一种超材料-微腔复合结构及其制备方法和用途

摘要

本发明公开了一种超材料‑微腔复合结构及其制备方法和用途。本发明的复合结构从上至下依次包括：从上至下依次为超材料、二维材料和光学微腔的三层复合结构，上层的超材料具有多个周期性排布的共振单元；泵浦光从超材料入射，引起中间层的二维材料的非线性折射率改变，并且泵浦光激发的超材料的局域场增强效应和光学微腔的局域场增强效应共同作用，提高二维材料的非线性折射率，使得超材料周围的有效折射率改变，从而改变探测光透过复合结构的透射状态。本发明提高了材料的非线性折射率，减小响应时间，增强全光可调性；并且制作工艺简单，可用材料广泛；本发明的复合结构可用于全光开关或传感器。

权利要求

1.一种超材料-微腔复合结构，其特征在于，所述复合结构从上至下依次包括：上层、中间层和下层；其中，所述上层为超材料；所述中间层为二维材料；所述下层为光学微腔；所述上层的超材料具有多个周期性排布的共振单元；探测光垂直入射至超材料，并从复合结构透射；泵浦光从超材料入射至复合结构，泵浦光引起中间层的二维材料的折射率改变；同时，泵浦光激发上层的超材料，引起局域场增强效应，并且泵浦光引起下层的光学微腔的局域场增强效应；超材料的局域场增强效应和光学微腔的局域场增强效应共同作用，进一步增强中间层的二维材料与泵浦光的相互作用，提高二维材料的非线性折射率，使得超材料周围的有效折射率改变，从而改变探测光透过复合结构的透射状态。

2.如权利要求1所述的超材料-微腔复合结构，其特征在于，所述超材料的共振单元采用不对称裂环型结构；或者采用破缺的半环型结构。

3.如权利要求2所述的超材料-微腔复合结构，其特征在于，所述不对称裂环型结构包括互相分离开的上半部分和下半部分；下半部分和上半部分分别为部分环型金属条或矩形金属条，并且下半部分与上半部分的尺寸不同。

4.如权利要求2所述的超材料-微腔复合结构，其特征在于，所述破缺的半环型结构包括互相分离开的上半部分和下半部分；下半部分为横向矩形金属条；上半部分为两个对称的纵向矩形金属条。

5.如权利要求1所述的超材料-微腔复合结构，其特征在于，所述超材料的共振单元的金属条采用金或银；超材料的厚度在50nm～200nm；共振单元的周期在400nm～850nm。

6.如权利要求1所述的超材料-微腔复合结构，其特征在于，所述二维材料采用氮化硼BN、二硫化钨WS2、二硫化钼MoS2、二硫化钛TiS2、二硒化钼MoSe2、碲化锑Sb2Te3、碲化铋Bi2Te3以及黑磷P中的一种；二维材料的厚度在1nm～100nm。

7.如权利要求1所述的超材料-微腔复合结构，其特征在于，所述光学微腔采用光子晶体微腔，或者采用法布里-珀罗F-P谐振腔。

8.如权利要求7所述的超材料-微腔复合结构，其特征在于，所述光子晶体采用砷化镓GaAs、氮化镓GaN、铝镓砷AlGaAs和硅Si中的一种；光子晶体的晶格常数在100nm～5μm。

9.一种超材料-微腔复合结构的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)利用聚焦离子束刻蚀法在半导体材料中制备光学微腔；

2)在光学微腔上层覆盖二维材料，包括两种方法：

a)利用化学气相沉积法和后续的机械剥离法生长二维材料并转移到光学微腔表面，或者b)利用脉冲激光沉积法在光学微腔的表面镀上二维材料；

3)二维材料上制备超材料，具体包括：

a)在二维材料上方覆盖光刻胶，利用电子束曝光技术刻蚀出所需的结构，而后进行显影和定影处理；

b)采用脉冲激光沉积技术蒸镀金属；

c)去除光刻胶，超材料制备完成，得到超材料-微腔复合结构。

说明书

一种超材料-微腔复合结构及其制备方法和用途

技术领域

[0001] 本发明涉及纳米光子学领域，尤其涉及一种超材料-微腔复合结构及其制备方法和用途。

背景技术

[0002] 超材料是指一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料，其性质往往不取决于构成材料的本征性质，而取决于其中的人工结构。超材料由于能在亚波长尺度调控光，而在纳米光子器件和集成光子器件中有潜在的应用。利用超材料实现全光可调的法诺共振使得其有可能被用于制备纳米尺度的全光开关及传感器。

[0003] 已有文献报导了一种基于超材料的双层结构实现了全光可调的法诺共振[Fan Zhang,Xiaoyong Hu,Yu Zhu,Yulan Fu,Hong Yang et al.,Ultrafast all-optical tunable Fano resonance in nonlinear metamaterials,Appl.Phys.Lett.102,181109(2013)]。该结构由两部分组成：下层为超材料，是在金膜中刻蚀出的周期性排布的不对称裂环型结构，上层覆盖铌酸锂膜。超材料在红外光垂直入射下激发出法诺共振。在泵浦光作用下，由于铌酸锂膜具有非线性效应，使得法诺线型发生蓝移,响应时间48ps。铌酸锂非线性折射率为-8.77x10-13m2/W。该结构的缺点在于铌酸锂的非线性折射率较小，结构的全光可调性较差，响应时间较长。

[0004] 二维材料是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度上自由运动(平面运动)的材料，是只有一个或几个原子层厚的薄膜材料，比如石墨烯、氮化硼BN、二硫化钼MoS2、二硫化钛TiS2、二硒化钼MoSe2、碲化锑Sb2Te3、二硫化钨WS2、碲化铋Bi2Te3和黑磷P。目前，二维材料在凝聚态物理领域有着广泛的研究。

发明内容

[0005] 针对以上现有技术中超材料存在的问题，本发明提出了一种超材料-微腔复合结构及其制备方法和用途，本发明提高了材料的非线性折射率，减小响应时间，增强全光可调性。

[0006] 本发明的一个目的在于提供一种超材料-微腔复合结构。

[0007] 本发明的超材料-微腔复合结构从上至下依次包括：上层、中间层和下层；其中，上层为超材料；中间层为二维材料；下层为光学微腔；上层的超材料具有多个周期性排布的共振单元；探测光垂直入射至超材料，并从复合结构透射；泵浦光从超材料入射至复合结构，泵浦光引起中间层的二维材料的折射率改变；同时，泵浦光激发上层的超材料，引起局域场增强效应，并且泵浦光引起下层的光学微腔的局域场增强效应；超材料的局域场增强效应和光学微腔的局域场增强效应共同作用，进一步增强中间层的二维材料与泵浦光的相互作用，提高二维材料的非线性折射率，使得超材料周围的有效折射率改变，从而改变探测光透过复合结构的透射状态。

[0008] 超材料的共振单元采用不对称裂环型结构，以实现法诺共振；或者采用破缺的半环型结构，以实现表面等离激元感应透明。不对称裂环型结构包括互相分离开的上半部分和下半部分；下半部分和上半部分分别为部分环型金属条或矩形金属条，并且下半部分与上半部分的尺寸不同。破缺的半环型结构包括互相分离开的上半部分和下半部分；下半部分为横向矩形金属条；上半部分为两个对称的纵向矩形金属条。

[0009] 超材料的共振单元的金属条采用金或银。超材料的厚度在50nm～200nm之间。共振单元的周期在400nm～850nm之间。

[0010] 二维材料采用氮化硼BN、二硫化钨WS2、二硫化钼MoS2、二硫化钛TiS2、二硒化钼MoSe2、碲化锑Sb2Te3、碲化铋Bi2Te3以及黑磷P中的一种。二维材料的厚度在1nm～100nm之间。

[0011] 光学微腔采用光子晶体微腔，或者采用法布里-珀罗F-P谐振腔。光子晶体采用砷化镓GaAs、氮化镓GaN、铝镓砷AlGaAs和硅Si等对红外波段透明的无机材料。光子晶体的晶格常数在100nm～5μm之间。

[0012] 本发明的另一个目的在于提供一种超材料-微腔复合结构的制备方法。

[0013] 本发明的超材料-微腔复合结构的制备方法，包括以下步骤：

[0014] 1)利用聚焦离子束刻蚀法在半导体材料中制备光学微腔；

[0015] 2)在光学微腔上层覆盖二维材料，包括两种方法：

[0016] a)利用化学气相沉积法和后续的机械剥离法生长二维材料并转移到光学微腔表面，或者

[0017] b)利用脉冲激光沉积法在光学微腔的表面镀上二维材料；

[0018] 3)二维材料上制备超材料，具体包括：

[0019] a)在二维材料上方覆盖光刻胶，利用电子束曝光技术刻蚀出所需的结构，而后进行显影和定影处理；

[0020] b)采用脉冲激光沉积技术蒸镀金属；

[0021] c)去除光刻胶，超材料制备完成，得到超材料-微腔复合结构。

[0022] 本发明的又一目的在于提供一种超材料-微腔复合结构用于全光开关或传感器的用途。

[0023] 本发明的优点：

[0024] 本发明采用从上至下依次为超材料、二维材料和光学微腔的三层复合结构，泵浦光从超材料入射，引起中间层的二维材料的非线性折射率改变，并且泵浦光激发的超材料的局域场增强效应和光学微腔的局域场增强效应共同作用，提高二维材料的非线性折射率，使得超材料周围的有效折射率改变，从而改变探测光透过复合结构的透射状态。本发明提高了材料的非线性折射率，减小响应时间，增强全光可调性；并且制作工艺简单，可用材料广泛；可用于全光开关或传感器。

附图说明

[0025] 图1为本发明的超材料-微腔复合结构的实施例一的结构示意图；

[0026] 图2为本发明的超材料-微腔复合结构的实施例一的共振单元的俯视图；

[0027] 图3为本发明的超材料-微腔复合结构的实施例一的探测光的透过谱曲线图；

[0028] 图4为本发明的超材料-微腔复合结构的实施例一的泵浦探测谱线图；

[0029] 图5为本发明的超材料-微腔复合结构的实施例一的在泵浦光下探测光的透过谱曲线图；

[0030] 图6为本发明的超材料-微腔复合结构的实施例二的共振单元的俯视图；

[0031] 图7为本发明的超材料-微腔复合结构的实施例二的探测光的透过谱曲线图；

[0032] 图8为本发明的超材料-微腔复合结构的实施例二的泵浦探测谱线图；

[0033] 图9为本发明的超材料-微腔复合结构的实施例二的在泵浦光下探测光的透过谱曲线图；

[0034] 图10为本发明的超材料-微腔复合结构的实施例三的结构示意图；

[0035] 图11(a)～(d)分别为本发明的光子晶体微腔的各种结构的示意图。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

[0037] 实施例一

[0038] 如图1所示，本实施例的超材料-微腔复合结构从上至下依次包括：上层1、中间层2和下层3；其中，上层1为超材料；中间层2为二维材料；下层3为光学微腔；上层的超材料具有多个周期性排布的共振单元；共振单元的结构为破缺的半环型结构，材料采用金；中间层的二维材料采用二硫化钨；下层的光学微腔采用光子晶体微腔。

[0039] 如图2所示，破缺的半环型结构包括互相分离开的上半部分和下半部分；下半部分为横向矩形金属条；上半部分为两个对称的纵向矩形金属条。其中，共振单元的周期A为700nm；横向矩形金属条的长度L1为300nm，横向矩形金属条的宽度D1为90nm；纵向矩形金属条的长度L2为250nm，纵向金属条的宽度D2为90nm；两个纵向矩形金属条的间距D4为120nm；
横向矩形金属条与纵向矩形金属条的间距D3为60nm。

[0040] 在本实施例中，超材料为周期性排布的破缺的半环型结构，探测光垂直入射至超材料，超材料在红外光下激发产生表面等离激元感应透明，如图3所示；泵浦光从超材料入射至复合结构，泵浦光引起中间层的二维材料的折射率改变；泵浦光激发上层的超材料，引起局域场增强效应，并且泵浦光引起下层的光学微腔的局域场增强效应；超材料的局域场增强效应和光学微腔的局域场增强效应共同作用，进一步增强中间层的二维材料与泵浦光的相互作用，提高二维材料的非线性折射率，实现更好的全光可调性，减小响应时间。二硫化钼的非线性折射率经Z扫描测量为-6.97x10-12m2/W，比现有文献中报导的铌酸锂的非线性折射率大。在泵浦光下，二维材料的折射率会改变，从而使表面等离激元感应透明的透明窗口发生移动，即透射状态发生改变，如图4所示，对谱线的上升沿进行指数拟合得到响应时间仅为8.9ps。

[0041] 如图5所示，在不同强度的泵浦光下，透射谱线型移动，由此即可实现全光开光。对于部分波段，在仅有探测光没有泵浦光时透射率较大，处于全光开关的“开”状态，在泵浦光下，透射率由大变小，切换为全光开关的“关”状态。对于其他的部分波段，在仅有探测光没有泵浦光时透射率较小，处于全光开关的“关”状态，在泵浦光下，透射率由小变大，切换为全光开关的“开”状态。由于该结构响应时间极短，开关的切换过程极快。

[0042] 此外，该结构也可实现传感器功能。当结构周围存在颗粒或生物分子时，超材料的有效折射率会发生变化，透射谱线型会发生移动，从而可以通过谱线线型变化来探测颗粒或生物分子的存在。

[0043] 实施例二

[0044] 在本实施例中，共振单元的结构为不对称裂环型结构，如图6所示，包括互相分离开的上半部分和下半部分；上半部分部分为环型金属条，下半部分为矩形金属条，并且下半部分小于上半部分。其中，共振单元的周期A为765nm；下半部分为横向的矩形金属条，长度l1为595nm，宽度d1为80nm；上半部分为半环型金属条，长度l2为340nm，宽度d2为80nm，半环型金属条的内间距d4为435nm；上半部分与下半部分的间距d3为60nm。其他结构同实施例一。

[0045] 在本实施例中，超材料为周期性排布的不对称裂环型结构，探测光垂直入射至超材料，超材料在红外光下激发产生法诺共振，如图7所示；泵浦光从超材料入射至复合结构，泵浦光引起中间层的二维材料的折射率改变；泵浦光激发超材料，引起局域场增强效应，并且泵浦光引起下层的光学微腔的局域场增强效应；超材料的局域场增强效应和光学微腔的局域场增强效应共同作用，进一步增强中间层的二维材料与泵浦光的相互作用，提高二维材料的非线性折射率，实现更好的全光可调性，减小响应时间。二硫化钨的非线性折射率经Z扫描测量为1.07x10-12m2/W，比现有文献中报导的铌酸锂的非线性折射率大。在泵浦光下，二维材料的折射率会改变，从而使线型发生移动。如图8所示的泵浦探测谱线图中，横坐标是弛豫时间，表示泵浦光与探测光入射的时间差，纵坐标是探测光的透射率，对谱线的下降沿进行指数拟合得到响应时间为11.0ps。

[0046] 如图9所示，在不同强度的泵浦光下，透射谱线型移动，透射率发生改变。

[0047] 实施例三

[0048] 如图10所示，本实施例的超材料-微腔复合结构从上至下依次包括：上层1、中间层2和下层3；其中，上层1为超材料；中间层2为二维材料；下层3为光学微腔；上层的共振单元的结构为不对称裂环型结构，包括互相分离开的上半部分和下半部分；下半部分和上半部分分别为部分圆环型，并且，上半部分的圆环的半径大于下半部分的圆环半径。

[0049] 光子晶体微腔的结构如图11所示，(a)中的光子晶体微腔为周期性排列的空气孔中去掉一个空气孔形成的点缺陷构成；(b)中的光子晶体微腔为减小一个空气孔的尺寸形成的点缺陷构成；(c)中的晶体微腔为移动一个空气孔的位置形成的点缺陷构成；此外，也可以去掉多个空气孔构成光子晶体微腔，如(d)所示为去掉三个空气孔构成的光子晶体微腔。

[0050] 最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。