石墨烯等離激元增強(qiáng)紅外光譜探測的電學(xué)原位扣背景方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外光探測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于增強(qiáng)紅外光譜探測的石墨烯等離激元器件及其增強(qiáng)紅外光譜探測的電學(xué)原位扣背景方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外輻射包含豐富的客觀信息，其探測倍受關(guān)注。紅外探測器已覆蓋短波、中波與長波范圍，在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其探測原理是利用材料的光電轉(zhuǎn)換性能，將紅外輻射的光子信號轉(zhuǎn)換為電子信號，與外電路相結(jié)合達(dá)到檢測紅外光信號的目標(biāo)。
[0003]石墨烯是單層碳原子構(gòu)成的二維晶體，單層石墨的厚度約0.35nm。當(dāng)前，十層以下的石墨均被看作為石墨烯。具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)特性，在電子器件和光電器件領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力。現(xiàn)有石墨烯基光電傳感器不但具有探測光譜范圍寬、響應(yīng)度高、速度快和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，且易與現(xiàn)有硅基CMOS集成電路工藝相兼容，實現(xiàn)大規(guī)模、低成本傳感器陣列的生產(chǎn)。到目前為止，石墨烯基光電探測器的研究主要集中在如何提高石墨烯的光吸收率。例如，利用熱電效應(yīng)、金屬激子結(jié)構(gòu)、石墨烯激子或者為微腔結(jié)構(gòu)等。
[0004]表面增強(qiáng)紅外吸收光譜技術(shù)(Surface-Enhanced Infrared Absorpt1n)能夠顯著增強(qiáng)被測分子的紅外光譜吸收特征，使分子光譜的靈敏度和準(zhǔn)確性大幅度提高，已逐漸成為探測微量和單層分子特征、表征精細(xì)分子結(jié)構(gòu)有效的測試分析工具。然而目前該技術(shù)存在增強(qiáng)波段十分狹窄、探測能力受到極大限制、重復(fù)性有待提高的缺陷，不具備微量分子檢測的普遍意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種石墨烯等離激元增強(qiáng)紅外光譜探測的電學(xué)原位扣背景方法，所述方法包括:1)制作石墨烯等離激元器件的紅外增強(qiáng)及探測裝置，包括襯底、電介質(zhì)層、石墨烯層、源極與漏極金屬層；源極金屬層與漏極金屬層之間的石墨烯層的局部區(qū)域具有周期性微納米結(jié)構(gòu)，所述周期性微納米結(jié)構(gòu)包含多個連續(xù)縱剖面為臺階狀的結(jié)構(gòu)，待測材料層設(shè)置以覆蓋所述臺階狀的結(jié)構(gòu)；其中，所述襯底同時作為柵極層，所述石墨烯層覆蓋于電介質(zhì)層之上，源極與漏極金屬層沉積在石墨烯層上，源極與漏極金屬層由石墨烯導(dǎo)通，所述襯底與石墨烯層之間夾著電介質(zhì)層，構(gòu)成類似平行板電容器結(jié)構(gòu)；2)將待檢測物置于石墨烯微結(jié)構(gòu)之上；3)對石墨烯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)測試:測量石墨烯的Ids-Vg輸運(yùn)曲線，讀出石墨烯的狄拉克點(diǎn)對應(yīng)的電壓Vg(CNP) ;4)利用原位扣背景的方法進(jìn)行紅外信號檢測，包括以下子步驟:a)以V(CNP)的電壓為檢測背景，采集消光譜T(CNP) ;b)調(diào)節(jié)電壓Vg，利用高于或者低于狄拉克點(diǎn)出的正負(fù)電壓進(jìn)行不同程度地增強(qiáng)樣品信號，再次采集消光譜T(EF)，所述電壓Vg的步長根據(jù)不同的電介質(zhì)層材料的性質(zhì)和具體需要測量的范圍來確定。
[0006]優(yōu)選地，所述電壓Vg的范圍為-200-200V。
[0007]優(yōu)選地，所述石墨稀等離激元與待檢測物質(zhì)分子振動親合的消光譜T由T =1-T(EF)/T(CNP)獲得。
[0008]優(yōu)選地，所述待檢測物采用旋涂，流延法，沉積法或生長法覆蓋在石墨烯微結(jié)構(gòu)之上。
[0009]優(yōu)選地，所述臺階狀的結(jié)構(gòu)為通孔或盲孔。
[0010]優(yōu)選地，所述通孔或盲孔的橫向切面為圓環(huán)形、圓形、橢圓形、三角形、正六邊形、長方形、五角形結(jié)構(gòu)。
[0011]優(yōu)選地，所述圓環(huán)形、圓形、橢圓形、三角形、正六邊形、長方形、五角形結(jié)構(gòu)的孔徑為 10-1000nm。
[0012]優(yōu)選地，所述電介質(zhì)層的材料選自:NaCl，KBr,Csl, CsBr, MgF2，CaF2，BaF2，LiF,AgBr, AgCl，ZnS, ZnSe，KRS-5, AMTIR1-6，Diamond，Si02。
[0013]應(yīng)當(dāng)理解，前述大體的描述和后續(xù)詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應(yīng)當(dāng)用作對本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
【附圖說明】
[0014]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中:
[0015]圖1為本發(fā)明的石墨烯等離激元增強(qiáng)紅外光譜探測的電學(xué)原位扣背景方法的流程圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的用于增強(qiáng)紅外光譜探測的石墨烯等離激元器件的縱向剖面示意圖。
[0017]圖3(a)_3(g)為本發(fā)明的用于增強(qiáng)紅外光譜探測的石墨烯等離激元器件周期性微納米結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4(a)_4(b)為本發(fā)明的石墨烯微納米結(jié)構(gòu)的縱向剖面放大圖。
[0019]圖5(a)為本發(fā)明的一個實施例以CaF2作為電介質(zhì)層所測得的石墨稀的Ids-Vg輸運(yùn)曲線圖。
[0020]圖5(b)為本發(fā)明的一個實施例以CaFjt為電介質(zhì)層所測得的ΡΕ0薄膜在有石墨烯等離激元增強(qiáng)作用和沒有增強(qiáng)作用時候的紅外消光譜線的對比圖。
[0021]圖5(c)示意出了在675-1360cm 1區(qū)域以內(nèi)的吸收峰的位置以及對應(yīng)的分子振動模式。
[0022]圖5(d)示意出了石墨烯等離激元的共振吸收峰隨電壓升高的變化情況。
[0023]圖6(a)為本發(fā)明的一個實施例以CaF2作為電介質(zhì)層所測得的石墨稀的Ids-Vg輸運(yùn)曲線圖。
[0024]圖6(b)為本發(fā)明的一個實施例以CaF2作為電介質(zhì)層所測得的單原子層的BN薄膜在有石墨烯等離激元增強(qiáng)作用和沒有增強(qiáng)作用時候的紅外消光譜線的對比圖。
[0025]所述附圖僅為示意性的并且未按比例畫出。雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這里所描述的實施例。
【具體實施方式】
[0026]通過參考示范性實施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實現(xiàn)這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發(fā)明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現(xiàn)。說明書的實質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。
[0027]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0028]本發(fā)明提供的石墨烯等離激元增強(qiáng)紅外光譜探測的電學(xué)原位扣背景方法如圖1所示，所述方法包括以下步驟:
[0029]步驟101，制作石墨烯等離激元器件的紅外增強(qiáng)及探測裝置，包括襯底、電介質(zhì)層、石墨烯層、源極與漏極金屬層；源極金屬層與漏極金屬層之間的石墨烯層的局部區(qū)域具有周期性微納米結(jié)構(gòu)，所述周期性微納米結(jié)構(gòu)包含多個連續(xù)縱剖面為臺階狀的結(jié)構(gòu)，待測材料層設(shè)置以覆蓋所述臺階狀的結(jié)構(gòu)；其中，所述襯底同時作為柵極，所述石墨烯層覆蓋于電介質(zhì)層之上，源極與漏極金屬層沉積在石墨烯層上，源極與漏極金屬層由石墨烯導(dǎo)通。所述襯底與石墨烯層之間夾著電介質(zhì)層，構(gòu)成類似平行板電容器結(jié)構(gòu)；
[0030]步驟102，將待檢測物置于石墨烯微結(jié)構(gòu)之上；
[0031]步驟103，對石墨烯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)測試:測量石墨烯的Ids-Vg輸運(yùn)曲線，讀出石墨烯的狄拉克點(diǎn)對應(yīng)的電壓Vg(CNP);
[0032]步驟104，利用原位扣背景的方法進(jìn)行紅外信號檢測，首先以Vg(CNP)的電壓為檢測背景，采集消光譜T (CNP);
[0033]步驟105，調(diào)節(jié)電壓Vg，利用高于或者低于狄拉克點(diǎn)出的正負(fù)電壓進(jìn)行不同程度地增強(qiáng)樣品信號，再次采集消光譜T(EF)，所述電壓Vg的步長根據(jù)不同的待測物質(zhì)和不同的電介質(zhì)層的材料來確定。
[0034]圖2示意性示出了本發(fā)明的用于增強(qiáng)紅外光譜探測的石墨烯等離激元器件的縱向剖面示意圖。所述石墨烯等離激元器件200包括自下而上依次設(shè)置的襯底201、電介質(zhì)層202、石墨稀層203、源極204與漏極205。源極金屬層與漏極金屬層之間的石墨稀層的局部區(qū)域具有周期性微納米結(jié)構(gòu)，所述周期性微納米結(jié)構(gòu)包含多個連續(xù)縱剖面為臺階狀的結(jié)構(gòu)，待測材料層設(shè)置以覆蓋所述臺階狀的結(jié)構(gòu)；其中，所述石墨烯層覆蓋于電介質(zhì)層之上，源極與漏極金屬層沉積在石墨烯層上，源極與漏極金屬層由石墨烯導(dǎo)通。所述襯底與石墨烯層之間夾著電介質(zhì)層，構(gòu)成類似平行板電容器結(jié)構(gòu)。如圖3(a)-3(g)所示，所述石墨烯微納米結(jié)構(gòu)為臺階狀結(jié)構(gòu)，所述臺階狀結(jié)構(gòu)在石墨烯等離激元器件的橫切方向上呈圓環(huán)、圓形、橢圓形、三角形形、正六邊形、長方形、五角形的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的直徑范圍為在
10-1000nm。以圖3(a)為例，在石墨稀層301上刻蝕圓環(huán)狀通孔302，以形成石墨稀微納米結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)的邊緣能夠使待測材料與石墨烯產(chǎn)生分子共振，使得待測材料的紅外性質(zhì)增強(qiáng)。臺階狀結(jié)構(gòu)縱向剖面的放大圖如圖4(a)_4(b)所示。圖4(a)中的臺階狀結(jié)構(gòu)為盲孔401，且此種臺階狀結(jié)構(gòu)能夠在石墨烯層上產(chǎn)生直角邊緣的結(jié)構(gòu)402，當(dāng)待測物質(zhì)406涂在石墨烯微納米結(jié)構(gòu)上，能夠受到等離激元在邊緣產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁場的作用，從而能夠增強(qiáng)待測物質(zhì)的紅外性質(zhì)。同樣的，圖4(b)中的臺階狀結(jié)構(gòu)為通孔403，其同樣也能產(chǎn)生直角邊緣的結(jié)構(gòu)。在這些臺階狀結(jié)構(gòu)的邊緣都能夠在紅外光激發(fā)下產(chǎn)生局域等離激元，增強(qiáng)待測物質(zhì)的紅外吸收。
[0035]前述襯底可選用但不限于硅片、玻璃、塑料、不銹鋼等硬質(zhì)或柔性襯底，用于支撐石墨烯微納米結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，襯底201的材料為低阻硅片。
[0036]電介質(zhì)層 202 的材料選自 NaCl，KBr，CsI，CsBr，MgF2，CaF2，BaF2，LiF，AgBr，AgCl，ZnS，ZnSe，KRS-5，AMTIR1-6，Si02。本發(fā)明用到的電介質(zhì)層材料具有極低的紅外活性，能夠減少檢測的干擾，提高靈敏度。并且用于石墨烯能夠使待測物質(zhì)的紅外性質(zhì)增強(qiáng)。能夠?qū)崿F(xiàn)中、遠(yuǎn)紅外(400-4000cm 3甚至指紋區(qū)(675_1500cm 3的檢測。
[0037]石墨烯層203作為所述等離激元器件200的溝道層，覆蓋于所述電介質(zhì)層202之上，所述石墨烯層203包括單層、兩層或兩層以上的石墨烯，優(yōu)選地，可采用1-10層的石墨烯，其覆蓋于于電介質(zhì)層202上，并且與源極204和漏極205下表面接觸，形成源極與漏極間的導(dǎo)電溝道。
[0038]源極204與漏極205分別形成溝道層的兩端，其均以溝道形成電性連接。所述源極與漏極金屬層的材料不是限定性的，可選自且不限于金、銀、銅、鋁、鉑、鈦等單一金屬層、合金層或多種單一金屬層或合金層的疊加結(jié)構(gòu)，其厚度優(yōu)選為10-1000nm。
[0039]源極金屬層204與漏極金屬層205之間的石墨烯層的局部區(qū)域具有周期性微納米結(jié)構(gòu)，所述周期性微納米