一种动态可重构的柔性等离激元调制器及其制备方法与流程

本发明涉一种柔性器件的结构设计及制备该类器件的方法，具体涉及一种动态可重构的柔性等离激元调制器件及其制备方法。

背景技术：

高效、紧凑、可控的光学元件对获得下一代高密度的光电集成回路具有重要意义。通常，采用干涉光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等传统的纳米制备技术在刚性衬底上制备出的光电元件或器件，其光学性质就被确定下来了。这些确定的光学特性仅可应付集成光子学中的波导、传感和增强等被动功能，而在调谐、调制/开关、激射等主动功能方面受到限制。

与基于刚性衬底的器件相比，将柔性/弹性衬底与功能性元件结合而形成的柔性器件具有多方面的优势，如柔韧性、动态调谐和生物相容性等,已经引起了众多科学家的极大关注。正是这些特性使之被广泛应用于各个领域，如可全彩调谐的柔性等离激元器件，可变焦的平镜头，可拉伸的穿戴式有机晶体管等。

不幸的是，采用传统的纳米制备技术很难直接在易变形的柔性/弹性衬底上制备各种微纳结构。为了实现动态调控柔性等离激元纳米结构，科学家发展了许多相关的动态调控技术，如机械拉伸、库仑力、洛伦兹力、光力和热膨胀等驱动方式。

然而，如何以一种易于操作的方式实现较大调制深度和低能耗的光学调谐依然是一个挑战。机械驱动通常需要一个额外的机械拉伸装置，而它难以集成到光电集成回路中。有关磁和光的驱动，尽管理论上可以实现相对大的调制深度，然而，迄今为止，实验上在近红外波段的调制深度小于3％(valente,j.etal,amagneto-electro-opticaleffectinaplasmonicnanowirematerial.naturecommunications.2015,6:7021)。

此外，光子超材料可以通过外加控温设备进行热动态调控(ou,j.y.etal.,reconfigurablephotonicmetamaterials.nanoletters.2011,11(5):2142-2144)，而该调控过程中往往伴随着大量能量损失和很高的能量需求，并且若以低热膨胀系数的氮化硅作为衬底材料会严重限制器件的性能。

为了降低能量消耗，可考虑通过减小衬底上热调控的区域，或采用较大热膨胀系数的衬底材料。比如，选择基于金属纳米线的加热方式，这种方式得益于自热效应(self-heatingeffect)，在实际操作中可以获得准确、稳定的工作温度。

目前，该调制器的制备方法主要是：利用柔性/弹性衬底直接将金属/介质微纳结构和左右电极一起从刚性衬底上转移下。然而，由于柔性/弹性衬底在转移过程中容易发生不可预期的变形，导致这种工艺技术的成功率非常有限。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种动态可重构的柔性等离激元调制器，该调制器可以通过控制输入电流动态可重构的调控其光学特性，这种具有较大调制深度和低能耗等优点的器件，在发展新型柔性器件方面具有广阔的应用前景。

本发明的另一目的是提供一种上述动态可重构的柔性等离激元调制器的制备方法，该方法是基于一种新型的调制机制-电流激发的局域热机械效应，能够动态调控局域表面等离激元共振波长和振幅，实现较大的波长调谐和调制深度。

本发明所采用的技术方案如下：

一种动态可重构的柔性等离激元调制器，其结构包括：柔性/弹性衬底、导体或半导体材料的微纳结构、左电极和右电极；所述导体或半导体材料的微纳结构分别与左右金属电极相连以便能形成电流的闭合回路，且它们都位于柔性/弹性衬底的表面上。

进一步而言，所述柔性等离激元调制器是将金属/介质微纳结构和左右电极一起制备在柔性/弹性衬底表面上而形成的；所述等离激元调制器是通过电流激发的局域热机械效应动态调控其光学特性的，且调控是可重构的。

进一步而言，所述柔性/弹性衬底可采用聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚乙烯醇(pva)等材料；所述柔性/弹性衬底的厚度大于0.1mm。

进一步而言，所述柔性/弹性衬底上的金属/介质微纳结构和正负电极是由导体或半导体材料制备而成。

进一步而言，所述导体材料选自金、银、铂、铝、钯金属的一种或多种合金；所述半导体材料选自ito材料、ⅱ-ⅵ族、ⅲ-ⅴ族或ⅳ-ⅳ族无机化合物材料的一种或多种混合。

另外，本发明还重点阐述利用金属薄膜辅助转移金属/介质微纳结构和左右电极的制备方法。一种动态可重构的柔性等离激元调制器的制备方法，其包括以下步骤：

步骤一：在附有金属薄膜的刚性衬底上制备金属/介质微纳结构和左右电极；

具体而言，上述步骤一可按照下列步骤进行：

1.1)利用电子束蒸镀方法在刚性衬底上制备一层金属薄膜；

可选的，该金属薄膜可采用金膜、银膜、钯膜、铂膜等，而刚性衬底可采用抛光后的石英片、氧化硅片等；

优选的，该刚性衬底采用抛光后的硅片，金属薄膜为银膜，采用电子束蒸镀方法制备金属银膜，银膜的厚度为120-150nm，蒸镀速率为蒸镀时的真空度为5×10^-7mbar。

1.2)在金属薄膜上利用胶制备相应的微纳结构和与之相连的左右电极图案；

可选的，所述胶采用光刻胶或电子胶，制备方法采用光刻或电子束曝光；

优选的，利用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)电子胶，并通过电子束曝光方法制备金属/介质微纳结构和左右电极的图案；

1.3)在上述样品上制备相应的金属或介质薄膜，通过标准的lift-off工艺在附有银膜的刚性衬底上制备金属/介质微纳结构和与之相连的左右电极；

可选的，采用磁控溅射或电子束蒸镀方法制备金属或介质薄膜。所述金属薄膜可为金膜、钯膜、铂膜等，厚度范围20-200nm；所述介质薄膜可为ito、zns、cdte、bi2te3等，薄膜厚度可为20-200nm。

优选的，采用电子束蒸镀方法制备金属薄膜，所述金属薄膜为金膜，所述金膜厚度为30nm，蒸镀速率为蒸镀时的真空度为5×10^-7mbar；剥离掉pmma胶可选用54℃的热丙酮溶液，丙酮溶液可以通过水浴加热保持其温度恒定。

步骤二：制备具有纳米级粗糙度的柔性/弹性衬底；考虑到柔性/弹性衬底的前驱体涂覆于抛光后的刚性衬底表面上固化后，与所述刚性衬底表面接触的柔性/弹性衬底表面也具有纳米级粗糙度。

优选的，所述柔性/弹性衬底为聚二甲基硅氧烷(pdms)，获得纳米级粗糙度的衬底表面方法为：

将制备pdms的前驱体(包括主体和固化剂)混合并搅拌均匀，并涂覆于抛光后的硅片表面；然后，通过抽真空方式去除搅拌时混入的气泡，并置于烤箱中固化，将pdms衬底切割成所需的尺寸并取下，可以得到具有纳米级粗糙度的pdms衬底；其中，烤箱温度优选为60-80℃，烘烤时间应小于2小时。

步骤三：利用柔性/弹性衬底将附有金属/介质微纳结构和左右电极的金属薄膜一起从刚性衬底上转移下，在去除整层金属薄膜并用去离子水清洗后，即可获得该动态可重构的柔性等离激元调制器。

优选的，所述去除整层金属银膜的试剂为磷酸溶液。

基于上述制备方法制得的该柔性等离激元调制器，本发明还提供了一种新型的调控机制-电流激发的局域热机械效应。通过外接导线和电源输入电流后，金属/介质微纳结构产生的局域焦耳热可使与之接触的pdms表面发生热变形，驱动着pdms衬底向上拱起，引起相邻纳米结构之间的间隙增加，从而导致了该调制器的局域等离激元共振波长蓝移。

与现有的器件结构设计和制备工艺技术相比，本发明提出由周期性的金属/介质微纳结构和与之相连的左右电极构建在pdms衬底上而形成的柔性等离激元调制器，具有如下优势：

1)该柔性等离激元调制器结构简单，金属/介质微纳结构不仅是作为一个等离激元谐振器，同时也是加热元件，且可以通过控制输入电流动态可以调控其局域表面等离激元共振波长和振幅；

2)由于该调制器是基于纳米线的加热方式(工作区域小)，且pdms衬底具有很大的热膨胀系数。因此，与通过外加控温的器件相比，其能极大地降低能耗，这种具有较大的调制深度和低能耗等优点的新型柔性器件为光学元器件和集成光子回路开辟了一条新道路。

附图说明

图1为本发明动态可重构的柔性等离激元调制器的结构示意图。

图2为本申请实施例一步骤一示意图；

图3为本申请实施例一步骤二示意图；

图4为本申请实施例一步骤三示意图；

图5为本申请实施例一步骤四示意图；

图6为本申请实施例一步骤五示意图；

图7为本申请实施例一步骤六示意图；

图8为本申请实施例一步骤七示意图；

图9为该柔性等离激元调制器的扫描电镜图，左上插图为直线型和弯曲型金纳米线阵列结构的放大图；

图10(a)为不同电流(0ma到15ma)输入后柔性等离激元调制器测量的反射光谱图；

图10(b)为在方波电流信号输入后1200nm波长处反射率的变化图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本申请具体实施例以及相应的附图对本申请的技术方案进行清楚地描述。

本发明公开了一种动态可重构的柔性等离激元调制器及其制备方法。如图1所示，本发明的动态可重构的柔性等离激元调制器，其结构主要包括：柔性/弹性衬底10，左右电极20，导体或半导体材料的微纳结构30。该导体或半导体材料的微纳结构30分别与左右电极20相连以便能形成电流的闭合回路，且它们都位于柔性/弹性衬底10的表面上。

本发明的柔性等离激元调制器主要是由金属/介质微纳结构和左右电极一同制备在柔性/弹性衬底上而形成，周期性的金属/介质微纳结构与左右电极相连以便构建电流的闭合回路。该调制器是基于一种新型的调控机制-电流激发的局域热机械效应，能够动态调控局域表面等离激元共振波长和振幅，实现较大的波长调谐和调制深度。本发明的柔性等离激元调制器可以通过控制输入电流动态可重构的调控其光学特性。这种具有较大的调制深度和低能耗等优点的器件，在发展新型柔性器件方面具有广阔的应用前景。

实施例一

本实施例是以制备直线型和弯曲型金纳米线阵列结构和与之相连的左右电极于pdms衬底上而形成的柔性等离激元调制器为例，并通过控制输入电流可以动态可重构的调控其反射光谱。

一种动态可重构的柔性等离激元调制器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一：首先，依次用丙酮、异丙醇和去离子水超声清洗硅衬底11，氮气吹干后，放置于120℃热板上烘烤10分钟；然后，采用电子束蒸镀方法在硅衬底上制备一层厚度为150nm的金属银膜12，此时沉积的真空度和速率分别为5×10^-7mbar和如图2所示；

步骤二：在硅衬底11的金属银膜12上旋涂一层厚度为480nm的pmma电子胶21，如图3所示，旋涂速率为6000rpm，时间为1分钟，并将样品置于173℃热板上烘烤3.5分钟；

步骤三：通过电子束曝光系统在pmma电子胶12上制备相应微纳结构和左右电极的图案，曝光结束后利用mibk溶液显影，时间为1分钟，并依次用异丙醇、去离子水清洗，氮气吹干后，即可在硅衬底的金属银膜12上获得直线型和弯曲型纳米线阵列结构和左右电极图案，其中，未被曝光的部分为pmma电子胶31，如图4所示；

步骤四：在上述样品表面，利用电子束蒸镀方法制备厚度为30nm的金膜，如图5所示，在pmma电子胶31上形成金薄膜41，而在银膜12上形成金纳米线阵列结构30和与之相连的左右电极20，此时沉积的真空度和速率分别为5×10^-7mbar和

步骤五：将上述样品放入54℃的热丙酮溶液中，6小时后，剥离pmma电子胶31和其上的金薄膜41，如图6所示；

步骤六：将液态pdms与抛光后硅片表面的纳米级粗糙度相接触固化后，pdms接触面也具有纳米级粗糙度。用手术刀切取合适尺寸的pdms衬底10后，并将上述样品置于pdms衬底表面上，在恒温恒压的环境中静置12小时后，并剥离硅衬底。此时，在金属银膜的辅助下，金纳米线阵列结构和与之相连的左右电极可以完美地转移至pdms衬底上，如图7所示，。

步骤七：利用磷酸溶液去除整层银膜(时间为3分钟)，并用去离子水清洗六次后，用氮气轻轻吹干，即可以制备该柔性等离激元调制器。通过导线51将左右电极20、金纳米线阵列结构30和输入电源52进行串联连接，以构建电流的闭合回路，如图8所示。

图9所示为按照本实施例制备的柔性等离激元调制器的扫描电镜图，左上插图为直线型与弯曲型金纳米线阵列结构的放大图。

另外，通过控制输入电流，可以实现对该调制器的动态调控，从而对其光学模式进行动态可重构调谐。此处实施例一所制备的柔性等离激元调制器在不同输入电流条件下的反射光谱为例进行阐述。该调制器的调控过程如下所述：

电流输入后，金纳米线产生的焦耳热可以使与之接触的pdms衬底向上拱起，从而增加相邻纳米线结构之间的间隙，引起该调制器在近红外波段的局域表面等离激元共振波长移动。

图10(a)所示为输入电流分别为0、2.3、4.5、6.6、8.7、10.8、12.9和15ma时测量的反射光谱。光谱的反射谷是由该结构的局域表面等离激元引起的。

可以发现，随着输入电流的不断增加，局域表面等离激元引起的反射谷发生显著蓝移。为了测试该调制器的重复性，在输入方波电流(峰值电流为6.6ma)后，监测了1200nm波长处器件反射率的变化，如图10(b)所示，可以发现，通过控制输入电流，可以动态调控该调制器，且调控过程是可重构的。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。