[发明专利]基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的多层人工电磁超材料，在生命科学、材料科学、物理学、化学、医学及纳米技术等领域具有广阔的应用前景。

背景技术

1986年，Ashkin等发现单独一束高度聚焦的激光就足以形成三维稳定的能量阱，可以吸引电介质粒子并将其束缚在光腰中央，于是第一个光镊子(单光束梯度力阱)诞生了。由于它可以用来捕获并移动从数十纳米到数十微米的微小粒子，因此光镊技术已经在众多科学领域获得重大发展。梯度力阱是该技术的核心部分，而如何控制梯度力阱的大小、方向和工作频率是目前该领域的研究热点。  

2005年, Povinelli等提出在一对相同的谐振腔中，通过控制其谐振模式的相互间的作用，可以改变梯度力阱的方向。 2006年，Quidant等提出通过控制入射光的频率和相位，可以控制梯度力阱的大小和方向，进而实现对不同尺寸粒子的选择。2009年，Roels 等提出可以通过改变注入到光波导的光场相位对梯度力阱的方向进行调谐。2010年，Gao等提出可以通过使用贝塞尔高斯光束对梯度力阱进行调谐。2011年，Rodriguez 等人提出通过非对称谐振腔结构对梯度力阱方向进行调谐。上述调谐梯度力阱的方法，大多需要引入多个复杂光学器件或者对入射光的要求较高，同时，上述方法仅对梯度力阱的方向和大小进行控制，而忽略了如何控制梯度力阱的工作频带。因此，给光镊的实际应用带来很大的难度。

因此，本发明提供一种基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的多层人工电磁超材料。所述的人工电磁超材料具有很强的磁偶极子，因此在结构表面会产生很大的梯度力来克服散射力，进而产生梯度力阱，实现对微粒的有效抓捕。通过在人工电磁超材料中引入拓扑材料材料或者石墨烯材料，使其所产生的梯度力阱的大小、方向和工作频带都具有可调谐性。本发明利用拓扑材料材料或者石墨烯材料的介电系数及表面电阻率随外加电场、温度、注入光强、拓扑材料和石墨烯的厚度改变而变化的特性，实现具有可调谐梯度力阱的多层人工电磁超材料。 

发明内容

本发明针对上述可调谐梯度力阱的问题，提供了一种基于拓扑或者石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的多层人工电磁超材料，该器件具有结构简单、操作容易、 调谐范围大等特点。

本发明解决问题采用的技术方案如下：

基于拓扑和石墨烯材料的具有可调谐梯度力阱的人工电磁超材料是一个多层结构器件。其上具有亚波长周期性谐振单元阵列，使其在结构表面具有梯度力阱，通过改变拓扑材料和石墨烯材料的介电常数及表面电阻率，使梯度力阱的大小、方向和谐振频率发生改变，从而实现可调谐梯度力阱。

一种具有可调谐梯度力阱的多层人工电磁超材料，该人工电磁超材料是多层结构，第一种结构是通过在衬底材料上生长金属层、拓扑材料或者石墨烯材料层、金属层和氧化层，然后在多层结构上刻蚀周期性谐振单元阵列而成；

第二种结构，是通过在衬底材料上生长金属层、介质层、金属层，然后在多层结构上刻蚀周期性谐振单元阵列，最后在谐振单元阵列表面镀上拓扑材料或者石墨烯材料层而成。

所述的周期性谐振单元阵列是圆形、矩形、椭圆形、三角形、弧形、十字形、六边形、不对称开环、螺旋结构或共轭卍字形等。

所述的介质层可以是Al₂O₃层、Si₃N₄层、MgF₂层或SiO₂层等。

所述的拓扑材料层可以是Bi_xSb_1-x层、HgTe 层、Bi₂Te₃ 层、Bi₂Se₃ 层或Sb₂Te₃ 层等。

所述的石墨烯层是单层碳原子层，由石墨烯层和M层碳原子层构成，其中1<M<100。

所述的氧化层可以是In₂O₃层、SnO₂ 层或ITO层等。

所述的衬底层可以是BK7光学玻璃层、SiO₂层、Si₃N₄层或Al₂O₃层等。

所述的多层结构可以通过材料生长工艺实现，包括电子束蒸发，金属有机化合物化学气相沉淀，气相外延生长，范德华外延法，取向附生法-晶膜生长，和分子束外延技术