[发明专利]一种动态可重构的柔性等离激元调制器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种动态可重构的柔性等离激元调制器及其制备方法。该调制器包括：柔性/弹性衬底、导体或半导体材料的微纳结构、左电极和右电极；所述导体或半导体材料的微纳结构分别与左右电极相连以便能形成电流的闭合回路，且它们都位于柔性/弹性衬底的表面上。该调制器主要是由金属/介质微纳结构和与之相连的左右电极在柔性/弹性衬底上制备而形成，是基于一种新型的调控机制——电流激发的局域热机械效应，能够动态调控局域表面等离激元共振波长和振幅。这种具有较大调制深度和低能耗等优点的器件，在发展新型柔性器件方面具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉一种柔性器件的结构设计及制备该类器件的方法，具体涉及一种动态可重构的柔性等离激元调制器件及其制备方法。

背景技术

高效、紧凑、可控的光学元件对获得下一代高密度的光电集成回路具有重要意义。通常，采用干涉光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻蚀等传统的纳米制备技术在刚性衬底上制备出的光电元件或器件，其光学性质就被确定下来了。这些确定的光学特性仅可应付集成光子学中的波导、传感和增强等被动功能，而在调谐、调制/开关、激射等主动功能方面受到限制。

与基于刚性衬底的器件相比，将柔性/弹性衬底与功能性元件结合而形成的柔性器件具有多方面的优势，如柔韧性、动态调谐和生物相容性等,已经引起了众多科学家的极大关注。正是这些特性使之被广泛应用于各个领域，如可全彩调谐的柔性等离激元器件，可变焦的平镜头，可拉伸的穿戴式有机晶体管等。

不幸的是，采用传统的纳米制备技术很难直接在易变形的柔性/弹性衬底上制备各种微纳结构。为了实现动态调控柔性等离激元纳米结构，科学家发展了许多相关的动态调控技术，如机械拉伸、库仑力、洛伦兹力、光力和热膨胀等驱动方式。

然而，如何以一种易于操作的方式实现较大调制深度和低能耗的光学调谐依然是一个挑战。机械驱动通常需要一个额外的机械拉伸装置，而它难以集成到光电集成回路中。有关磁和光的驱动，尽管理论上可以实现相对大的调制深度，然而，迄今为止，实验上在近红外波段的调制深度小于3％(Valente,J.et al,A magneto-electro-optical effect ina plasmonic nanowire material.Nature communications.2015,6:7021)。

此外，光子超材料可以通过外加控温设备进行热动态调控(Ou,J.Y.et al.,Reconfigurable photonic metamaterials.Nano Letters.2011,11(5):2142-2144)，而该调控过程中往往伴随着大量能量损失和很高的能量需求，并且若以低热膨胀系数的氮化硅作为衬底材料会严重限制器件的性能。

为了降低能量消耗，可考虑通过减小衬底上热调控的区域，或采用较大热膨胀系数的衬底材料。比如，选择基于金属纳米线的加热方式，这种方式得益于自热效应(self-heating effect)，在实际操作中可以获得准确、稳定的工作温度。

目前，该调制器的制备方法主要是：利用柔性/弹性衬底直接将金属/介质微纳结构和左右电极一起从刚性衬底上转移下。然而，由于柔性/弹性衬底在转移过程中容易发生不可预期的变形，导致这种工艺技术的成功率非常有限。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种动态可重构的柔性等离激元调制器，该调制器可以通过控制输入电流动态可重构的调控其光学特性，这种具有较大调制深度和低能耗等优点的器件，在发展新型柔性器件方面具有广阔的应用前景。

本发明的另一目的是提供一种上述动态可重构的柔性等离激元调制器的制备方法，该方法是基于一种新型的调制机制-电流激发的局域热机械效应，能够动态调控局域表面等离激元共振波长和振幅，实现较大的波长调谐和调制深度。

本发明所采用的技术方案如下：