用于增強紅外光譜探測的石墨烯等離激元器件及制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外光探測技術領域，特別涉及一種用于增強紅外光譜探測的石墨烯等離激元器件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]紅外光譜技術是一種直接探測分子振動模式實現對物質進行特征識別及定量分析的技術及方法。該技術具有高度的“指紋”特征性，無需樣品標記，響應速度快，儀器普及率最高，光譜圖庫最齊全等優(yōu)點，是確定分子組成、構象和結構變化信息的強力工具和不可或缺的手段，已廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、食品安全檢測、化學組成分析、爆炸物檢測和生物醫(yī)療等關系國計民生及國民經濟命脈的重要領域。
[0003]紅外輻射包含豐富的客觀信息，其探測倍受關注。紅外探測器已覆蓋短波、中波與長波范圍，在軍事和民用領域得到了廣泛應用。其探測原理是利用材料的光電轉換性能，將紅外輻射的光子信號轉換為電子信號，與外電路相結合達到檢測紅外光信號的目標。
[0004]石墨烯是單層碳原子構成的二維晶體，單層石墨的厚度約0.35nm。當前，十層以下的石墨均被看作為石墨烯。具有優(yōu)異的力學、熱學、電學和光學特性，在電子器件和光電器件領域具有巨大應用潛力?，F有石墨烯基光電傳感器不但具有探測光譜范圍寬、響應度高、速度快和噪聲低的優(yōu)點，且易與現有硅基CMOS集成電路工藝相兼容，實現大規(guī)模、低成本傳感器陣列的生產。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、金屬激子結構、石墨烯激子或者為微腔結構等。
[0005]表面增強紅外吸收光譜技術(Surface-Enhanced Infrared Absorpt1n)能夠顯著增強被測分子的紅外光譜吸收特征，使分子光譜的靈敏度和準確性大幅度提高，已逐漸成為探測微量和單層分子特征、表征精細分子結構有效的測試分析工具。然而目前該技術存在增強波段十分狹窄、探測能力受到極大限制、重復性有待提高的缺陷，不具備微量分子檢測的普遍意義。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明提供了一種用于增強紅外光譜探測的石墨烯等離激元器件，包括:自下而上依次設置的襯底、電介質層、石墨烯層、源極與漏極金屬層，以及待檢測物質；其中，所述襯底同時作為柵極，所述電介質層沉積在所述襯底上，石墨烯層覆蓋于電介質層之上，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通，襯底與石墨烯層之間夾著電介質層，構成類似平行板電容器結構；所述源極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構；所述周期性微納米結構包含多個連續(xù)縱剖面為臺階狀的結構，所述臺階狀的結構的邊緣在紅外光激發(fā)下產生局域等離激元，所述待測材料層設置以覆蓋所述臺階狀的結構；所述電介質層的材料選自:NaCl，KBr, Csl, CsBr, MgF2，CaF2，BaF2，LiF, AgBr, AgCl，ZnS, ZnSe, KRS-5, AMTIR1-6，Diamond，Si02。
[0007]優(yōu)選地，所述臺階狀的結構為盲孔或通孔的結構。
[0008]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、五角形結構。
[0009]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、五角形結構的孔徑為 10-1000nm。
[0010]優(yōu)選地，所述電介質層的厚度范圍為:10-1000nm。
[0011]優(yōu)選地，所述的石墨烯等離激元器件的制備方法，按照如下步驟:
[0012](1)制備電介質層:利用電子束蒸鍍、原子沉積或分子束外延生長的方法在襯底上制備電介質層薄膜作為無紅外活性的介電基底；
[0013](2)制備石墨烯薄膜:通過標準機械剝離工藝或者化學氣相沉積法獲取石墨烯薄膜；
[0014](3)轉移石墨烯薄膜:將剝離的石墨烯薄膜轉移到上述制備的介電基底上；
[0015](4)利用紫外光刻、電子束曝光、納米壓印結合等離子刻蝕，制備石墨烯微納米結構；
[0016](5)制作源極與漏極金屬層:利用紫外光刻、原子沉積或分子束外延生長的方法制備電極；
[0017](6)將待測物質均勻制備至石墨烯微納米結構的表面。
[0018]優(yōu)選地，所述臺階狀的結構為通孔或盲孔的結構。
[0019]優(yōu)選地，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、五角形結構。
[0020]優(yōu)選地，其中圓環(huán)形、圓形、橢圓形、三角形、正六邊形、長方形、五角形結構的孔徑為 10-1000nm。
[0021]應當理解，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，并不應當用作對本發(fā)明所要求保護內容的限制。
【附圖說明】
[0022]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點將通過本發(fā)明實施方式的如下描述得以闡明，其中:
[0023]圖1為本發(fā)明的用于增強紅外光譜探測的石墨烯等離激元器件的縱向剖面示意圖。
[0024]圖2a_2g為本發(fā)明的用于增強紅外光譜探測的石墨烯等離激元器件周期性微納米結構示意圖。
[0025]圖3a_3b為本發(fā)明的石墨烯微納米結構的縱向剖面放大圖。
[0026]圖4為本發(fā)明的用于增強紅外光譜檢測的石墨烯等離激元器件的制備方法流程圖。
[0027]所述附圖僅為示意性的并且未按比例畫出。雖然已經結合優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行了描述，但應當理解本發(fā)明的保護范圍并不局限于這里所描述的實施例。
【具體實施方式】
[0028]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。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發(fā)明的具體細節(jié)。
[0029]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0030]本發(fā)明的一種用于增強紅外光譜探測的石墨烯等離激元器件的縱向剖面示意圖如圖1所示。
[0031]所述石墨烯等離激元器件100包括自下而上依次設置的襯底101、電介質層102、石墨稀層103、源極104與漏極金屬層105。所述襯底101為娃襯底，襯底同時作為柵極，電介質層102沉積在襯底101上，石墨稀層103覆蓋于電介質層102之上，源極與漏極金屬層沉積在石墨稀層上，源極與漏極金屬層由石墨稀導通，襯底101與石墨稀層105之間夾著電介質層102，構成類似平行板電容器結構，源極104、漏極105與襯底101也構成類似平行板電容器結構，可以對石墨烯層進行摻雜。所述石墨烯層103上至少源極104與漏極105之間的局部區(qū)域的石墨烯層上具有周期性微納米結構。如圖2a-2g所示，所述石墨烯微納米結構為臺階狀結構，所述臺階狀結構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、正六邊形、長方形、五角形的結構，這些結構的直徑范圍為在10-1000nm。以圖2a為例，在石墨烯層201上刻蝕圓環(huán)狀通孔202，以形成石墨烯微納米結構。在這些結構的邊緣能夠產生等離激元，待測材料的分子振動在等離激元的強局域電磁場作用下獲得增強，進而增強待測材料的紅外吸收。臺階狀結構縱向剖面的放大圖如圖3a-3b所示。圖3a中的臺階狀結構為盲孔301，且此種臺階狀結構能夠在石墨烯層上產生直角邊緣的結構(302)，當待測物質306涂在石墨稀微納米結構上，能夠增加與石墨稀結構邊緣的接觸面積，而邊緣處的等離激元能夠有效增強待測物質的紅外吸收強度。同樣的，圖3b中的臺階狀結構為通孔303，其同樣也能產生直角邊緣的結構。這些臺階狀結構的邊緣可以在紅外光激發(fā)下產生局域等離激元。前述襯底可選用但不限于硅片、玻璃、塑料、不銹鋼等硬質或柔性襯底，用于支撐石墨稀微納米結構。
[0032]電介質層102沉積在襯底101之上，電介質層102的材料選自NaCl，KBr, Csl,CsBr, MgF2，CaF2，BaF2，LiF, AgBr, AgCl, ZnS, ZnSe, KRS-5, AMTIR1-6，Diamond，Si02。優(yōu)選地，本發(fā)明具體實施例中用到的電介質層