一种可连续调节等离激元共振峰的装置的制作方法

本发明属于超材料领域，更具体地，涉及一种可连续调节等离激元共振峰的装置。

背景技术：

等离激元共振峰的连续可调对于生物传感、光电等领域有着重要的意义。现有的文献中，对于传统的金属材料，主要是通过改变制备的结构的尺寸以及间隔，尺寸本身会改变共振峰的位置，同时间隔会影响结构之间的耦合作用，从而影响共振峰的位置。对于石墨烯这种材料，其电子是无质量的二维电子，除了改变石墨烯纳米结构的尺寸、间隔以及层数，还可以通过改变石墨烯的费米能级的方式进行调节。改变石墨烯纳米结构的尺寸、间隔和层数可以改变内部结构单元的间距，从而改变耦合强度实现共振峰的移动。化学掺杂与栅极电压两种方式原理相同，都是通过改变载流子的浓度从而改变石墨烯的费米能级来调节等离激元共振峰的位置。前者通过离子溶液的处理可对石墨烯进行掺杂，是一个无源的器件，后者制备的器件是有源的，但是可以实现共振峰的连续调节。例如，现有文献Yang X，Kong X T，Bai B，et al.Substrate Phonon-Mediated Plasmon Hybridization in Coplanar Graphene Nanostructures for Broadband PlasmonicCircuits[J].Small，2015，11(5):591–596，另外一篇文献Ju L，Geng B，Horng J，et al.Grapheneplasmonics for tunable terahertz metamaterials[J].Nature nanotechnology，2011，6(10):630-634，均通过场效应晶体管的结构给制备在硅基底上的石墨烯纳米带引入栅极电压，使石墨烯的费米能级发生变化，同时对纳米结构的尺寸及占空比的影响进行了研究，实现了石墨烯等离激元的共振峰在特定波段可调节的功能。

在这几种调节方式中，改变纳米结构的尺寸、间隔、层数等和化学掺杂这些方式单次处理只能得到单次数据，若要使峰的位置能够在一定范围内变化，需要进行多次处理，工作量大且不能连续变化，得到的是该范围内的一组离散的谱线，而通过引入栅极电压的方式，虽然可以连续的调节石墨烯等离激元的共振峰的位置，但是整个器件是有源的，在能耗上不具有优势，并且电压范围有限制，只能在小范围内调节。

技术实现要素：

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种可连续调节等离激元共振峰的装置，其目的在于利用柔性基底的良好的机械性能实现等离激元共振峰的大范围连续可控调节；旨在解决现有技术中等离激元共振峰的调节范围小的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种可连续调节等离激元共振峰的装置，其特征在于，包括：具有周期性结构的柔性基底，以及周期性的设置在所述柔性基底上且具有表面等离激元共振性质的条带；通过压缩或者拉伸所述柔性基底来改变所述柔性基底的周期和幅值，从而改变了条带的几何形状及其所处环境的有效介电常数，实现等离激元共振峰的可调。

更进一步地，柔性基底的横截面形状的最小重复单元为正弦形、三角形、梯形或半圆形。只要在基底发生形变时，基底受到的应变可以改变条带的几何形状及其所处环境的有效介电常数，都可以实现调节等离激元共振峰的目的。

更进一步地，条带覆盖范围小于所述柔性基底的最小重复单元的半周期。本装置针对范围为局域的表面等离激元共振，条带与条带之间不能覆盖或者连接，需要有一定的间隙，才能满足共振发生的条件。

更进一步地，条带设置在所述柔性基底的峰或谷处。当基底被拉伸或者压缩时，在峰或谷的条带受到的应变最大，可以获得最好的调节效果。

更进一步地，条带同时设置在所述柔性基底的峰和谷处。

更进一步地，条带的材料为具有二维无质量电子的石墨烯或贵金属。对于石墨烯这种材料，其电子是无质量的二维电子，除了改变石墨烯纳米结构的尺寸、间隔以及层数，还可以通过改变石墨烯的费米能级的方式进行调节。改变石墨烯纳米结构的尺寸、间隔和层数可以改变内部结构单元的间距，从而改变耦合强度实现共振峰的移动。

更进一步地，条带的材料为金或银。

更进一步地，柔性基底的材料为聚二甲基硅氧烷，所述条带的材料为石墨烯。聚二甲基硅氧烷是一种透明的柔性基底，具有一定的拉伸范围，可以通过调节配比改变基底的拉伸程度。石墨烯是一种二维材料，其等离激元共振峰的调节还可以通过改变费米能级的方式实现，并且石墨烯本身也具有一定的柔性，有良好的机械性能。

更进一步地，施加在所述柔性基底上的压缩或者拉伸应变的范围由不同材料的最大压缩或者拉伸程度决定，压缩应变一般在0～1的范围，最大值由最大压缩程度决定，由式子ε＝(L0-L)/L0给出，其中L0为基底的初始长度,L为基底压缩之后的长度,L取最小值时有最大压缩应变。拉伸应变一般大于0，最大值由最大拉伸程度决定，由式子ε＝(L0-L)/L0给出，其中L0为基底的初始长度，L为基底拉伸之后的长度，L取最大值时有最大拉伸应变。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用了柔性材料，柔性材料的可拉伸或者压缩程度受其本身性质决定，通过机械手段，可以大幅度连续的拉伸或者压缩基底，从而改变基底受到的应变，进而改变条带所处位置的有效介电常数，能够取得大范围连续可控调节等离激元共振峰的位置的有益效果。

附图说明

图1是按照本发明的第一实施方式示意图；

图2是按照本发明的第二实施方式示意图；

图3是按照本发明的第三实施方式示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的目的在于给等离激元共振峰的连续调节提供一个新的维度，利用柔性基底的良好的机械性能，达到一种连续可控调节等离激元共振峰的目的。这种方式也是无源的，在能耗上具有优势。同时可以结合现有的技术，获得更大范围的调节。

本发明提供的一种可连续调节等离激元共振峰的装置包括：具有周期性结构的柔性基底1，以及周期性的设置在柔性基底1上具有表面等离激元共振性质的条带2；通过压缩或者拉伸柔性基底1来改变基底1的周期和幅值，从而实现等离激元共振峰的可调。

具有周期性结构的柔性基底1的横截面形状的最小重复单元可以是正弦形、三角形、梯形或半圆形。

具有表面等离激元共振性质的条带2覆盖范围应小于具有周期性结构的柔性基底1的最小重复单元的半周期，确保相邻的纳米结构之间有间隙，不会形成连续的薄膜。具有等离激元共振性质的条带2的尺寸会影响共振峰的位置，当条带的宽度增大时，共振峰的位置会向长波长方向移动。

当将条带2设置在基底1的峰或者谷的位置的时候，形变量最大，可以达到最优的效果。以横截面的最小重复单元为正弦形的基底为例，为获得最优的调节效果，可以将具有表面等离激元共振性质的条带2设置在峰的位置或者谷的位置，或者同时设置在峰和谷的位置。

只要具有表面等离激元共振性质的材料都可以实现我们的发明目的，例如，具有二维无质量电子的石墨烯、贵金属如金、银等。

作为本发明的一个实施例，具有等离激元共振性质的条带2是石墨烯，具有周期性结构的柔性基底1是聚二甲基硅氧烷。

在本发明实施例中，除了上述组分外，本发明的具有等离激元共振性质的材料还可以是金属等其他材料，如金、银等。

以横截面的最小重复单元为正弦形的基底为例。基底的初始长度记为L0，压缩之后的长度记为L，基底压缩之后的应变ε由式子ε＝(L0-L)/L0给出，应变增大时，共振峰会向长波长方向移动，也叫红移，这是因为在压缩的过程中，条带的几何形状发生改变，其所处的环境的有效介电常数会变大，从而在波长更长的位置获得共振峰。反之，当拉伸基底时，基底拉伸之后的应变由式子ε＝(L0-L)/L0给出，应变增大时，条带的几何形状发生改变，其所处的环境的有效介电常数会减小，共振峰会向短波长方向移动，也叫蓝移。

在本发明实施例中，具有等离激元共振性质的条带2是石墨烯，具有周期性结构的柔性基底1是聚二甲基硅氧烷。周期性结构的柔性基底可以是多种形状，如横截面为正弦形结构、矩形光栅结构等。具有等离激元共振性质的条带2可以周期性的置于柔性基底1的任意位置，如基底是正弦形时，为使形变量最大，可以置于正弦形基底的峰、谷位置，或者同时置于峰和谷的位置。

在本发明实施例中，除了上述组分外，本发明的具有等离激元共振性质的材料还可以是金属等其他材料，如金、银等。

我们可以根据具体的应用领域选择合适的材料，本发明提供的装置可以应用于生物检测、超材料、以及集成等离子体电路等诸多领域。一般是结合工艺制备纳米结构尺寸的极限，并根据波段选择合适的材料，其中金属一般用于可见光到近红外波段，石墨烯一般用于中红外到太赫兹波段。例如已有文献Rodrigo D，Limaj O，Janner D，et al.Mid-infrared plasmonicbiosensing with graphene[J].Science，2015，349(6244):165-168.通过共振峰位置的变化在中红外范围内进行扫描，当有生物分子如蛋白质在石墨烯的表面时，在共振峰的位置处会出现一个凹陷，这样就达到了生物检测的目的。另有文献Adato R，Altug H.In-situ ultra-sensitive infrared absorption spectroscopy of biomolecule interactions in real time with plasmonicnanoantennas[J].Nature communications，2013，4.采用金属的纳米结构在红外波段也实现了生物检测的功能。还有文献Ju L，Geng B，Horng J，et al.Grapheneplasmonics for tunable terahertz metamaterials[J].Nature nanotechnology，2011，6(10):630-634采用纳米结构的石墨烯条带制备了超材料，通过控制占空比和石墨烯的费米能级，改变石墨烯的共振峰的位置，从而实现了消光谱的调节。

按照本发明的结构和调节方式，可以实现大范围连续可控调节等离激元共振峰的位置。基于这个发明的超材料可以用于生物分子检测、原位化学反应的监测以及集成等离子体电路等方面。

现有的文献中，对于传统的金属材料，主要是通过改变制备的结构的尺寸以及间隔，尺寸本身会改变共振峰的位置，同时间隔会影响结构之间的耦合作用，从而影响共振峰的位置。对于石墨烯这种材料，其电子是无质量的二维电子，除了改变石墨烯纳米结构的尺寸、间隔以及层数，还可以通过改变石墨烯的费米能级的方式进行调节。改变石墨烯纳米结构的尺寸、间隔和层数可以改变内部结构单元的间距，从而改变耦合强度实现共振峰的移动。改变石墨烯的费米能级可以通过化学掺杂与栅极电压两种方式来实现，通过改变载流子的浓度从而改变石墨烯的费米能级来调节等离激元共振峰的位置。例如，现有文献Yang X，Kong X T，Bai B，et al.Substrate Phonon-Mediated Plasmon Hybridization in Coplanar Graphene Nanostructures for Broadband PlasmonicCircuits[J].Small，2015，11(5):591–596和文献Ju L，Geng B，Horng J，et al.Grapheneplasmonics for tunable terahertz metamaterials[J].Nature nanotechnology，2011，6(10):630-634，均通过场效应晶体管的结构给制备在硅基底上的石墨烯纳米带引入栅极电压，使石墨烯的费米能级发生变化，同时对纳米结构的尺寸及占空比的影响进行了研究，实现了石墨烯等离激元的共振峰在特定波段可调节的功能。

现有技术中，仅仅改变纳米结构的尺寸、间隔或者层数等和化学掺杂这些方式不能够在一定的范围内连续调节表面等离激元的共振峰，尽管制备的器件可以是无源的。而通过引入栅极电压的方式，虽然可以连续的调节石墨烯等离激元的共振峰的位置，但是整个器件是有源的，在能耗上不具有优势，并且受电压范围的限制，只能在小范围内调节。本发明经过comsol仿真得到，当200纳米的条带位于横截面为正弦形的周期性结构基底的峰的位置时，通过压缩基底，当压缩应变从0变化为0.8时，共振波长可以从15.3μm红移至25.2μm，可以实现在较大的范围内对共振峰的位置进行连续的调节。同时在本发明的基础上，还可以与前述提到的调节方式相结合来获得更好的效果，相当于在另外一个自由度提供了一个新的调节方式。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1和图2示出了本发明的第一实施方式和第二实施方式。如图1中所示，按照本发明的实施方式，主体由基底1和条带2组成。条带2周期性的位于基底上，例如可以是峰的位置，基底1横截面的形状例如可以是正弦形。条带材料例如可以是石墨烯。当横向压缩基底时，由于应力基底会发生形变，从而改变条带所处位置的曲率，条带共振峰的位置就会发生移动。

如图2所示，按照本发明的第二实施方式，主体构成与图1相同，通过横向拉伸基底，由于应力基底会发生形变，改变了条带所处位置的曲率，条带共振峰的位置也会发生移动，但是移动方向相反，结合第一实施方式，可以实现条带共振峰的可逆移动。

图3示出了第三实施方式，其主体与图1和图2相同，当拉伸或者压缩基底时，梯形的形状会发生变化，从而改变了条带的几何形状及其所处环境的有效介电常数，达到调节的目的。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。