[发明专利]一维单晶锗基石墨烯等离激元纳米结构的制备方法

说明书

本发明提供了一种一维单晶锗基石墨烯等离激元纳米结构的制备方法，步骤如下：（1）在衬底上利用磁控溅射的方法溅射金纳米薄膜；（2）在步骤（1）得到的衬底上采用化学气相沉积生长掺杂锗单晶纳米线；（3）在步骤（2）得到的掺杂锗单晶纳米线表面采用化学气相沉积直接生长高质量石墨烯，获得一维锗基石墨烯表面等离激元纳米结构。本发明通过化学气相沉积法在锗单晶纳米线表面直接生长石墨烯，避免了传统的石墨烯薄膜转移过程，最大程度上减小了转移过程对石墨烯载流子迁移率的影响，增强了锗与石墨烯之间中红外表面等离激元的耦合。本发明所提供的材料具有强烈且可调的表面等离激元效应，有望在分子指纹检测、中红外传感、光子芯片等领域广泛应用。

技术领域

本发明涉及极化激元纳米结构制备领域，具体涉及一种一维单晶锗基石墨烯等离激元纳米结构的制备方法。

背景技术

随着现代信息技术的飞速发展，人们对于器件微型化、高度集成化和光数据处理的要求越来越高，在纳米级尺度增强电子、光子与物质相互作用，实现光学传输与操控成为普遍关注的热点。表面等离激元能够突破传统光学衍射极限，具有很强的局域电磁场增强特点，使其在高灵敏度生物检测、传感和新型光源等领域有着广阔的应用前景。

然而，目前对于等离激元的研究大多都是基于金、银等贵金属，光学响应通常处于可见光和近红外波段，对于中红外波段的表面等离激元探究则较少。同时，对于金属而言，一旦固定金属的材料、形状和大小，其等离激元波长很难调控。对于半导体材料，通过调整掺杂程度或者施加电场便可实现等离激元波长可调。石墨烯作为一种二维半金属材料，具有超高的载流子迁移率和较宽的响应波段，在中红外和太赫兹波段可激发高度局域的表面等离激元，且损耗较低。目前制备的石墨烯基等离激元纳米结构大都依靠转移之后的石墨烯与其他贵金属材料进行复合，在这一过程中引入的样品污染会直接影响石墨烯载流子的迁移率，进而影响其等离激元寿命。同时，由于与入射光动量和能量的失配，石墨烯等离激元的光响应往往较弱，成为亟需解决的挑战。掺杂锗纳米结构是一种新兴的半导体等离激元材料，具有与石墨烯类似可调的中红外等离激元效应，且中红外光损耗较低。将锗等离激元纳米结构用于增强石墨烯的等离激元效应将是实现石墨烯等离激元耦合、光与物质强相互作用的重要手段，该方面的研究目前鲜有报道。

目前已公开的锗基石墨烯制备方法有化学气相沉积法、外延生长法和氧化还原法等。其中化学气相沉积和外延生长方法都可以获得高质量的石墨烯薄膜，但二者大都在锗单晶薄膜上进行生长，与硅基器件技术不兼容；通过氧化还原法制备的粉体石墨烯虽然对于基底的要求较低，但石墨烯的质量较差。专利CN110875470A中公开了一种无定形锗基纳米线-石墨烯纳米复合锂离子电池负极材料及制备方法，该方法采用还原氧化石墨烯与无定形锗线进行超声分散再抽滤真空干燥得到样品，整个实验周期较长且复杂，容易引入其他污染物，且对于还原氧化石墨烯无论是结晶度还是洁净度都无法与化学气相沉积制备的高质量石墨烯相比拟，因此也无法用于对样品质量要求较高的表面等离激元效应研究。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种一维单晶锗基石墨烯等离激元纳米结构的制备方法，通过化学气相沉积法在掺杂锗单晶纳米线表面直接生长石墨烯，构建等离激元纳米复合结构。本发明采用化学气相沉积的方法，在一维掺杂锗单晶纳米线表面直接生长高质量石墨烯，实现一维等离激元纳米结构的可控制备。与以往方法相比，本发明整个实验过程耗时短，制备方法简单，可重复性高，同时实现了锗纳米线/石墨烯复合结构的尺寸和掺杂的调控，为推动高灵敏度、低成本等离激元传感材料的制备及其分子指纹检测等方面应用开辟了新思路。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种一维单晶锗基石墨烯等离激元纳米结构的制备方法，步骤如下：

（1）在衬底上利用射频磁控溅射方法，在真空环境下溅射金纳米薄膜，通过调整溅射功率、温度和时间实现对金膜厚度的控制；