[发明专利]一种基于石墨烯-氮化硼横向异质结的双曲超表面及其制备方法和应用

说明书

本发明属于超表面、微纳光子技术领域，具体涉及一种基于石墨烯‑氮化硼横向异质结的双曲超表面材料及其制备方法和应用。本发明通过在衬底上覆盖异质结构层，形成具有若干条带状石墨烯层和若干条带状氮化硼层间隔排布形成的周期性纳米光栅结构。本发明可实现氮化硼面内声子极化子与石墨烯等离激元的耦合，形成兼具两种极化激元优异性质的等离激元‑双曲声子极化子杂化模式。本发明利用石墨烯费米能级可调的性质，可实现对该双曲超表面光场的动态调控，且该双曲超表面结构尺寸小，集成度高，适合于超高密度集成光路设计，在超表面成像和光能量传输器件等领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于超表面、微纳光子技术领域，具体涉及一种基于石墨烯-氮化硼横向异质结的双曲超表面和应用，可用于制备中红外波段超表面成像和光能量传输器件。

背景技术

作为电磁超构材料的一个重要分支，双曲超材料由于其独特的近场电磁波操控特性成为人们研究的焦点，通过改变组成双曲超材料结构单元的尺寸、排布规律，能够实现对双曲超材料内部表面等离子体激元激发强度的调控。双曲超表面作为一种特殊新型的平面超材料，具有双曲色散特性，在理论和应用上也与双曲超材料有着诸多共性。

极化激元能够突破传统光学衍射极限，在纳米尺度对光波长压缩并操控，是近年来纳米光子学研究领域的热点。二维材料呈现出特殊的电子能带结构，能够激发多种极化激元模式，声子极化子和表面等离极化激元，已经逐渐成为颇具生命力的研究方向。一方面，六方氮化硼是天然的双曲色散材料，利用其构造的双曲超表面表现出极强的各向异性和极低衰减的声子极化子，对电磁波波前具有极强的调制能力。另一方面，石墨烯已被证实是一种理想的表面等离激元材料。表面等离激元具有独特的光学性质，是纳米光学和表面增强光谱学等新兴领域的重要基础，也是对电磁波波前进行操纵的重要媒介。

近几年，基于天然双曲材料与石墨烯异质结的纳米光子学研究方兴未艾。人们分别提出了将单层石墨烯与单层氮化硼面内异质结构，单层石墨烯与氮化硼薄片异质结构等模型。这些异质结构可以很好实现氮化硼面外双曲声子与石墨烯表面等离激元的耦合，但无法实现对电磁波有效的压缩和操控，对电磁波的调制效果不佳。

因此，人们开始设计其他功能结构以实现在纳米尺度对光波长压缩并操控，氮化硼面内双曲超表面是最近报道的一种特殊的双曲超表面，可实现面内声子耦合，形成面内双曲波前。这对光波长的压缩和操纵具有重要的意义。然而，氮化硼面内双曲超表面对光的压缩和局域束缚能力较弱，而且大部分被压缩的光能量以欧姆损失在双曲超表面内部消耗，导致双曲超表面对光的调制能力变弱，这对超表面成像和光能量传输器件具有较大影响。此外，氮化硼双曲声子受到晶格特性限制，难以实现动态调控双曲波前。

因此，如何利用双曲超表面实现对电磁波更为有效的压缩和操控成为一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的一个目的是针对上述现有技术中存在的问题，设计一种基于石墨烯-氮化硼横向异质结的双曲超表面。本发明的双曲超表面材料可利用氮化硼面内双曲声子与石墨烯表面等离激元的有效耦合形成具有兼具两种极化子优异特性的等离激元-双曲声子极化子，同时，本发明的异质结双曲超表面还可以对光有效的压缩与动态调控。

本发明的第二个目的在于提供所述基于石墨烯-氮化硼横向异质结的双曲超表面的制备方法。

本发明的第三个目的是提供所述基于石墨烯-氮化硼横向异质结的双曲超表面在制备超表面成像和光能量传输器件中的应用。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种基于石墨烯-氮化硼横向异质结双曲超表面，包括衬底，以及覆盖于衬底上的异质结构层，所述异质结构层具有纳米光栅结构。

具体的，所述异质结构层由石墨烯和氮化硼两种材料组成，异质结构层具有若干条带状石墨烯层和若干条带状氮化硼层间隔排布形成的周期性纳米光栅结构。