一种二维材料纳米结构及其制备方法和应用

1.本发明涉及微纳光子学技术领域，具体涉及了一种二维材料纳米结构及其制备方法和应用。

背景技术：

2.太赫兹波是指处于中外和毫米波之间的一段电磁波谱，其频率为0.1～10thz，对应的波长为3000～30μm。该频段覆盖很多材料的频谱特征，其中包括半导体、生物大分子、有机体等。因此，太赫兹波在太赫兹光谱技术、太赫兹成像、安全检查、雷达、通信技术等领域有广泛的应用前景。
3.基于太赫兹波段的等离激元效应是拓展上述应用的一个发展方向。由于传统金属材料固有的带间电子跃迁、带内电子散射以及电子浓度高的特点，致使其等离激元损耗较高且等离激元响应被限制在可见至近红外波段。因此传统金属耦合中远红外至太赫兹波的结构往往比较大，造成难以集成的现象。寻一种新材料是解决上述问题的关键所在。
4.石墨烯是sp2轨道杂化，且其具有单原子层厚度的蜂窝状结构，具有狄利克雷零点的能带结构，在中远红外至太赫兹波段具有类似金属的性质，是研究此波段等离激元效应的首选材料之一，且大量研究表明，纳米结构的间隙越小产生的等离激元局域场越强。然而，可控制备平面型耦合中远红外乃至太赫兹波段的纳米间隙结构限制了石墨烯的应用。

技术实现要素：

5.本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一，为此本发明提出了一种二维材料纳米结构及其制备方法和应用，本发明中使用电子束曝光技术和无掩膜光刻技术相结合的方法可控制备出了一种二维材料纳米结构，该纳米结构具有耦合中远红外乃至太赫兹波段等离激元的纳米间隙结构。此外，使用该纳米结构制备的光子学器件中通过在栅极加压可以调控其费米能级，从而调控其具有等离激元的相干强度和传播长度。
6.本发明的第一方面，提供了一种耦合电磁波的二维材料纳米结构的制备方法，所述方法包括以下步骤：
7.s1：将二维材料转移至衬底上；
8.s2：旋涂正性电子束胶，按照设计的版图利用电子束曝光系统获得二维材料的纳米结构；
9.s3：用反应离子束刻蚀s2中的二维材料纳米结构，并去除s2中的正性电子束胶；
10.s4：重新设计版图，旋涂正性光刻胶后利用无掩模光刻技术进行套刻，套刻结束后通过显影将s3中二维材料纳米结构之外的部分暴露出来；
11.s5：氧等离子刻蚀s4中暴露出的二维材料，以除去维材料纳米结构之外的部分。
12.根据本发明第一方面的内容，在本发明的一些实施方式中，s2中电子束曝光的剂量为200～400μc/cm2。
13.在本发明的一些优选实施方式中，s2中电子束流为0.2～1na。
14.在本发明中，电子束曝光的剂量和电子束流对本发明中形成的二维材料纳米结构有重要的影响，剂量过大时会引起严重的过曝，不易获得较小尺寸的结构，剂量过小时，会使得电子束无法曝透，会导致在显影的过程中出现显影不干净的现象。束流过大虽然可以加快曝光速度，但是也会造成过曝现象。若束流过小，会增加曝光时间，从而使得制备器件的价格成本增加。
15.光衍射极限的存在使得传统光刻的分辨率难以达到亚微米尺度，电子的波长为德布罗意波长，可以利用电子束来制备尺寸较小的结构，然而，电子束曝光存在价格昂贵、曝光速度慢的缺陷，限制了电子束的应用，尤其是其不适用于大面积曝光结构。在本发明中，首先使用电子束曝光系统制备出了纳米尺度的结构，然后结合了无掩膜光刻套刻技术将纳米结构之外的部分去除，既节约了成本，又提高了效率。
16.在本发明的一些优选实施方式中，s2中的版图是利用klayout软件画出。
17.在本发明的一些优选实施方式中，s2中所述正性电子束胶的旋涂厚度为100～500nm。
18.在本发明的一些优选实施方式中，s2中所述正性电子束胶的旋涂速度为3000～5000rpm。
19.在本发明的一些优选实施方式中，s2中旋涂正性电子束胶后在160～200℃的温度下进行烘烤，以固化电子束胶。
20.在本发明的一些更优选实施方式中，所述烘烤的时间为3～4min。
21.在本发明的一些优选实施方式中，所述正性电子束胶包括950pmmaa4胶、pmmaa7胶和apr胶。
22.在本发明的一些优选实施方式中，所述apr胶包括arp 6200.09。
23.在本发明的一些优选实施方式中，s2中曝光结束后将所得的结构分别在甲基异丁基酮(mibk)溶液、异丙醇(ipa)和去离子中浸泡后将二维材料纳米结构转移至衬底上。
24.在本发明的一些更优选实施方式中，在mibk中浸泡的时间为1～3min。
25.在本发明的一些更优选实施方式中，在ipa中浸泡的时间为0.5～2min。
26.在本发明的一些更优选实施方式中，在去离子中浸泡的时间为0.5～2min。
27.在本发明的一些优选实施方式中，s3中刻蚀的时间为8～15s，刻蚀的时间不能太长，时间过长会出现正性电子束胶被刻蚀掉或出现过刻蚀的现象。
28.在本发明的一些优选实施方式中，s3中刻蚀的氧气流量为35～45sccm。
29.在本发明的一些优选实施方式中，s3中刻蚀结束后将所得样品浸泡在丙酮中以去除样品表面的正性电子束胶。
30.在本发明的一些更优选实施方式中，所述浸泡的时间为2～12h。
31.在本发明的一些优选实施方式中，s4中的版图是根据二维材料纳米结构之外的部分进行绘制。
32.在本发明的一些优选实施方式中，s4中所述的正性光刻胶包括azj-390pg光刻胶。
33.在本发明的一些优选实施方式中，所述正性光刻胶的旋涂速度为3000～5000rpm。
34.在本发明的一些优选实施方式中，所述正性光刻胶的旋涂厚度为1.5～2.5μm。
35.在本发明的一些优选实施方式中，所述正性光刻胶旋涂后在100～140℃的温度下进行烘烤。
36.在本发明的一些更优选实施方式中，所述烘烤的时间为1～3min。
37.在本发明的一些优选实施方式中，s4中显影的时间为1～3min。
38.在本发明的一些优选实施方式中，显影所用的显影液为正胶显影液。
39.在本发明的一些优选实施方式中，s5中刻蚀后将样品浸泡在丙酮中以去除正性光刻胶。
40.在本发明的一些更优选实施方式中，所述浸泡的时间为为1.5～3h。
41.在本发明的一些优选实施方式中，所述二维材料包括石墨烯、氧化钼、黑磷、金属氧化物。
42.在本发明的一些优选实施方式中，所述二维材料是石墨烯，且石墨烯可以是单层结构的石墨烯、双层结构的石墨烯或多层结构的石墨烯。
43.在本发明的一些优选实施方式中，所述衬底包括硅、玻璃、柔性基底。
44.在本发明的一些更优选实施方式中，所述衬底是硅。
45.在本发明的一些更优选实施方式中，所述硅包括高阻硅、掺杂硅。
46.在本发明的一些优选实施方式中，所述衬底上涂覆有绝缘层。
47.在本发明的一些更优选实施方式中，所述绝缘层包括sio2、hfo2、al2o3、hbn、zro2。
48.在本发明的一些更优选实施方式中，所述绝缘层为氧化层。
49.在本发明的一些优选实施方式中，所述电磁波包括太赫兹波段电磁波、中红外至远红外波段电磁波。
50.本发明的第二方面，提供了一种由本发明第一方面所述的制备方法制备得到的二维材料纳米结构。
51.根据本发明第二方面的内容，在本发明的一些实施方式中，所述二维材料包括石墨烯、氧化钼、黑磷、金属氧化物。
52.在本发明的一些优选实施方式中，所述二维材料是石墨烯，且石墨烯可以是单层结构的石墨烯、双层结构的石墨烯或多层结构的石墨烯。
53.在本发明的一些优选实施方式中，所述纳米结构中具有间隙结构。
54.在本发明的一些更优选实施方式中，所述间隙的尺寸为100～500nm。
55.在本发明的一些更优选实施方式中，所述间隙的尺寸为100～400nm。
56.本发明中的间隙结构可以是条带结构和三角形结构形成的间隙，也可以是正方形结构和条带结构形成的间隙，还可以是条带结构和圆形结构所形成的间隙。本发明形成间隙的形状不局限与上述所描述的，本领域的技术人员可以根据实际的需要进行选择。根据选择结构的不同设计不同的版图。当所述间隙结构的尺寸为100～500nm时，版图中所设计的间隙的尺寸为10～200nm。
57.优选的，本发明中的间隙结构是由纳米条带结构和在纳米条带的长边上分布有三角形的纳米条带结构形成，所述间隙结构具体是指纳米条带结构上分布的三角形的尖端和与之相邻的纳米条带之间的距离，其中，两条纳米条带的长度均为150～250μm，两条纳米条带的宽度均为5～6μm，其中一条纳米条带的长边上等距分布若干三角形，三角形的底边为2～4μm，高度为5～6μm，与底边相对的顶角为30
°
，其余两个角的度数相同，上述结构作为本发明中的二维材料纳米结构的一个重复单元。本发明的二维材料纳米结构中以纳米条带长度方向为参照，平行设置有4个上述重复单元，即本发明中的二维材料纳米结构具有周期性
重复排列的结构，且相邻两个重复单元之间的距离为8～20μm。
58.本发明中所形成的二维材料纳米结构可以耦合太赫兹波，是一种具有太赫兹波光学等离激元响应的结构。
59.形成纳米间隙的结构的尺寸越大，可以耦合的波长越长，形成纳米间隙的结构的尺寸越小，可以耦合的波长越短，通过调节形成纳米间隙的结构的尺寸，可以制备得到耦合中红外至远红外波段的电磁波的二维材料纳米结构。
60.本发明的第三方面，提供了一种光子学器件，所述光子学器件包括本发明第二方面所述的二维材料纳米结构。
61.根据本发明第三方面的内容，在本发明的一些实施方式中，所述光子学器件还包括衬底、绝缘层、阴电极和阳电极。
62.在本发明的一些优选实施方式中，所述衬底包括硅、玻璃、柔性基底。
63.在本发明的一些更优选实施方式中，所述衬底是硅。
64.在本发明的一些更优选实施方式中，所述硅包括高阻硅、掺杂硅。
65.在本发明的一些优选实施方式中，所述衬底上涂覆有绝缘层。
66.在本发明的一些更优选实施方式中，所述绝缘层包括sio2、hfo2、al2o3、hbn、zro2。
67.在本发明的一些更优选实施方式中，所述绝缘层为氧化层。
68.在本发明的一些优选实施方式中，绝缘层沉积的方法包括电子束蒸镀、热蒸镀。
69.在本发明的一些优选实施方式中，当所选择的衬底不是硅时，所述光子学器件中还包括栅极，其中，所述栅极置于衬底和绝缘层之间。
70.由于硅衬底具有导电性，因此，当所选择的衬底为硅时，可以不使用栅极，直接将绝缘层沉积在硅衬底上。
71.在本发明的一些优选实施方式中，所述栅极包括au。
72.在本发明的一些优选实施方式中，所述au通过粘附层连接于衬底上。
73.在本发明的一些更优选实施方式中，所述粘附层包括ti层和cr层。
74.在本发明的一些优选实施方式中，使用电子束蒸镀或热蒸镀工艺沉积cr层或ti层。
75.在本发明的一些优选实施方式中，所述cr层或ti层的厚度为5～15nm。
76.在本发明的一些优选实施方式中，使用电子束蒸镀或热蒸镀工艺沉积au层。
77.在本发明的一些优选实施方式中，所述au层的厚度为80～120nm。
78.在栅极加压可以调控光子学器件的纳米结构中纳米间隙的费米能级，从而可以调节光子学器件中等离激元传播长度和等离激元干涉强度，可以显著增强电子发射性能或太赫兹探测的灵敏度。
79.在本发明的一些优选实施方式中，所述阳电极和阴电极包括au。
80.在本发明的一些优选实施方式中，所述au通过粘附层连接于绝缘层上。
81.在本发明的一些更优选实施方式中，所述粘附层包括ti层和cr层。
82.在本发明的一些优选实施方式中，使用电子束蒸镀或热蒸镀工艺沉积cr层或ti层。
83.在本发明的一些优选实施方式中，所述cr层或ti层的厚度为5～15nm。
84.在本发明的一些优选实施方式中，使用电子束蒸镀或热蒸镀工艺沉积au层。
85.在本发明的一些优选实施方式中，所述au层的厚度为80～120nm。
86.在本发明的一些优选实施方式中，利用湿法剥离工艺除去光子学器件电极之外的金属。
87.在本发明的一些优选实施方式中，利用退火处理以去除所得光子学器件二维材料表面的残胶。
88.在本发明的一些优选实施方式中，所述退火是在氢气的气氛下进行，退火的温度为350℃，退火的时间为1.5h。
89.在本发明的一些更优选实施方式中，氢气的流量为400sccm。
90.本发明中，电子束曝光过程中使用正性电子束胶首先曝光二维材料纳米结构部分，然后经过反应离子束刻蚀对纳米结构进行图案化，所形成的图案与所设计的版图相同，接着利用正性电子束胶覆盖图案化的结构，曝光结构之外的部分，然后利用氧等离子体清洗机将二维材料纳米结构之外的部分全部去除。同样利用无掩膜套刻系统给上述二维材料纳米结构制备图案化电极，在图案化的电极上沉积ti层或cr层作为粘结层，沉积au层作为阴电极和阳电极，并利用湿法剥离工艺去除电极之外的金属。
91.在电子束曝光过程中，本发明中使用了正性电子束胶pmma，虽然使用正性电子束胶使后续工艺多了一步无掩模套刻过程，但是正性电子束胶pmma具有精度高、易去除的优势，可以制备出尺寸接近100nm的间隙结构。
92.传统的负性电子束胶可以大大简化制备流程，hsq是一种常用的负性电子束胶，具有较高的分辨率，但是hsq去胶需用，对具有氧化硅衬底的样品不适用。其他负性电子束胶(如su-8、man等)分辨率低，且不易制备尺寸较小的结构。
93.本发明的有益效果是：
94.本发明通过电子束曝光系统和无掩模光刻系统可控制备平面型耦合等离激元的二维材料纳米结构，在制备的纳米结构中形成了尺寸为100～500nm的间隙，间隙越小的纳米结构耦合入射波产生的局域电磁场越强，有利于该结构在后续增强电子发射、光电探测中的应用。
附图说明
95.图1是石墨烯材料纳米结构中重复单元的扫描电子显微镜图；
96.图2是利用有限元法fdtd计算本发明实施例中的石墨烯纳米结构的电场增强随入射电磁波的依赖关系以及波长为1.2thz处的电场分布的近场轮廓；
97.图3是实施例1中制备出的石墨烯纳米结构的扫描电子显微镜图；
98.图4是实施例4中的石墨烯纳米结构光子学器件的工艺流程；
99.图5是实施例4中的石墨烯纳米结构光子学器件的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
100.下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
101.本发明中首先利用fdtd solutions软件设计出能够耦合太赫兹波的纳米结构的版图，所述纳米结构中的纳米间隙由纳米条带和三角形尖端组成，该结构中三角形纳米尖端处能够在宽波段(0.1～3thz)内具有较强的电场增强特性，其中在波长约为1.2thz处增强最强。普通光刻技术具有曝光时间短，易于大面积光刻的优点，但是，普通光刻使用紫外光源，由于紫外光衍射极限的存在，导致紫外光的精度约为半个波长，使得普通的光刻技术的精度难以达到亚微米尺度。电子具有德布罗意波长，因此电子束曝光具有较高的精度，精度可达纳米尺度，但是，电子束曝光具有时间长、价格昂贵且不利于大面积曝光的缺陷。因此，本发明实施例中结合了电子束曝光系统和无掩模光刻系统，可控制备出了平面耦合等离激元的纳米结构，形成了尺寸为100nm的纳米间隙。
102.本发明实施例中的石墨烯纳米结构光子学器件中包括衬底、沉积在衬底上的绝缘层、石墨烯纳米结构以及阴电极和阳电极。
103.本发明实施例中的间隙结构是由纳米条带结构和长边上分布有三角形的纳米条带结构形成，所述间隙结构具体是指纳米条带结构上分布的三角形的尖端和与之相邻的纳米条带之间的距离，其中，两条纳米条带的长度均为80μm，两条纳米条带的宽度均为5.6μm，其中一条纳米条带的长边上等距分布若干三角形，相邻两个三角形之间的距离为2μm，三角形的高度为5.6μm，与底边相对的顶角为30
°
，其余两个角的度数相同，上述结构是本发明实施例中的二维材料纳米结构中的重复单元，该重复单元的扫描电子显微镜图如图1所示，从图中可以看出，该重复单元中石墨烯纳米条带和三角形尖端之间的间隙尺寸约为100nm。根据等离激元特性耦合特性，石墨烯条带和三角形尖端之间的间隙越小，石墨烯纳米结构耦合入射电磁波产生的局域电磁场越强。因此，本发明实施例中石墨烯纳米结构中的纳米尺度的间隙能够超强耦合太赫兹波段电磁波、中红外至远红外波段电磁波等离激元，有利于其在后续增强电子发射和光电探测中的应用。本发明实施例中的二维材料纳米结构中以纳米条带长度方向为参照，平行设置有4个上述重复单元，即本发明实施例中的二维材料纳米结构具有周期性重复排列的结构，相邻两个重复单元之间的距离为5～20μm。
104.本领域的技术人员也可以根据需要选择其他数量的重复单元，本领域的技术人员也可以根据需要选择纳米条带上三角形的数量。
105.本实施例中所用到的石墨烯为单层结构的石墨烯。
106.本实施例中的阴电极和阳电极为au，其中ti层作为阴电极和阳电极与绝缘层连接的粘附层。
107.本实施例中所用到的衬底为硅，硅的厚度为500μm，所沉积的绝缘层为sio2，绝缘层的厚度为300nm。
108.利用有限元法fdtd计算本发明实施例中的石墨烯纳米结构的电场增强随入射电磁波的依赖关系，结果如图2a所示，图2a中的x轴表示激发波的波长，y轴表示产生的局域电场与入射光场的比值，其中入射光场的电场分量大小为1。从图2a中可以看出，在0.1～3thz很宽的波段内，三角形尖端处等离激元局域场产生的电场增强很大，其中在波长约为1.2thz处场增强达到最强，并给出波长为1.2thz处的电场分布的近场轮廓，如图2b所示，从图2b中可以看出在三角形尖端和与其相对的石墨烯条带之间具有很强的场增强。
109.在本发明实施例中，提供了一种石墨烯纳米结构光子学器件的制备方法。首先将单层石墨烯转移到连接有sio2绝缘层的硅衬底上，采用电子束曝光和反应离子束刻蚀将石
墨烯材料图案化，再利用传统无掩膜光刻的套刻工艺将图案化后的石墨烯保护起来，采用等离子体刻蚀工艺除去衬底上其他部分的石墨烯。最后，利用传统无掩膜光刻工艺将石墨烯结构图案化，同样利用无掩膜套刻系统给上述石墨烯二维材料纳米结构制备图案化电极，在图案化的电极上沉积ti层作为粘结层，沉积au层作为阴电极和阳电极极(统称为au电极)，并利用湿法剥离工艺去除电极之外的金属。
110.实施例1
111.实施例1中的石墨烯纳米结构的制备方法为：
112.s1：将连接有sio2绝缘层的硅衬底置于丙酮、乙醇和水中分别超声15min，取出后用氮吹干；
113.s2：采用湿法转移将单层石墨烯转移至s1中清洗好的衬底上；
114.s3：在s2中的石墨烯表面旋涂正性电子束胶950pmmaa4以形成约200nm厚的电子束抗试剂层，电子束胶旋涂的速度为4000rpm，按照所设计的版图利用电子束曝光系统获得石墨烯的纳米结构，其中，电子束的剂量为280μc/cm2，电子束流大小为0.3na。
115.s4：使用反应离子束刻蚀s3中的石墨烯纳米结构，刻蚀采用氧气作为工艺气体，腔内气压为7.5
×
10-9
mpa，氧气的流量是40scsm，射频功率为50w，刻蚀时间为10s。刻蚀结束后将所得的结构放入丙酮中浸泡2h以去除电子束胶；
116.s5：重新设计版图，旋涂正性光刻胶rzj-390pg以形成2.5μm厚的光刻胶层，以保护好s4中的石墨烯纳米结构，rzj-390pg的旋涂速度为4000rpm，利用无掩模光刻技术套刻将石墨烯纳米结构之外的部分去除，套刻结束后通过显影将s3中纳米结构之外的二维材料暴露出来，其中显影曝光时间为10s，所用到的光刻机的型号为upg501。
117.s6：使用氧等离子刻蚀s5中暴露出的石墨烯纳米结构之外的石墨烯，并去除光刻胶rzj-390pg。
118.s1中将石墨烯转移至衬底上的操作步骤为：首先将衬底放入丙酮、乙醇和去离子水中分别超声15min。将带有滤纸的石墨烯剪切成合适的尺寸，向石墨烯表面缓慢滴加去离子水进行润湿，润湿后将其放入去离子水中，并去除滤纸，此时，石墨烯漂浮在水面上。随后使用柔性衬底从石墨烯的底部捞起石墨烯，然后再将石墨烯放回水中。此时，柔性衬底上面有气泡，重复上述动作几次，直至柔性衬底上无气泡，说明石墨烯上的气泡已去除干净。接着将柔性衬底倾斜一定的角度使石墨烯移至上述清洗好的衬底上，最后，用氮吹出石墨烯和衬底之间的水膜，并置于洁净干燥处干燥24h，致使石墨烯和衬底粘附性更好。
119.本发明实施例中s3的版图是利用klayout软件画出，将所述版图用beamer软件转化成psf文件，所述版图是由条带结构和在条带的长边上分布有三角形的条带结构组成，其中，条带的长度为80μm，条带的宽度为5.6μm，三角形的高度为5.6μm，与三角形底边相对的顶角为30
°
，其余两个角的度数相同，相邻两个三角形之间的距离为2μm，三角形尖端和与之相邻的条带之间的距离为20nm。
120.s3中电子束曝光过程中电子束斑移动的步长为2nm，电子束曝光系统的型号为raith ebpg 5000plus，电子束曝光过程中，若曝光剂量过大会造成过曝现象，难以制备出石墨烯三角形尖端与条带之间距离为100nm的间隙结构。若剂量过小，易造成欠曝现象，使得显影过程中无法将曝光区域的正性电子束胶去除干净，影响后续的刻蚀工艺。另外，束流大小也是一个重要参数。束流过大虽然可以加快曝光速度，但是也会造成过曝现象。若束流
过小，会增加曝光时间，从而增加价格成本。
121.s5中的版图是按照s3中的版图之外的形状进行设计。
122.在s6中，由于pmma与氧等离子反应，因此刻蚀时间过长会使得pmma抗试剂层被刻蚀掉，致使衬底上的石墨烯纳米结构也被刻蚀掉。若刻蚀时间过短，会引起石墨烯纳米结构部分的石墨烯无法刻蚀干净，从而影响后续的测试。
123.图3中虚线框内为本发明实施例1中制备出的石墨烯纳米结构的扫描电子显微镜图，从图3中可以看出，利用950 pmma a4作为电子束胶，可以在电子束曝光以及后续氧等离子体刻蚀和去胶工艺后制备出石墨烯纳米结构，石墨烯纳米结构中石墨烯纳米条带和三角形尖端之间具有间隙，且石墨烯纳米结构中具有周期性重复排列的结构单元。
124.实施例2
125.实施例2中的石墨烯纳米结构的制备方法同实施例1，区别在于实施例2中s3中所使用的正性电子束胶为pmma a7。
126.实施例3
127.实施例3中的石墨烯纳米结构的制备方法同实施例1，区别在于实施例3中s3中所使用的正性电子束胶为arp 6200.09，且s4中刻蚀结束后将所得的结构放入丙酮中浸泡10h以去除电子束胶。
128.实施例4
129.石墨烯纳米结构光子学器件的制备：
130.实施例1中获得了石墨烯的纳米结构，在实施例1的s6中获得的结构表面旋涂正性光刻胶rzj-390pg以形成2.5μm厚的光刻胶层，以保护好s6中的石墨烯纳米结构，rzj-390pg的旋涂速度为4000rpm，然后重新设计电极的版图，电极的版图为正方形，边长为400～500μm，并利用设计好的版图和s5中的无掩模光刻技术将所设计的电极的版图图案化，并显影，显影结束后利用电子束蒸镀在上述结构上沉积5nm厚的ti作为粘附层，然后再沉积100nm厚的au作为电极，其中，阴电极为au，阳电极也为au，两个电极分别与石墨烯纳米结构中的未分布有三角形的纳米条带和分布有三角形的纳米条带连接，上述两电极压在石墨烯上以形成欧姆接触，为了便于阴极发射电子，向与分布有三角形的纳米条带连接的电极施加低电压，向与未分布有三角形的纳米条带连接的电极施加高电压。最后利用湿法剥离工艺去除上述结构中电极之外的金属，得到石墨烯纳米结构的光子学器件，将所得的器件在管式炉中进行退火处理以除去石墨烯纳米结构表面的残胶，其中，管式炉中通入氢气，氢气的流量为400sccm，退火的温度为350℃，退火的时间为1.5h。关于电极的尺寸，本领域的技术人员也可以根据需要选择不同的尺寸和形状。石墨烯纳米结构光子学器件的具体工艺流程如图4所示，所制备的光子学器件的扫描电子显微镜图如图5所示，图5中仅显示了电极的一部分。
131.上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种耦合电磁波的二维材料纳米结构的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：s1：将二维材料转移至衬底上；s2：旋涂正性电子束胶，按照设计的版图利用电子束曝光系统获得二维材料的纳米结构；s3：用反应离子束刻蚀s2中的二维材料纳米结构，并去除s2中的正性电子束胶；s4：重新设计版图，旋涂正性光刻胶后利用无掩模光刻技术进行套刻，套刻结束后通过显影将s3中二维材料纳米结构之外的部分暴露出来；s5：氧等离子刻蚀s4中暴露出的二维材料，以除去二维材料纳米结构之外的部分；其中，s2中电子束曝光的剂量为200～400μc/cm2，电子束流的大小为0.2～1na。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中所述正性电子束胶包括950pmma a4胶、pmma a7胶和apr胶。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s2中所述正性电子束胶的旋涂厚度为100～500nm。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，s4中所述正性光刻胶包括azj-390 pg光刻胶，其中，azj-390 pg光刻胶的旋涂厚度为1.5～2.5μm。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二维材料包括石墨烯、氧化钼、黑磷、金属氧化物。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电磁波包括太赫兹波段电磁波、中红外至远红外波段电磁波。7.权利要求1～6中任一项所述的方法制备得到的二维材料纳米结构，其特征在于，所述纳米结构中具有间隙结构，所述间隙的尺寸为100～500nm。8.一种光子学器件，其特征在于，所述光子学器件包括权利要求7中所述的二维材料纳米结构。9.根据权利要求8所述的光子学器件，其特征在于，所述光子学器件中还包括衬底、绝缘层、栅极、阴电极和阳电极。10.权利要求8或9中所述的光子学器件在电磁波增强电子发射和光电探测中的应用。

技术总结

本发明公开了一种二维材料纳米结构及其制备方法和应用，所述方法为：S1将二维材料转移至衬底上；S2：旋涂正性电子束胶，按照设计的版图利用电子束曝光系统获得二维材料的纳米结构；S3：用反应离子束刻蚀S2中的二维材料纳米结构，并去除S2中的正性电子束胶；S4：重新设计版图，旋涂正性光刻胶后利用无掩模光刻技术进行套刻，套刻结束后通过显影将S3中二维材料纳米结构之外的部分暴露出来；S5：氧等离子刻蚀S4中暴露出的二维材料，以除去二维材料纳米结构之外的部分。本发明通过电子束曝光系统和无掩模光刻系统制备了具有100～500nm的间隙的纳米结构。的纳米结构。