石墨烯-金属混合超表面中亚10纳米间隙实现的光谱可调谐性增强研究

这篇研究突破性地提出了一种结合电子束光刻（EBL）、物理气相沉积（PVD）和离子铣削的新工艺，成功制备出亚10纳米间隙的石墨烯-金属混合超表面（IMM）。通过引入Al2O3刻蚀停止层克服传统方法20纳米间隙限制，将中红外超表面调谐范围从0.50 μm提升至0.77 μm，调制深度从45%增至59%。该技术为空间光调制器、表面增强拉曼光谱（SERS）和量子光子学提供了关键解决方案。

　　

摘要

石墨烯-金属混合超表面（Graphene-Metal Hybrid Metasurfaces）通过电调谐实现自由空间光传播的精确控制，但其共振调谐范围受限于天线间隙尺寸。本研究创新性地结合电子束光刻（EBL）、物理气相沉积（PVD）和离子铣削技术，利用Al₂O₃刻蚀停止层突破20纳米间隙限制，制备出均匀的亚10纳米间隙。实验表明，中红外超表面调谐范围从0.50 μm扩展至0.77 μm，调制深度提升至59%，归因于纳米间隙内更强的光场增强效应。

1 引言

超表面（Metasurfaces）作为二维人工结构，可调控光的相位、振幅和偏振。石墨烯因其电导率可调性成为动态超表面的理想材料，但其低光吸收率（≈2.3%）限制了调制能力。通过配对天线阵列可增强光-石墨烯相互作用，但传统光刻技术难以实现亚20纳米间隙。本研究提出一种自上而下的解决方案，通过PVD沉积金属层和离子铣削实现亚10纳米间隙，显著提升性能。

2 结果与讨论

2.1 亚10纳米间隙超表面的可靠制备

采用原子层沉积（ALD）生长4 nm Al₂O₃作为刻蚀停止层，结合EBL和PVD工艺制备间隙可调的金属天线。扫描电镜（SEM）显示，15 nm PVD金层可将名义20纳米间隙缩减至实际8纳米（图1b）。该方法适用于矩形、三角形等多种纳米结构（图1e），且60×60 μm²区域内均匀性良好（图2）。

2.2 GFET器件的电学特性

石墨烯场效应晶体管（GFET）在4 nm Al₂O₃绝缘层下仍保持稳定电导调制，但离子铣削导致最大电阻率降低30%（图3c-d）。模拟表明，减小间隙尺寸可增强光场与石墨烯耦合，提升调谐效率。

2.3 中红外超表面的主动调谐

傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示，8纳米间隙器件的共振波长偏移达0.77 μm（图4h），远超传统30纳米器件的0.50 μm。有限时域差分（FDTD）模拟证实，亚10纳米间隙的场增强因子高达4×10⁴（图5a-b），等效电路模型（ECM）进一步验证了间隙尺寸与调谐范围的负相关性（图5c）。调制深度（MD）从45%提升至59%，效率达0.74%/V（表1），优于多数报道的中红外调制器。

3 结论

该工作通过创新工艺实现亚10纳米间隙超表面，为动态光调控器件树立了新标杆。未来可通过双石墨烯层或高κ介质顶栅进一步优化性能，推动其在光学调制器、SERS和量子光学中的应用。

4 实验方法

采用300 mm硅晶圆制备法布里-珀罗（Fabry–Pérot）腔，结合ALD和CMP工艺确保超表面平整度。石墨烯转移后通过低温ALD生长Al₂O₃界面层，最终利用FTIR光谱和四探针法完成光学/电学表征。