[发明专利]一种单颗粒表面等离激元电光调制器及其制备方法

说明书

本发明公布了一种单颗粒表面等离激元电光调制器及其制备方法。该电光调制器件在可见光波段实现对散射光光强主动调制，包括底电极、导电衬底、绝缘层、单层过渡金属硫族化合物，在单层过渡金属硫族化合物上具有相互远离的金属纳米结构和顶电极；底电极与顶电极与外部调制电压相连接，组成电光调制器的正负极，正负极之间由绝缘层隔开形成平板电容器型结构。当施加外部调制电压时，过渡金属硫族化合物费米能级发生移动进而改变其光学性质，其与金属纳米结构的耦合强度随之发生改变，从而实现对散射光场的调制。本发明是首个在纳米尺度上实现对光场调制的电光调制器，工作在可见光波段，具有稳定性高、响应速度快的特点。

技术领域

本发明涉及一种新型的电光调制器，特别涉及一种基于过渡金属硫族化合物的单颗粒表面等离激元电光调制器，可以实现在纳米尺度上的对光信号的电学调制。

背景技术

在纳米科技领域中，实现高速光电器件最重要的是在片上集成回路中实现对光的调控。传统的电光调制器件都在微米量级，不利于器件的小型化和速度的提升。因此，实现纳米级别的电光调制器成为亟待解决的问题。

近年来，以二硫化钼、二硫化钨等为代表的过渡金属硫族化合物表现出多种多样的电子特性。相比于传统三维光学材料，二维过渡金属硫族化合物表现出许多奇异的特性。首先，垂直于平面方向上的量子限域效应产生了与体材料不同的电学、光学特性。其次，它们的表面自然地钝化，没有悬挂键，使其很容易与光子晶体、波导、等离激元金属微纳结构集成。而且，虽然它们只有原子层厚度，但是许多二维材料与光的相互作用很强，例如，单层MoS₂在激子共振处(615nm和660nm)可以吸收10％的入射光。此外，二维过渡金属硫族化合物作为一种半导体材料，它的载流子浓度可以通过外界施加静电场进行调控，进而改变其光学吸收性质。

金属表面的相干电子振荡称为表面等离激元，它分为两种，一种是传播模式的表面等离极化激元和非传播模式的局域表面等离激元。前者是金属表面的自由电子与入射光子耦合产生的沿金属和电介质界面传播的电磁表面波。它是一种衰减波，垂直于金属电介质界面方向上，电场强度随距离呈指数衰减，并沿着金属和电介质界面传播。而局域表面等离激元广泛存在于金属纳米颗粒的散射中，是指金属纳米结构中的自由电子与电磁场相互作用，在金属表面产生集体振荡。它是一种非传播的元激发，可以引起金属表面的局域场增强，可以使得许多光学过程的转换效率得到显著提高。金属纳米结构中自由电子与外界光场耦合产生共谐振荡，称为表面等离激元共振，产生了一系列新奇的光学性质，例如选择性光散射和吸收、局域电场增强、电场强束缚、可远程传播等，在生物、化学、材料、能源等领域具有一系列重要广泛的应用，其中包括等离激元传感器、表面增强光谱、表面等离激元激光、表面等离激元光回路以及光逻辑运算，等等。同时，由于表面等离激元限域于金属纳米结构的表面，因此可以突破光的衍射极限，这一特点使得表面等离激元在超分辨成像技术、突破衍射极限的光刻技术、高集成光信息处理技术方面具有独特的优势。

由于等离激元具有显著的近场增强作用，利用这种近场增强可以大幅提高光与物质相互作用效率，可以有效提高过渡金属硫族化合物电光调制的效率。同时由于金属纳米颗粒的尺寸都在纳米量级，因而可以实现纳米尺度的电光调制器件。因此，本发明利用纳米微加工的方法制备过渡金属硫族化合物与金属纳米结构复合体系，金属纳米结构中等离激元共振产生的场增强，显著的增强了过渡金属硫族化合物的吸收效率，同时也提升了金属结构等离激元与过渡金属硫族化合物中激子的相互作用强度，最终使基于过渡金属硫族化合物的等离激元器件的电光调制效率可以大幅增加，在新型电光器件方面具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于单层过渡金属硫族化合物的单颗粒表面等离激元电光调制器及其制备方法，在纳米尺度上实现对光信号的电学调制。

本发明的技术方案如下：