杂化等离激元手性增强装置及系统
阅读说明：本技术 杂化等离激元手性增强装置及系统 (Hybrid plasmon chiral enhancement device and system ) 是由 王勇凯 董军 王忠玉 王琦璟 王倩颖 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及杂化等离激元手性增强装置及系统,具体而言涉及光电器械领域。本申请将金属纳米结构层设置在金属基底上,金属基底与金属纳米结构层之间填充有介质层。在金属纳米结构层的上下表面附近至少一个位置设置有石墨烯层。通过金属纳米结构层中的“h”形金属纳米结构和石墨烯层之间产生的局域表面等离激元共振杂化,使得设置在金属纳米结构层附近的石墨烯层的热损耗和表面电流增强,进而提高了入射光和手性微纳米装置之间的相互作用,增强了金属纳米结构层的光学手性。(The invention relates to a hybrid plasmon chiral enhancement device and a system, in particular to the field of photoelectric instruments. The metal nano-structure layer is arranged on the metal substrate, and the dielectric layer is filled between the metal substrate and the metal nano-structure layer. Graphene layers are arranged at least at one position near the upper surface and the lower surface of the metal nanostructure layer. Through the local surface plasmon resonance hybridization generated between the h-shaped metal nanostructure in the metal nanostructure layer and the graphene layer, the heat loss and the surface current of the graphene layer arranged near the metal nanostructure layer are enhanced, the interaction between incident light and the chiral micro-nano device is further improved, and the optical chirality of the metal nanostructure layer is enhanced.)
技术领域
本发明涉及光电器械领域，具体而言，涉及一种杂化等离激元手性增强装置及系统。
背景技术
手性结构是指不能与其镜像重合的结构。互为手性对应体的结构对左旋偏振光(LCP)和右旋偏振光(RCP)有着不同的光学响应。这种不同的光学响应称之为圆二色性(CD)。相对于手性分子，贵金属与光的相互作用更强，使得人造手性金属纳米结构展现出更强的CD信号。人造手性金属纳米结构已将被应用与不同的领域，例如分析化学、生物传感、负折射材料和宽带圆偏振器件。
现有技术中，研究人员通过增加金属纳米系统的非对称性增强CD信号。对于二维平面对称金属纳米结构，可以通过非对称的斜入射光产生手性信号。然而，二维平面手性金属纳米结构，仅在垂直入射光激发下就可以产生CD信号。相比于二维平面手性金属纳米结构，三维平面手性金属纳米结构具有更高的不对称性，因此可以产生更强的CD信号。
但是现有技术中的结构，对圆二色性的增强程度较弱。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术中的不足，提供一种杂化等离激元手性增强装置及系统，以解决现有技术对圆二色性的增强程度较弱的问题。
为实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本发明实施例提供了一种杂化等离激元手性增强装置，杂化等离激元手性增强装置包括：金属纳米结构层、金属基底、介质层和石墨烯层；
金属纳米结构层包括多个“h”形金属纳米结构，金属纳米结构层设置在金属基底上，金属基底与金属纳米结构层之间填充有介质层，金属纳米结构层靠近介质层的位置或者远离介质层的位置中至少一个位置设置有石墨烯层。
可选地，该金属纳米结构层和金属基底的材料包括：银、金和钼中任意一种金属。
可选地，该金属纳米结构层中的“h”形金属纳米结构的高度为160nm-240nm。
可选地，该“h”形金属纳米结构包括：第一纳米棒、第二纳米棒和第三纳米棒，第一纳米棒与第二纳米棒垂直，第三纳米棒与第一纳米棒垂直。
可选地，该第一纳米棒的长度为30nm-50nm。
可选地，该第二纳米棒的长度为30nm-50nm。
可选地，该第三纳米棒的长度为160nm-240nm。
可选地，该介质层的材料包括：二氧化硅和二氧化锗中任意一种。
可选地，该介质层的厚度为0.1nm-5nm。
第二方面，本申请还提供一种杂化等离激元手性增强系统，杂化等离激元手性增强系统包括：光谱仪和第一方面任意一项的杂化等离激元手性增强装置，光谱仪与杂化等离激元手性增强装置连接，用于对该杂化等离激元手性增强装置上共振光进行检测。
本发明的有益效果是：
本申请将金属纳米结构层设置在金属基底上，金属基底与金属纳米结构层之间填充有介质层。在金属纳米结构层的上下表面附近至少一个位置设置有石墨烯层。通过金属纳米结构层中的“h”形金属纳米结构和石墨烯层之间产生的局域表面等离激元共振杂化，使得设置在金属纳米结构层附近的石墨烯层的热损耗和表面电流增强，进而提高了入射光和手性微纳米装置之间的相互作用，增强了金属纳米结构层的光学手性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明一实施例提供的杂化等离激元手性增强装置的主视图；
图2为本发明一实施例提供的杂化等离激元手性增强装置的俯视图；
图3为本发明一实施例提供的杂化等离激元手性增强装置的另一种结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的一种杂化等离激元手性增强装置对左、右旋偏振光的吸收效果图；
图5为本发明一实施例提供的一种杂化等离激元手性增强装置圆二色性吸收光谱效果图；
图6为本发明一实施例提供的另一种杂化等离激元手性增强装置对左、右旋偏振光的吸收效果图；
图7为本发明一实施例提供的另一种杂化等离激元手性增强装置圆二色性吸收光谱效果图。
图标：10-金属基底；20-金属纳米结构层；30-介质层；40-石墨烯层。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1为本发明一实施例提供的杂化等离激元手性增强装置的主视图；图2为本发明一实施例提供的杂化等离激元手性增强装置的俯视图。如图1和图2所示，本申请实施例提供了一种杂化等离激元手性增强装置，杂化等离激元手性增强装置包括：金属纳米结构层20、金属基底10、介质层30和石墨烯层40；金属纳米结构层20包括多个“h”形金属纳米结构，金属纳米结构层20设置在金属基底10上，金属基底10与金属纳米结构层20之间填充有介质层30，金属纳米结构层20靠近介质层30的位置或者远离介质层30的位置中至少一个位置设置有石墨烯层40。
金属纳米结构层20由多个“h”形金属纳米结构构成，该金属纳米结构层20一端设置有金属基底10，并且在该金属纳米结构层20与金属基底10之间填充有介质层30，该金属纳米结构层20的周围设置有石墨烯层40，该石墨烯层40与该金属纳米结构层20紧贴设置。由于该石墨烯层40的材料为石墨烯，石墨烯具有良好的光电效应，在光照下可以和金属纳米结构层20发生表面等离激元杂化，使得该金属纳米结构层20的表面电流减弱，同时极大地增强了设置在该金属纳米结构层20附近的石墨烯层40表面的热损耗和表面电流，提高了纳米结构和入射光的相互作用，进而增强了金属纳米结构层的光学手性；需要说明的是，该金属纳米结构层20中的“h”形金属纳米结构的数量根据实际情况进行设置，在此不做限定，该石墨烯层40的厚度根据实际需要和工作人员经验进行设置，在此不做限定。
图3为本发明一实施例提供的杂化等离激元手性增强装置的另一种结构示意图；如图3所示，当该金属纳米结构层20靠近介质层30和远离介质层30的位置均设置有该石墨烯层40的时候，两层石墨烯层40和一个金属纳米结构层20组成了一个等效电容，该金属纳米结构层20靠近介质层30的石墨烯层40相当于底部电导，该金属纳米结构层20远离该介质层30的石墨烯层40相当于顶部电导，该底部电导和顶部电导用于吸收光的入射能量，并且该顶部电导和底部电导与金属纳米结构层20之间均存在一定的间隙，该底部电导和金属纳米结构层20之间的间隙构成了第一电容，该顶部电导和金属纳米结构层20之间的间隙构成了第二电容，电流在该第二电容中为顺时针流动，在该第一电容中逆时针流动，通过光速、总电感和总电容的关系，可以计算出该杂化等离激元手性增强装置的谐振波长λI，其中λI的计算公式如下：
其中，c0表示自由空间汇总的光速；Ltot-I表示该装置的总电感；Ctot-I表示该装置的总电容。
需要说明的是，当该金属纳米结构层20靠近介质层30和远离介质层30的位置均设置有该石墨烯层40的时候，增强了金属纳米结构层20两侧的表面电流的流动情况以及热损耗，进而提高了入射光和手性微纳米装置之间的相互作用。另外，在金属纳米结构层20靠近介质层30的位置或远离介质层30的位置设置石墨烯层40，计算该杂化等离激元手性增强装置的谐振波长与上述计算方法相同，在此不做赘述。并且通过增强金属纳米结构层20靠近介质层30一侧或者远离介质层30一侧的表面电流流动情况以及热损耗的效果与上述两个实施例的效果类似，在此不做赘述。
可选地，该两个“h”形金属纳米结构之间的位置也可以设置有石墨烯层40，计算该杂化等离激元手性增强装置的谐振波长与上述计算方法相同，并且通过增强两个“h”形金属纳米结构之间的石墨烯层40的表面电流流动情况以及石墨烯层40的热损耗。
可选地，金属纳米结构层20的材料包括：银、金和钼中任意一种金属。
具体地，该金属纳米结构层20中的“h”形金属纳米结构的材料可以是银、金和钼中任意一种单一金属，也可以是银、金和钼中多种金属的组合，在此不做限定；可选地，由于贵金属具有良好的光电特性，则也可以将该金属纳米结构层20设置的材料设置为贵金属材料。
可选地，金属纳米结构层20中的“h”形金属纳米结构的高度为160nm-240nm。
该“h”形金属纳米结构的高度一般设置为160nm-240nm，优选的，该“h”形金属纳米结构的高度为160nm、200nm和240nm中任意一种，将该“h”形金属纳米结构设置为160nm-240nm利于加工，且对入射光线的损耗较低。
可选地，该“h”形金属纳米结构包括：第一纳米棒、第二纳米棒和第三纳米棒(图中未示出)，第一纳米棒与第二纳米棒垂直，第三纳米棒与第一纳米棒垂直。
金属纳米结构层包括多个“h”形金属纳米结构，每个“h”形金属纳米结构均包括：该第一纳米棒、第二纳米棒和第三纳米棒，该第一纳米棒、第二纳米棒和第三纳米棒的材料根据实际情况进行设定，在此不做具体限制，该第一纳米棒、第二纳米棒和第三纳米棒设置在该石墨烯层40远离该金属基底10的一侧，且该第一纳米棒、该第二纳米棒和第三纳米棒设置在同一个平面上，且该第一纳米棒与第二纳米棒垂直，第三纳米棒与第一纳米棒垂直，需要说明的是，该第一纳米棒、第二纳米棒和第三纳米棒的具体尺寸根据实际情况进行设定，在此不做限制。
可选地，该第一纳米棒的长度为30nm-50nm。
可选地，该第二纳米棒的长度为30nm-50nm。
可选地，该第三纳米棒的长度为160nm-240nm。
该第一纳米棒、第二纳米棒和第三纳米棒的长度根据实际需要进行选择，在此不做限定。
可选地，该介质层30的材料包括：二氧化硅和二氧化锗中任意一种。
由于该介质层30设置在该金属基底10与金属纳米结构层20之间，需要绝缘材料，使得该杂化等离激元手性增强装置带电，但是不将电导到金属基底10上，则可以将该介质层30设置为二氧化硅和二氧化锗中的任意一种，在此不做限定。
可选地，介质层30的厚度为0.1nm-5nm。
介质层30的厚度根据实际需要进行选择，一般的，该介质层30的厚度可以为：0.5nm、1nm、2nm、3nm、4nm、5nm，在此不做具体限定。
图4为本发明一实施例提供的一种杂化等离激元手性增强装置对左、右旋偏振光的吸收效果图；图5为本发明一实施例提供的一种杂化等离激元手性增强装置圆二色性吸收光谱效果图；图6为本发明一实施例提供的另一种杂化等离激元手性增强装置对左、右旋偏振光的吸收效果图；图7为本发明一实施例提供的另一种杂化等离激元手性增强装置圆二色性吸收光谱效果图；如图4、图5、图6和图7所示，图4和图5表示在该杂化等离激元手性增强装置中设置石墨烯层时，且设置石墨烯层分别设置在该“h”形金属纳米结构上下两侧，该杂化等离激元手性增强装置对圆偏振光的吸收和CD光谱，图6和图7表示在该杂化等离激元手性增强装置中未设置石墨烯层时，该杂化等离激元手性增强装置对圆偏振光的吸收情况，其中，图4和图6中的实线表示该杂化等离激元手性增强装置对右旋偏振光的吸收情况，虚线表示该杂化等离激元手性增强装置对左旋偏振光的吸收情况，图5和图7为该杂化等离激元手性增强装置对圆二色光的吸收情况。该杂化等离激元手性增强装置的CD响应等于该杂化等离激元手性增强装置对右旋光的吸收减去对左旋光的吸收。为了清楚的说明，本实施例以该介质层30的厚度为5纳米，该“h”形金属纳米结构(即该金属纳米结构层20)的高度为200纳米，该第一纳米棒的长度为40纳米，该第二纳米棒的长度为40纳米，h形银纳米结构和金属基底10之间的间隙的厚度标记为5纳米，第三纳米棒的长度200纳米。如图4所示，该杂化等离激元手性增强装置对右旋偏振光吸收在700nm处约为93％，在810nm处约为70％；该杂化等离激元手性增强装置对左旋偏振光吸收在700nm处约为13％，在810nm处约为25％。结合图4和图5，该杂化等离激元手性增强装置的CD响应最强为700纳米时，此时对圆二色光的吸收情况为80％。如图6所示，去掉石墨烯层后该杂化等离激元手性增强装置对右旋偏振光吸收在700nm处约为57％，在810nm处约为22％；该杂化等离激元手性增强装置对左旋偏振光吸收在700nm处约为3％，在810nm处约为9％。结合图6和图7，去掉石墨烯层后该杂化等离激元手性增强装置的CD响应最强为700纳米时，此时对圆二色光的吸收情况为54％。图5中的80％远大于图7中的55％，则表示在该杂化等离激元手性增强装置中设置石墨烯层时对CD的响应要远强于未设置石墨烯层时的CD响应。这也证明了本申请实施例中的杂化等离激元手性增强装置对CD的信号有明显的增强作用。需要说明的是在该杂化等离激元手性增强装置中未设置石墨烯层时的CD光谱根据实验得到，在此不做赘述。
本申请通过将金属纳米结构层20设置在金属基底10上，金属基底10与金属纳米结构层20之间填充有介质层30，金属纳米结构层20靠近介质层30的位置、远离介质层30的位置和两个“h”形金属纳米结构之间的位置中至少一个位置设置有石墨烯层40，通过金属纳米结构层20和石墨烯层40之间产生的局域表面等离激元共振杂化，使得该杂化等离激元手性增强装置增强了光和纳米结构之间的相互作用，同时使得设置在该金属纳米结构层20附近的石墨烯层40的热损耗和表面电流增强。这种强相互作用提高了金属纳米结构层40的光学手性。
本申请实施例还提供一种杂化等离激元手性增强系统，杂化等离激元手性增强系统包括：光谱仪和上述任意一项的杂化等离激元手性增强装置，光谱仪与杂化等离激元手性增强装置连接，用于对该杂化等离激元手性增强装置上共振光进行检测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。