[发明专利]一种范德华异质结负折射聚焦器件

说明书

本发明公开的一种范德华异质结负折射聚焦器件，包括由下至上依次设置的基底层、氧化钼层和石墨烯层；金属天线设置在氧化钼层上以及石墨烯层上；氧化钼层和石墨烯层构成石墨烯氧化钼范德华异质结。本发明通过基于氧化钼和石墨烯的范德华异质结来实现深亚波长负折射。无需复杂的微纳加工过程，能够有效避免反射和散射损耗。氧化钼声子极化激元与石墨烯表面等离激元所形成的混合拓扑极化激元可以通过对石墨烯费米能的调控实现对其色散轮廓的调控，从而实现界面处的深亚波长负折射，在此基础上，通过控制金属天线的位置，实现了全角负折射聚焦。

技术领域

本发明涉及极化激元的负折射聚焦领域，特别是涉及一种范德华异质结负折射聚焦器件。

背景技术

由于折射方向与常规折射方向相反，负折射在光学、电子、声学和磁学中受到了广泛的关注和研究，在亚波长成像和隐身等方面具有极大的应用潜力。在过去的二十年中，负折射的研究是基于金属超材料和介电光子晶体。这些材料是由周期性晶胞阵列组成，具有自然界中不存在的非凡光学特性。然而，超材料受到物理尺寸的限制，其工作范围主要在微波波段。光子晶体能够在纳米尺度操控光，但是其周期性阵列结构的加工过程会引入较大的散射和损耗。此外，金属等离子激元也被提出用于深紫外、可见光和近红外光谱区域的负折射。然而，其较弱的红外响应和严重的欧姆损耗限制了其向中红外波段的扩展。到目前为止，中红外和太赫兹频率的负折射仍然具有挑战性，对深亚波长尺度负折射的直接成像也难以实现。

二维范德华材料由于其能够支持不同类型的极化激元，为纳米尺度操控光带来了新的自由度。最近的理论研究提出了用二维材料中的极化激元来实现深亚波长中红外负折射，例如石墨烯条带或石墨烯-氮化硼面内异质结构的周期性阵列结构。然而，极化激元高度局域的特性限制了通过微纳结构的加工对其色散关系的调控。此外，在折射过程中不可避免地会出现纳米结构对光的反射和散射，从而带来巨大损失，阻碍了理论概念的实现。

发明内容

本发明的目的是提供一种范德华异质结负折射聚焦器件，能够实现界面处的深亚波长负折射。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种范德华异质结负折射聚焦器件，包括由下至上依次设置的基底层、氧化钼层、石墨烯层和金属天线；所述金属天线设置在所述氧化钼层上以及所述石墨烯层上；所述氧化钼层和所述石墨烯层构成石墨烯氧化钼范德华异质结。

可选的，所述基底层材料为金属材料、无机介电材料或有机高分子材料。

可选的，所述氧化钼层的平面几何尺寸为10um-500um；所述氧化钼层的厚度为10nm-1um。

可选的，所述石墨烯层的平面几何尺寸为1um-100um。

可选的，所述金属天线的平面几何尺寸为5nm-30um；所述金属天线的厚度5nm-5um。

可选的，所述范德华异质结负折射聚焦器件还包括金属电极；所述金属电极，设置在所述石墨烯层上，用于对所述石墨烯层施加偏压进而调控石墨烯的载流子浓度。

可选的，所述偏压的范围为0-100V。

可选的，所述载流子浓度范围为0-1×10¹⁴cm^-2。

一种范德华异质结负折射聚焦器件的制备方法，包括：

选取基底层材料，制备基底层；

制备氧化钼，并将所述氧化钼置于所述基底层上，得到氧化钼层；

制备单层石墨烯，并将所述石墨烯转移到所述氧化钼层上，得到石墨烯层；

在所述氧化钼层上表面与所述石墨烯层的交界线的两侧制备金属天线。

可选的，所述基底层包括由下至上依次设置的硅基底和金基底。