本发明属于近场光学技术领域，特别涉及一种用于异质结层间电荷转移的近场光学表征方法。
背景技术：
近场光学技术近年来成为研究光与物质相互作用过程的重要手段，可实现在高空间分辨的成像下表征材料性能，如研究原位的光催化反应活性位点性能、新材料的能带以及各种极化激元性能。在近年来研究极化激元方面，主要针对金属性质材料(如石墨烯)的电子等离激元、半导体性质材料(如tmd材料)的激子极化激元和绝缘体性质材料(如h-bn)的声子极化激元。各种极化激元信号均可以在实空间成像，获得清晰的干涉条纹图像，这些高局域电磁图像可以用来探测分子甚至层间电荷转移的一种潜在手段。
石墨烯是单层碳原子构成的二维晶体，十层以下的石墨均被看作为石墨烯。具有优异的电学和光学等特性，在光电器件和光子集成回路领域具有巨大应用潜力。现有石墨烯上会支持等离激元极化波模式，这是自由空间中入射光子和石墨烯上的电子耦合形成的。石墨烯等离激元可以将空间中光束缚在纳米尺度上，实现高局域的电磁波导模式，有利于实现更小尺寸上光子集成回路。除此之外，石墨烯基于光电传感器不但具有探测光谱范围宽、响应度高、速度快和噪声低的优点，且易与现有硅基cmos集成电路工艺相兼容，实现大规模、低成本传感器阵列的生产。到目前为止，石墨烯基光电探测器的研究主要集中在如何提高石墨烯的光吸收率。例如，利用热电效应、金属激子结构、石墨烯激子或者为微腔结构等。
tmd材料一种新型的半导体性能的二维材料。tmd材料的不同厚度决定了材料不同的能带结构，近年来针对于单层tmd材料研究被广泛关注，比如典型的mos2材料。单层mos2是直接带隙半导体性能的光灵敏材料，其带隙大概在1.8ev(680nm)。因此对可见光的响应非常好，可用于光波导器件、光电探测器和光学记忆存储器件等。
通过化学气相沉积手段进行生长或者机械剥离后获取石墨烯和tmd原材料，然后进行转移获得石墨烯/tmd异质结，为未来实现更小尺度的纳米集成电路和纳米集成光子回路奠定了材料的基础。然而，在异质结中层间电荷转移影响了纳米集成光子回路中信号调制和传输，在实空间观测层间电荷转移依旧是个重大挑战。因此发明了一种用于异质结层间电荷转移的近场光学表征方法。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于异质结层间电荷转移的近场光学表征方法，借助可见光手段激发tmd中产生光电子，从而让光电子在异质结中间进行转移，结合s-snom装置对石墨烯/tmd异质结进行实空间表征,最终可实现实空间成像方式观测到在异质结间光生电荷转移的效果，增加装置的适用性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于异质结层间电荷转移的近场光学表征方法，所述方法包括以下步骤：步骤a、制备具有异质结的观测器件：步骤a1、选择合适尺寸的硅作为衬底，通过电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射、原子层沉积或分子束外延生长等方法在所述衬底上制备电介质层；步骤a2、通过标准机械剥离工艺或者化学气相沉积法得到tmd薄膜层和石墨烯薄膜层；将剥离的所述tmd薄膜层转移到所述电介质层上，将剥离的所述石墨烯薄膜层转移到所述tmd薄膜层上；步骤a3、所述tmd薄膜层和所述石墨烯薄膜层间形成石墨烯/tmd异质结。
步骤b、通过散射式近场光学显微镜对所述石墨烯/tmd异质结间的电荷转移进行近场光学表征：通过将曲率半径在10nm～20nm的金属针尖置于所述石墨烯/tmd异质结上，将入射的远场光聚焦在所述针尖上，对所述石墨烯/tmd异质结间的电荷转移进行近场光学表征。
优选的，所述散射式近场光学显微镜的空间分辨率为20nm。
本发明提供一种具有异质结的观测器件，所述观测器件从下到上依次设置有衬底、电介质层、tmd薄膜层和石墨烯薄膜层；其中，所述石墨烯薄膜层覆盖于所述tmd薄膜层上形成石墨烯/tmd异质结。
优选地，所述电介质层为mgf2、caf2、baf2无红外声子或者sio2有声子的材料；所述tmd薄膜层为带隙在可见光波段的tmd材料，比如不局限于mos2、ws2和mose2。优选的，所述电介质层厚度为10nm～3000m。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明中，光学器件小型化的发展为未来光子集成回路奠定了基础，利用二维材料形成的垂直异质结极大降低了器件空间尺寸，实现更高密度的小型化器件。然而由于异质结中存在层间电荷转移影响光子集成回路的性能，因此如何高效的观测到实空间中电子层间转移的现象非常重要。在本发明中，设计了一种通过观察极化激元图像的变化去实空间观测电子在层间的转移近场表征方法，这主要是借助可见光在tmd材料层中产生光电子，异质结上就会电荷不平衡产生进而进行转移，转移后的石墨烯中费米能就会发生明显的改变，因此石墨烯等离激元波纹图像就会对应的发生明显的改变被散射式近场光学显微镜(s-snom)表征出来。因此，本发明可实现结合可见光照射下的s-snom对石墨烯等离激元图像进行表征，直观的观测到层间电荷转移前后实空间成像的效果。
应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示意性示出了本发明具有石墨烯/tmd异质结的纵向剖面主视图；
图2示意性示出了本发明用于异质结层间电荷转移的近场光学表征器件的制备方法流程图；
图3示意性示出了本发明用于异质结层间电荷转移的近场光学表征方法的工作原理图；
图4示意性示出了本发明用于异质结层间电荷转移的光谱性能展示示意图；
图5示意性示出了本发明用于异质结层间电荷转移的近场光学表征方法的实验展示示意图。
图中：
1、衬底2、电介质层
3、tmd薄膜层4、石墨烯薄膜层
具体实施方式
通过参考示范性实施例，本发明目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。
图1为具有石墨烯/tmd异质结的本发明器件的纵向剖面主视图；自下而上依次设置的衬底1、电介质层2、tmd薄膜层3和石墨烯薄膜层4，电介质层2沉积在衬底1上，tmd薄膜层3覆盖于电介质层2上，石墨烯薄膜层4覆盖于tmd薄膜层3上形成石墨烯/tmd异质结。
tmd材料包含很广，这里是利用带隙在可见光波段的tmd材料，比如不局限于mos2、ws2和mose2等tmd材料；衬底1的材料为si，用于作为支撑；电介质层2的材料为绝缘介质材料，其厚度范围为10nmm～3000nm；电介质层2的材料为mgf2，caf2，baf2等无声子材料或者sio2有声子材料。
tmd薄膜层3和石墨烯薄膜层4堆叠方式，两者不限于某种上下顺序堆叠，也不限于任意角度的堆叠方式。
图2为本发明的用于全光调制的石墨烯等离激元器件的制备方法流程图。
步骤如下：(1)制作电介质层2：利用电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射、原子层沉积或分子束外延生长等方法在衬底上制备电介质层2，其中衬底1的材料为硅；
(2)制备tmd薄膜层3和石墨烯薄膜层4：通过标准机械剥离工艺或者化学气相沉积法获取tmd薄膜层3和石墨烯薄膜层4；
(3)转移tmd薄膜层3：将剥离的tmd薄膜层3转移到上述制备的电介质层2上；
(4)转移石墨烯薄膜层4：将剥离的石墨烯薄膜层4转移到上述制备的tmd薄膜层3上；
(5)制备石墨烯/tmd异质结：后来转移到tmd薄膜层3上的石墨烯薄膜层4，形成了石墨烯/tmd垂直异质结。
图3为本发明的用于异质结层间电荷转移的近场光学表征方法的工作原理。设计了借助周期性打开可见光，促使tmd材料(mos2)中产生光生电子，进一步转移到石墨烯上，发生了电荷转移，与石墨烯空穴复合降低了其费米能，通过近场s-snom的扫描观测到等离激元信号的消失也就是对应发生电荷转移的效果，可以通过实空间成像观测到这个效果。
图4为本发明的用于异质结层间电荷转移的光谱性能展示。通过在异质结区域pl光谱强度上的减弱效应间接验证了异质结中发生了电荷转移。
图5为本发明的用于异质结层间电荷转移的近场光学表征方法的实验展示。图5是在实空间上观测异质结区域的近场图像，a是在暗场环境中，b是对应的可见激光打开后。在设计a-b切换之间，会发生光电子在异质结上的层间电荷转移，进一步借助近场s-snom表征石墨烯上的等离激元信号。等离激元信号的消失过程实际上对应的是电荷转移过后，造成石墨烯费米能降低，导致等离激元信号强度急剧下降甚至消失如图5c。因此通过近场s-snom表征等离激元条纹信息可以直接观测到电荷转移的实空间效果。
本发明提供了一种用于异质结层间电荷转移的近场光学表征方法，该方法可以在实空间上直接观测到电荷转移前后的光学图像，方法需要的观测器件自下而上依次设置衬底1、电介质层2、过渡金属二硫属化物薄膜(tmd薄膜层3)、石墨烯薄膜层4；衬底1作为栅极，电介质层2沉积在衬底1上，tmd薄膜层3覆盖于电介质层2上，石墨烯薄膜层4覆盖于tmd薄膜层3上形成石墨烯/tmd异质结。方法借助的表征仪器时散射式近场光学显微镜(s-snom)。本发明由于异质结堆叠制备好后，层间电荷是稳定的，转移很难观测到，这里设计借助可见光手段激发tmd中产生光电子，从而让光电子在异质结中间进行转移，结合s-snom装置对石墨烯/tmd异质结进行实空间表征,最终可实现实空间成像方式观测到在异质结间光生电荷转移的效果，这可以应用于包括光波导器件、光电探测器和光学记忆存储器件等。
本发明的有益效果：本发明中，光学器件小型化的发展为未来光子集成回路奠定了基础，利用二维材料形成的垂直异质结极大降低了器件空间尺寸，实现更高密度的小型化器件。然而由于异质结中存在层间电荷转移影响光子集成回路的性能，因此如何高效的观测到实空间中电子层间转移的现象非常重要。在本发明中，设计了一种通过观察极化激元图像的变化去实空间观测电子在层间的转移近场表征方法，这主要是借助可见光在tmd材料层中产生光电子，异质结上就会电荷不平衡产生进而进行转移，转移后的石墨烯中费米能就会发生明显的改变，因此石墨烯等离激元波纹图像就会对应的发生明显的改变被散射式近场光学显微镜(s-snom)表征出来。因此，本发明可实现结合可见光照射下的s-snom对石墨烯等离激元图像进行表征，直观的观测到层间电荷转移前后实空间成像的效果。
结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。
1.一种用于异质结层间电荷转移的近场光学表征方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤a、制备具有异质结的观测器件：
步骤a1、选择合适尺寸的硅作为衬底，通过电子束蒸镀、热蒸镀、磁控溅射、原子层沉积或分子束外延生长等方法在所述衬底上制备电介质层；步骤a2、通过标准机械剥离工艺或者化学气相沉积法得到tmd薄膜层和石墨烯薄膜层；将剥离的所述tmd薄膜层转移到所述电介质层上，将剥离的所述石墨烯薄膜层转移到所述tmd薄膜层上；步骤a3、所述tmd薄膜层和所述石墨烯薄膜层间形成石墨烯/tmd异质结；
步骤b、通过散射式近场光学显微镜对所述石墨烯/tmd异质结间的电荷转移进行近场光学表征：
通过将曲率半径在10nm～20nm的金属针尖置于所述石墨烯/tmd异质结上，将入射的远场光聚焦在所述针尖上，对所述石墨烯/tmd异质结间的电荷转移进行近场光学表征。
2.根据权利要求1所述的表征方法，其特征在于，所述散射式近场光学显微镜的空间分辨率为20nm。
3.一种具有异质结的观测器件，其特征在于，所述观测器件从下到上依次设置有衬底、电介质层、tmd薄膜层和石墨烯薄膜层；
其中，所述石墨烯薄膜层覆盖于所述tmd薄膜层上形成石墨烯/tmd异质结。
4.根据权利要求3所述的观测器件，其特征在于，所述衬底为硅片；所述电介质层为mgf2、caf2、baf2无红外声子或者sio2有声子的材料；所述tmd薄膜层为带隙在可见光波段的tmd材料，比如不局限于mos2、ws2和mose2。
5.根据权利要求3所述的观测器件，其特征在于，所述电介质层厚度为10nm～3000nm。
技术总结