可调谐的纳米天线及其制备方法
【专利摘要】本发明提供可调谐的纳米天线，包括三层，上层的金属结构、中间层的单层石墨烯、底部的基底材料，上层的金属结构为蝴蝶结型结构，所述蝴蝶结型结构包括两个等腰梯形和一个正方形组成。可调谐的纳米天线的制备方法，包括如下步骤：利用化学气相沉积法方法在SiO2-基底上覆盖一层单层石墨烯；在单层石墨烯表面旋涂光刻胶；用电子束刻蚀技术完成结构的刻蚀和显影；采用真空电子束蒸镀技术实现金层的蒸镀；经过lift-off过程得到最终的纳米光学天线。尺寸小：该超材料结构厚度在几十纳米级别，更加有利于集成光学中的应用。信号强度高：在特定频率入射光的照射下，该纳米光学天线对磁场增强可达20000多倍，更便于信号的探测。调制效果明显。
【专利说明】可调谐的纳米天线及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成光学领域，尤其涉及可调谐的纳米天线及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 纳米天线通常只对特定频率的电磁波产生谐振，只有当入射光为特定波长时才会 产生局域场增强，因此并不具备可调谐的性质。
[0003] 目前大多数的纳米天线只能提供电局域场增强，而不能提供强的磁局域场增强。
[0004] 目前在中红外波段实现可调谐的纳米天线对响应波长的调节能力有限，同时对局 域场的增强强度较低。
[0005] 纳米光学天线由具有周期性的稀有金属（金、银、铜等）纳米结构组成，其基本原 理是当光照射在金属与介质分界面时，由于金属材料的介电常数在可见光波段及红外波段 为负数，金属表面的自由电子将会随着电场振荡，当电子的振荡频率和入射电磁波的频率 一致时就会产生共振，将会产生表面等离子体激元（SPPs)，这种共振效应会产生强的自由 电子集体振荡。由于表面等离子体激元是金属和介质交界面的一种电磁场分布模式，因而 通过在金属和介质的交界面上通过求解Maxwell (麦克斯韦）方程可知界面两边介质的介 电常数必须一正一负，而普通金属在等离子体频率下为负介电常数，故表面等离激元出现 在金属介质界面上，又由于纳米天线尺寸在微纳米量级，因此反馈间隙很小，导致很强的静 电耦合，从而可以获得巨大的电磁场。目前研究的光学纳米天线多为对称振子结构，由两片 金属薄膜和其中的反馈间隙构成。共振天线的长度取决于入射光的波长。从理论上来说， 共振时天线长度约为入射光波长的一半，可实际上却比入射光波长的一半要小得多。纳米 天线振子臂形状可为长方形，梯形，蝴蝶结形等，薄膜材料多为金属或者碳纳米管。由于纳 米光学天线具有独特的光学性能，其目前已被广泛地应用于生物医学、太阳能利用、高灵敏 度检测器、非线性光学及光催化等领域。
[0006] 传统天线可以进行直接的调制，比如改变收音机或电视的天线方向/长度以达到 调控天线的目的，与之类似，纳米天线也可以通过调控以达到可对不同频率入射光产生响 应的性能。目前对纳米光学天线的调控分为通过改变天线设计的被动控制和通过改变天线 周围工作环境的主动控制模式。前者是指通过从天线的设计参数入手改变天线的结构参数 或者其纳米构件的组合方式，进而改变天线的工作频率、增益、方向性等性能，从而达到纳 米天线的调控，即结构决定功能。后者是指通过改变天线周围介质的介电常数，以可达到改 变天线性能参数，这种调控以主动形式非结构上调控天线。其在化学方法上可通过导电高 分子薄膜电化学氧化/还原转换或者通过氧化/还原双态可逆分子开关来实现，而在物理 方法上可以通过覆盖光电激活介质（如液晶）以外加电场来达到调控目的。
[0007] 然而，目前的可调纳米天线对光频率的调制能力有限，而且需要用来实现调控的 功能层往往在实验上比较难获得，结构也比较笨重，不利于集成，因此很难有实际的应用， 同时，目前在中红外波段的纳米天线只能产生微弱的磁谐振，对于入射光波的增强作用仅 为几十倍，所以产生的信号比较微弱。
【发明内容】
[0008] 针对现有可调控纳米天线的不足，为了有效提高纳米天线光学器件的调制能力和 信号强度（即增加其局域场强度），从而实现高速光开关、光调制器等全光器件的设计，特 提出以下将纳米天线和石墨烯组成复合结构以实现新型的高效、快速的可调谐的纳米天 线，并给出相应制备方案。
[0009] 为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种可调谐的纳米天线，其包括三层， 上层的金属结构、中间层的单层石墨烯、底部的基底材料，上层的金属结构为蝴蝶结型结 构，所述蝴蝶结型结构包括两个等腰梯形和一个正方形组成，两个等腰梯形的上底位于正 方形相对的两条边上，两个等腰梯形的上底的长度和正方形的变成相等，正方形的边长G 为20±2nm，两个等腰梯形的下底的长度D为1.2±0. Ιμπι，两个等腰梯形的高相等，两个 等腰梯形的高的长度加上正方形的边长的长度等于等腰梯形的下底的长度D，可调谐的 纳米天线的周期P = 2. 5±0· 2 μ m，金属结构厚度H1 = 20±5nm，单层石墨烯厚度％ = 0. 33nm±0. 05nm。
[0010] 作为本发明的进一步改进,正方形的边长G为20±lnm。
[0011] 作为本发明的进一步改进，两个等腰梯形的下底的长度D为1.2±0.05μπι。
[0012] 作为本发明的进一步改进，可调谐的纳米天线的周期P = 2. 5±0. 1 μ m。
[0013] 作为本发明的进一步改进，金属结构厚度H1 = 20±3nm。
[0014] 作为本发明的进一步改进，单层石墨烯厚度H2 = 0· 33nm±0. 03nm。
[0015] 作为本发明的进一步改进，二氧化硅作为基底材料。
[0016] 作为本发明的进一步改进，上层的金属结构为金。
[0017] 上述任意一项的可调谐的纳米天线的制备方法，包括如下步骤：
[0018] 利用化学气相沉积法方法在SiO2基底上覆盖一层单层石墨烯；
[0019] 在单层石墨烯表面旋涂光刻胶；
[0020] 用电子束刻蚀技术完成结构的刻蚀和显影；
[0021] 采用真空电子束蒸镀技术实现金层的蒸镀；
[0022] 经过剥离过程得到最终的纳米光学天线。
[0023] 本发明的有益效果是：
[0024] 尺寸小：该超材料结构厚度在几十纳米级别，更加有利于集成光学中的应用。
[0025] 信号强度高：在特定频率入射光的照射下，该纳米光学天线对磁场增强可达 20000多倍，更便于信号的探测。
[0026] 调制效果明显：该光学纳米天线的可调性好，随外加电压的改变，谐振位置与谐振 强度均有明显改变。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1是常见的纳米天线结构示意图；
[0028] 图2是本发明可调谐的纳米天线的结构示意图；
[0029] 图3是本发明可调谐的纳米天线的俯视图；
[0030] 图4是本发明可调谐的纳米天线的侧视图；
[0031] 图5是本发明反射谱；
[0032] 图6是本发明磁场增强图；
[0033] 图7是本发明光学纳米天线在不同外加电压下的反射谱。
[0034] 图1中，（a)为长方形纳米天线结构，（b)为梯形纳米天线结构，（C)为蝴蝶结形纳 米天线结构，（d)为圆柱形纳米天线结构。
【具体实施方式】
[0035] 下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0036] 在该设计中，将石墨烯作为蝴蝶结天线下部的衬底材料，利用石墨烯的特殊性能 使纳米光学天线有可调控的性能。具有特殊光学性质特别是具有光学磁响应的纳米天线 一般是由金属纳米结构构成，特殊设计的纳米天线能够很好地把光局域在纳米量级的空间 上，从而在结构内部具有非常强的局域场，现有的设计显示，在超材料与衬底材料接触的表 面磁场强度可以增强1000倍以上。而石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几 乎是完全透明的，只吸收2. 3%的光，具有较低的损耗，同时，由于其具有在不同电压下具有 不同介电常数的性质，因此通过控制电压，即可以达到控制石墨烯即衬底材料电磁属性的 目的，从而可以调节局域场的强度和响应频率，以实现该纳米光学天线的可调。在拟定的本 发明中，将单层0. 33nm厚或者多层NXO. 33nm(N为层数）（X为乘号）的石墨烯垫在金属超 材料和基底二氧化硅之间，由于特别设计的纳米光学天线对于衬底材料的电磁属性极为敏 感，因此当调节电压来改变石墨烯材料的电磁性质时，该纳米光学天线的性质就会随之改 变，其对入射光的响应频率会发生改变，从而达到可调控的功能，与此同时其产生的局域场 的场强也会有相应的改变，在一些情况下也可作为光学开光进行应用。
[0037] 如图2所示：一个结合了石墨烯的光学纳米天线，主体结构是由超材料组成，超材 料结构由蝴蝶结型结构组成，其包括上层的金属结构1〇〇,中间层是单层石墨烯200,底部 是基底材料300。在本发明中，将二氧化硅作为基底材料300,因为二氧化硅在中红外波段 性质比较稳定，没有色散。
[0038] 该纳米光学天线中的蝴蝶结结构是金属材料，在此选用金作为金属块的材料，因 为金在中红外波段的损耗相比银而言更小。其中制备部分的难度在于如何制备出损耗比较 小的结构，以及制备缺陷较小的单层石墨烯，因为该结构是将金属结构放在单层石墨烯上 面组成的纳米材料，所以金属的损耗程度与单层石墨烯的完整度对其性能影响很大，而这 两项指标与其制备的精度密切相关，目前国际上主要的制备金属纳米膜的办法是电子束蒸 镀，这样子得到的材料纯度比较高，表面比较平整，损耗比较小。而制备石墨烯则有微机械 剥离，氧化还原，化学气相沉积法（CVD)等。
[0039] 涉及的结构制备的流程如下：首先利用CVD方法在SiO2基底上覆盖一层单层石 墨烯（SLG)，然后在单层石墨烯（SLG)表面旋涂光刻胶，再用电子束刻蚀技术完成结构的刻 蚀和显影，接下来采用真空电子束蒸镀技术实现金层的蒸镀，最后经过剥离过程得到最终 的纳米光学天线。
[0040] 该结构的几何设计如图3,图4所示，一种可调谐的纳米天线，其包括三层，上层 的金属结构、中间层的单层石墨烯、底部的基底材料，上层的金属结构为蝴蝶结型结构，所 述蝴蝶结型结构包括两个等腰梯形和一个正方形组成，两个等腰梯形的上底位于正方形 相对的两条边上，两个等腰梯形的上底的长度和正方形的变成相等，正方形的边长G为 20±2nm，两个等腰梯形的下底的长度D为1.2±0. Ιμπι，两个等腰梯形的高相等，两个 等腰梯形的高的长度加上正方形的边长的长度等于等腰梯形的下底的长度D，可调谐的 纳米天线的周期P = 2. 5±0· 2 μ m，金属结构厚度H1 = 20±5nm，单层石墨烯厚度％ = 0. 33nm±0. 05nm。
[0041] 将该结构在不通电（即石墨烯不起作用的状态下）时置于TE偏振的光源照射下 时，能够有效激发结构的谐振效应，该结构的反射谱如图5所示。由图5可见该结构的磁 谐振波长在6850nm，此时在金属结构与石墨烯介质层接触处的磁场强度增强可达到20000 倍以上，同时该磁场主要局限在天线中对称的两个振子的连接处，该磁场强度增强图如图6 所示。
[0042] 而当对该结构施加外部电压时，其反射谱如图7所示。需要说明的是，在进行数 值模拟时，我们是通过改变石墨烯的费米能级来等效模拟外加不同电压时石墨烯的电磁性 质。石墨烯的费米能级4 = riK/A/7rns，其中h, 为常数，而ns为石墨烯的掺杂度，因 此在数值模拟时改变石墨烯的掺杂度即等效于改变了外加电压，其中ns与外加电压二者的 关系是随着外加电压的提升，费米能级提商，ns也随之提商。由图中可以看到，随着ns由1 提高到7(即外加电压增大），该结构的谐振位置进行蓝移，其相对移动波长△ λ =8%，超 越目前的绝大多数可调谐纳米光学天线的调谐能力，同时，该天线的谐振强度也随之降低。 这是由单层石墨烯材料在该波段独特的电磁性质导致的，随着n s的提高，石墨烯的导电性 提高，而同时由于其介电常数虚部也会增大，因此会导致较高的衰减，从而使谐振强度的降 低。
[0043] 该可调谐纳米天线有的优势如下：
[0044] 1、通过调整外加电压即可方便有效的调控谐振位置与谐振强度，其中外加电压的 变化与谐振位置关系如下：外加电压变大，磁谐振蓝移，磁谐振强度随之降低。
[0045] 2、该结构在中红外波段的调节能力较强调节的相对波长达到8%，同时对磁场增 强达到20000倍以上，在性能上超越了目前其他的结构，具有很高的实际应用价值。
[0046] 3、该结构尺寸小，厚度薄。从结构的参数来看，超材料的厚度可以达到20nm级别， 对于微纳米光子学器件可利用性高。
[0047] 以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定 本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在 不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的 保护范围。
【权利要求】
1. 一种可调谐的纳米天线，其特征在于：其包括三层，上层的金属结构、中间层的单层 石墨烯、底部的基底材料，上层的金属结构为蝴蝶结型结构，所述蝴蝶结型结构包括两个等 腰梯形和一个正方形组成，两个等腰梯形的上底位于正方形相对的两条边上，两个等腰梯 形的上底的长度和正方形的变成相等，正方形的边长G为20±2nm，两个等腰梯形的下底的 长度D为I. 2±0. 1 μ m，两个等腰梯形的高相等，两个等腰梯形的高的长度加上正方形的边 长的长度等于等腰梯形的下底的长度D，可调谐的纳米天线的周期P=2. 5±0. 2 μ m，金属结 构厚度氏=20±5]1111，单层石墨烯厚度H2=O. 33nm±0. 05nm。
2. 根据权利要求1所述的可调谐的纳米天线，其特征在于：正方形的边长G为 20± lnm。
3. 根据权利要求1所述的可调谐的纳米天线，其特征在于：两个等腰梯形的下底的长 度D 为 1·2±0·05μηι。
4. 根据权利要求1所述的可调谐的纳米天线，其特征在于：可调谐的纳米天线的周期 Ρ=2· 5±0· 1 μ m。
5. 根据权利要求1所述的可调谐的纳米天线，其特征在于：金属结构厚度HfZOiSnm。
6. 根据权利要求1所述的可调谐的纳米天线，其特征在于：单层石墨烯厚度 H2=O. 33nm±0. 03nm。
7. 根据权利要求1所述的可调谐的纳米天线，其特征在于：二氧化硅作为基底材料。
8. 根据权利要求1所述的可调谐的纳米天线，其特征在于：上层的金属结构为金。
9. 权利要求1至8任意一项的可调谐的纳米天线的制备方法，其特征在于：包括如下 步骤： 利用化学气相沉积法方法在SiO2基底上覆盖一层单层石墨烯； 在单层石墨烯表面旋涂光刻胶； 用电子束刻蚀技术完成结构的刻蚀和显影； 采用真空电子束蒸镀技术实现金层的蒸镀； 经过剥离过程得到最终的纳米光学天线。
【文档编号】H01Q1/38GK104319471SQ201410553995
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月17日 优先权日:2014年10月17日
【发明者】肖淑敏, 刘政显, 易宁波, 宋清海 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院