配是首要解决的技术难题。在现有技术中对表面等离子体频率调节通常采用改变金属纳米结构的形状、尺寸，改变半导体材料的掺杂浓度以及在保护气氛条件下通过退火的手段来实现。在现有调节表面等离子共振频率的技术中，这些方法不具有实时连续调节的特点，也不具有可逆性，无法实现对表面等离子共振频率进行动态调节。对于重掺半导体材料，其表面等离子体共振频率与载流子浓度存在一定关系，材料的表面等离子体频率由其载流子浓度决定，当载流子浓度改变时，其共振频率也发生相应的变化，即改变载流子浓度可以调节其表面等离子体共振频率。根据这种理论，本发明提出一种，通过动态调节重掺半导体材料载流子浓度的方法，进而实现表面等离子体共振频率动态调节的目的。

技术实现要素：

本发明提出一种调节表面等离子体共振频率的方法，该方法是在重掺杂半导体材料氧化铟锡(ito)薄膜的上表面和下表面之间施加恒定电场，通过施加的恒定电场调节重掺杂ito材料表面的载流子浓度，而重掺杂ito材料的表面等离子体频率与该材料表面的载流子浓度决定，利用对重掺杂ito材料的载流子浓度的调节间接改变重掺杂ito材料的改变表面等离子体共振频率，本发明所提出的这种方法采用在重掺杂ito薄膜材料的上表面和下表面之间施加恒定电场，实现对重掺杂ito材料表面等离子体共振频率实时动态调节的目的，本发明提出的这种方法简单且对表面等离子体共振频率能够实时动态调节，解决现有技术中对表面等离子体共振频率不能实时动态调节、调节技术复杂的难题。

为实现上述目的，所采用的技术方案如下：

一种调节表面等离子体共振频率的方法，这种方法通过在ito薄膜上表面和下表面之间施加电场，利用施加在ito薄膜层上的电场调节ito材料的表面等离子体共振频率，通过对施加的电场强度的改变实现ito薄膜层表面等离子体共振频率实时动态调节。

上述一种调节表面等离子体共振频率的方法，具体实现方法如下：

步骤一：在具有表面氧化层的si衬底表面制备ito薄膜，采用磁控溅射进行ito薄膜生长，生长温度350-400℃，溅射时功率80w，ito薄膜的生长厚度为70nm。

步骤二：在步骤一制备的ito薄膜表面制备规则周期图形，如三角形，四边形，五边形，六边形，圆形这些规则图形中的一种，ito表面的规则周期图形采用电子束光刻制备，图形的尺寸为100nm～2μm，优选的图形尺寸为300nm。

步骤三：在ito薄膜表面规则周期图形之外的区域采用pecvd生长sio2层，sio2层的厚度为68nm，生长68nm的sio2层可以使ito图形刚好露出表面。

步骤四：利用liftoff工艺在ito薄膜表面制备au电极，这个au电极用于在规则周期图形的ito薄膜表面施加电场。

步骤五：在si衬底背面减薄抛光处理至200μm厚度，并在si衬底背面制备ni/au合金电极。

步骤六：在ito图形薄膜表面的au电极和si衬底背面的ni/au合金电极上施加电场，使电场作用在ito图形薄膜上，施加的电压在0v～200v之间可动态调节。

步骤七：采用椭偏仪、红外吸收光谱测试手段测试ito图形薄膜表面等离子体性能。

该发明的有益效果在于：本发明中通过在ito图形薄膜上下表面之间施加恒定电场，施加的恒定电场会改变ito材料表面的载流子浓度，载流子浓度的改变会导致ito材料的表面等离子体共振频率的改变。本发明通过在ito薄膜材料的上表面和下表面之间施加恒定电场这一简单方法，解决现有技术中对表面等离子体共振频率不能实时动态调节、调节技术复杂的难题，实现对ito材料表面等离子体共振频率实时动态调节，推动表面等离子体在纳米光电子学领域的进一步广泛应用。

附图说明

图1为本发明提出的一种调节表面等离子体共振频率的方法结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

本发明提出一种调节表面等离子体共振频率的方法，该方法是在ito薄膜的上表面和下表面之间施加恒定电场，通过施加的恒定电场调节重掺杂ito材料表面的载流子浓度，而重掺杂ito材料的表面等离子体频率与该材料表面的载流子浓度决定，利用对ito材料的载流子浓度的调节间接改变ito材料的改变表面等离子体共振频率，本发明所提出的这种方法采用在ito薄膜材料的上表面和下表面之间施加恒定电场，实现对重掺杂ito材料表面等离子体共振频率实时动态调节的目的，所述电场通过在正、负电极之间施加电压实现，所述正电极制备在ito薄膜表面，所述负电极制备在生长ito薄膜所用的si衬底的背面，本发明通过用时间恒定电场这种方法简单有效的实现对表面等离子体共振频率能够实时动态调节，解决现有技术中对表面等离子体共振频率不能实时动态调节、调节技术复杂的难题。

下面结合附图和实施例对本发明提出的一种调节表面等离子体共振频率的方法进行详细描述，实施例中重掺杂半导体材料优选为ito薄膜材料，正电极优选为au电极，负电极优选为ni/au电极，施加恒定电场的电压在0～200v可调节。

图1为本发明提出的一种调节表面等离子体共振频率的方法结构图，包括：负电极1，si衬底2，si衬底表面自然氧化层sio2层3，pecvd沉积在ito薄膜之外区域的sio2层4，ito规则周期图形薄膜层5，ito薄膜表面正电极6。

实现本实施例所提出的一种调节表面等离子体共振频率的方法如下：

步骤一：在具有表面氧化层的si衬底表面制备ito薄膜，采用磁控溅射进行ito薄膜生长，生长温度350-400℃，溅射时功率80w，ito薄膜的生长厚度为70nm。实现该步骤的具体实施方法为：

(1)衬底清洗。首先将表面含有sio2自然氧化层的si衬底放入丙酮中超声清洗10分钟以去除衬底表面有机物，取出用去离子水清洗；然后放入乙醇中超声清洗10分钟去除衬底表面的残余丙酮，取出用去离子水冲洗；再放入去离子水中超声清洗10分钟。

(2)薄膜沉积。打开磁控溅射设备腔室，将清洗干净的衬底放入进样室的衬底盘上，然后对对溅射腔室进行抽真空；当溅射腔室内的真空度抽至6×10^-4pa以下后，通入设定目标流量值的工作气体，设置生长温度为350℃，功率为80w，根据沉积速率设置薄膜生长时间，开始生长厚度为70nm的ito薄膜；生长完成时，打开磁控溅射设备腔室并从取出样品。

步骤二：在步骤一制备的ito薄膜表面制备规则周期图形，如三角形，四边形，五边形，六边形，圆形这些规则图形中的一种，ito表面的规则周期图形采用电子束光刻制备，图形的尺寸为100nm～2μm，优选的图形尺寸为300nm。

步骤三：在ito薄膜表面规则周期图形之外的区域采用pecvd生长sio2层，sio2层的厚度为68nm，生长68nm的sio2层可以使ito图形刚好露出表面。

步骤四：利用liftoff工艺在ito薄膜表面制备au电极，这个au电极用于在规则周期图形的ito薄膜表面施加电场。

步骤五：在si衬底背面减薄抛光处理至200μm厚度，并在si衬底背面制备ni/au合金电极。

步骤六：在ito图形薄膜表面的au电极和si衬底背面的ni/au合金电极上施加电场，使电场作用在ito图形薄膜上，施加的电压在0v～200v之间可动态调节。

步骤七：采用椭偏仪、红外吸收光谱测试手段测试ito图形薄膜表面等离子体性能。

通过以上步骤实现本申请所要求保护的一种调节表面等离子体共振频率的方法，这种方法通过在ito薄膜上表面和下表面之间施加恒定电压，通过对恒定电压的调节可以简单有效的对ito材料的表面等离子体共振频率进行实时动态调节，解决现有技术中对表面等离子体共振频率不能实时动态调节、调节技术复杂的难题。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。