一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊

一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊
(一)技术领域
1.本发明涉及微纳光电子器件领域，具体是一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊。
(二)

背景技术：

2.自从1980年，阿瑟阿什金首次在实验和理论上证明了通过聚焦激光束就可以实现对粒子的捕获和移动。光镊技术就受到了科学家的关注和研究，被广泛的应用在了生物医学、微纳传感等诸多领域。光镊技术被认为是一种理想的、无污染、无伤害的工具，并且产生了包括激光光镊、全息光镊、空间光调制光镊等诸多技术分支。但是由于衍射极限的限制，这些传统的光镊难以捕获小于入射光波长(1064nm)的微纳粒子。为了克服这一困境，具有人工微纳结构的等离子体光镊应运而生。
3.随着微纳工艺技术的进步，具有小于波长大小的人工超表面得到了广泛的应用。超表面可以实现对电磁波、振幅、相位、偏振等的调节。局域等离激元共振是设计超表面的一个重要的原理。局域等离激元是外界电场与金属中的自由电子相互作用所产生的一种共振模式，在外界电磁波(光场)的激励下，如果电子的共振频率与激励源的频率相近时就会产生共振，在共振状态下电磁场的能量被有效的转化成了金属表面自由电子的集体震荡，这就是局域等离激元现象。局域等离激元共振是等离激元现象的一种，一般产生于外场和单个金属颗粒的作用。在产生局域等离激元共振的同时，在金属表面会产生极大的近场增强，能够局域能量。
4.等离子体光镊自第一次被提出就受到了科学家的关注，并且获得了广泛的研究。但是，目前研究的重点在于，设计各种微纳结构增强局域等离子体共振。当设计完成之后，主要通过调整入射光的状态(强度、波长、偏振)进行调节，相对复杂，且难于配置。石墨烯是一种由碳原子以正六边形晶格蜂窝状结构排列而成的二维纳米材料，其具有优异的导热、导电、光学、电学和力学等特性，更重要的是它还具有对称锥型零带隙结构，拥有极高的电子和空穴迁移率，并可以通过外加偏置电压或者化学掺杂来改变载流子浓度实现石墨烯表面电导率调控，进而实现光电器件在工作时动态可调，基于石墨烯这一独特的性质，使得石墨烯作为一种动态可调材料具有巨大的实用价值。
5.在此背景下，本发明提供了一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊研究及其实现方法。本发明提供的了一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊除了可以实现稳定的捕获纳米粒子之外，还可以通过外加电压调节粒子所受到的光学力。在生物传感，增强拉曼传感，微纳加工等诸多领域具有重要的应用价值。
(三)

技术实现要素：

6.针对上述问题，本发明主要是提供一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊。
7.本发明的目的是这样实现的：
8.一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊，其自上而下包括导电胶层、石墨烯圆盘、介质基底层组成。一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊工作在折射率为1.33的水溶液环境中。本发明在二氧化硅衬底上通过气相沉积法和电子束刻蚀的方法加工有单层的石墨烯圆盘。本发明在石墨烯圆盘上方通过旋转涂胶法覆盖了一层导电凝胶。在电场方向平行于x轴方向的线偏振光的激励下，石墨烯圆盘产生局域等离子体共振，形成偶极子，实现极大的近场增强。当微纳粒子靠近石墨烯圆盘的时候，因为受到电场极化，所以会产生一个偶极矩，成为了一个极化粒子。一个极化的粒子在电场中会受到库仑力的作用，进而实现粒子的稳定捕获。本发明可以利用石墨烯凝胶的导电性能，调节石墨烯圆盘的化学势，进而改变石墨烯的光学响应，实现对光学力的调节。
9.上述技术方案采用如下的优选方式：
10.所述介质层材料为二氧化硅，折射率为1.45；所述的石墨烯圆盘的直径为d＝80nm；所述的导电胶的厚度为h＝20nm，折射率为1.52，所述的单元周期为w＝800nm。入射光的功率设置为1mw/um^2。
11.与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明设计了。本发明除了可以实现对粒子的稳定捕获，还可以对俘获深度进行调谐。通过外加偏置电压实现石墨烯化学势的变化，进而实现改变俘获粒子的受力，可以实现俘获深度的调谐。本发明结构简单，体积小，集成度高，易于加工等特点。
(四)附图说明
12.图1为一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊的立体结构示意图。
13.图2为一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊在xy平面上的示意图。
14.图3为一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊在入射光照射下，中心位置在石墨烯圆盘上方80nm处的聚乙烯小球(半径为50nm、折射率为1.6)沿着x轴方向移动所受到的光学力曲线图。
15.图4为一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊在入射光照射下，中心位置在石墨烯圆盘上方80nm处的聚乙烯小球(半径为50nm、折射率为1.6)沿着x轴方向移动所受到的光学力所产生的俘获深度图。
16.图5为一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊在入射光照射下，中心位置在石墨烯圆盘上方80nm处的聚乙烯小球(半径为50nm、折射率为1.6)沿着y轴方向移动所受到的光学力曲线图。
17.图6为一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊在入射光照射下，中心位置在石墨烯圆盘上方80nm处的聚乙烯小球(半径为50nm、折射率为1.6)沿着y轴方向移动所受到的光学力所产生的俘获深度图。
18.图7为一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊在入射光照射下，石墨烯圆盘处在不同的化学势(费米能级为0.6ev、0.59ev、0.58ev)时，中心位置在石墨烯圆盘上方80nm处的聚乙烯小球(半径为50nm、折射率为1.6)沿着x轴方向移动所受到的光学力x光学力曲线图。
19.图8为一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊在入射光照射下，石墨烯圆盘处在不同的化学势(费米能级为0.6ev、0.59ev、0.58ev)时，中心位置在石墨烯圆盘上
方80nm处的聚乙烯小球(半径为50nm、折射率为1.6)沿着x轴方向移动所受到的光学力的俘获深度图。
(五)具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
21.如图1、2所示，一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊，由介质层3(折射率为1.45)，石墨烯层2，导电凝胶层1(折射率为1.52)组成。一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊工作在折射率为1.33的水溶液环境中。石墨烯圆盘的的直径为d＝80nm，一个石墨烯圆盘结构的周期为w1＝800nm。石墨烯的电导率可以通过电调谐的方式进行调节。
22.石墨烯的电导率特性通过以下的公式计算：
[0023][0024]
其中h为约克化的普朗克常数，e为电子电荷数，ω为入射光的频率，kb为玻尔兹曼常数，τ为电子的弛豫时间，t为工作环境的温度，ef是石墨烯的费米能级。
[0025]
光学力的计算方法为：
[0026][0027]
其中s是纳米粒子的外表面，是积分区域s的法线方向。t是电磁场时间平均麦克斯韦张量。
[0028]
俘获深度的计算方法为：
[0029][0030]
其中kb为玻尔兹曼常数,t为工作环境的温度,f为粒子受到的光学力，r0为粒子移动的距离。
[0031]
图3为中心位置在导电凝胶上方60nm处的聚乙烯小球(半径为50nm、折射率为1.6)沿着x轴方向移动受到的光学力曲线图。从图中可知，粒子在x轴的负半轴时受到的x轴方向光学力为负力(fx《0)，在x轴的正半轴时受到的为正力(fx》0)。粒子在y轴几乎不受到光学力(fy≈0)，在z轴受到的力都是负力(fz《0)。此现象表明了，可以稳定的将粒子俘获在石墨烯圆盘的中央。
[0032]
图4为根据图3所示的光学力所计算的在x轴的俘获深度。从图中可知，俘获深度大于10kbt。此现象表明了，一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊可以克服布朗运动实现对粒子的稳定捕获。
[0033]
图5为中心位置在导电凝胶上方60nm处的聚乙烯小球(半径为50nm、折射率为1.6)
沿着y轴方向移动受到的光学力曲线图。从图中可知，粒子在y轴的负半轴受到的y轴方向光学力为负力(fy《0)，在y轴的正半轴时受到的为正力(fy》0)。粒子在y轴几乎不受到光学力(fy≈0)，在z轴受到的力都是负力(fz《0)此现象表明了，可以稳定的将粒子俘获在石墨烯圆盘的中央。
[0034]
图6为根据图3所示的光学力所计算的在y轴俘获深度。从图中可知，俘获深度大于10kbt。此现象表明了，一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊可以克服布朗运动实现对粒子的稳定捕获。
[0035]
图7为本发明在不同石墨烯化学势时，中心位置在导电凝胶上方60nm的聚乙烯小球(半径为50nm、折射率为1.6)沿着x轴方向移动受到的光学力曲线图。图中4中不同的受力曲线分别为不同的石墨烯化学势依次为0.6ev、0.59ev、0.58ev时仿真计算出来的结果。从图中的结果可见，随着石墨烯化学势能的增加，粒子在x轴上受到的光学力显著增加。此现象表明可以通过改变石墨烯的化学势从而可以有效的调节处在工作状态下时一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊对粒子所产生的光学力，进而实现了对力的调谐。
[0036]
图8为石墨烯化学势依次为0.6ev、0.59ev、0.58ev时仿真计算出来的结果时，通过光学力所计算的俘获深度。从图中可知通过调节石墨烯的化学势，就能对俘获深度进行调节。
[0037]
本发明的一种电调谐的石墨烯圆盘纳米粒子等离子体光镊除了可以实现对纳米粒子的稳定捕获之外，还可以通过调节石墨烯圆盘的化学势来实现对捕获粒子受到的光学力进行调谐。未来可以广泛的应用在生物传感，微纳测量等诸多前沿领域。
[0038]
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。