材料(氟化鈣或氟化鎂)一方面具有介電性能，另一方面幾乎沒有紅外活性的振動模式，能夠減少檢測的干擾，提高靈敏度。石墨烯層上的微結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)其附近的帶檢測物的紅外吸收，能夠?qū)崿F(xiàn)指紋區(qū)(675-1500(^1)的檢測，使用不同的介電層甚至能夠?qū)崿F(xiàn)中、遠(yuǎn)紅外(400-4000(^1)的檢測。
[0033]石墨烯層103作為所述等離激元器件100的溝道層，覆蓋于所述電介質(zhì)層102之上，所述石墨烯層103包括單層、兩層或兩層以上的石墨烯，優(yōu)選地，可采用1-3層的石墨烯，其覆蓋于電介質(zhì)層102上，并且與源極104和漏極105下表面接觸，形成源極與漏極金屬層間的導(dǎo)電溝道。
[0034]源極104與漏極105金屬層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。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，源極與漏極金屬層的材料為金。
[0035]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，電介質(zhì)層102選用MgF2，這是由于MgF2g身化學(xué)、物理和熱穩(wěn)定性能良好。而且，它具有良好的透紅外光性能(91000-1 lOOnm)。另外，它的介電常數(shù)較高(5.45)，是一種能夠作為介電層的材料。
[0036]CaF2，BaF# MgF 2相似，自身化學(xué)、物理和熱穩(wěn)定性能良好并具有良好的透紅外光性能(91000-1 lOOnm)。
[0037]ZnS,ZnSe屬于寬禁帶的半導(dǎo)體，介電性能沒有氟化鈣好。但是透紅外的性能都比較優(yōu)越。
[0038]NaCl, KBr, CaF2，BaF2，與CaF2，8&?2與MgF 2相似，自身化學(xué)、物理和熱穩(wěn)定性能良好。而且，它具有良好的透紅外光性能(91000-1 lOOnm)。另外，它們都是能夠作為介電層的材料。只是易溶于水的性質(zhì)會限制其應(yīng)用。
[0039]圖4為本發(fā)明的用于增強(qiáng)紅外光譜檢測的石墨烯等離激元器件的制備方法流程圖。
[0040]首先，步驟401，制作襯底。襯底101可被中紅外線和遠(yuǎn)紅外線穿透的材料，例如硅片、石英等，為石墨烯溝道層的紅外檢測提供條件；
[0041]然后，步驟402，制備電介質(zhì)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(zhì)層薄膜(10-1000nm)作為無紅外活性的介電基底；
[0042]步驟403，制備石墨烯薄膜:通過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械剝離工藝或者化學(xué)氣相沉積法獲取石墨稀薄膜；
[0043]步驟404，轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜:將剝離的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到上述制備的介電基底上；
[0044]步驟405，利用紫外光刻、電子束曝光、納米壓印結(jié)合等離子刻蝕，制備石墨稀微納米結(jié)構(gòu)，所述石墨烯微納米結(jié)構(gòu)為圓環(huán)、圓孔、橢圓孔、三角形孔、正六邊形孔、長方形孔、五角星孔的結(jié)構(gòu)；
[0045]步驟406，制作源極與漏極金屬層:利用電子束蒸鍍、原子沉積或分子束外延生長的方法制備電極。如圖1所示，在該步驟中，源極104漏極105被同時(shí)構(gòu)圖形成，源極104漏極105均可以與石墨烯形成歐姆接觸。
[0046]步驟407，將待測物質(zhì)均勾制備至石墨稀微納米結(jié)構(gòu)的表面:待測物質(zhì)薄膜通過旋涂或流延法覆蓋在石墨烯微納米結(jié)構(gòu)之上。例如，若待測物質(zhì)為PE0薄膜，則是用lg PE0粉末(分子量100000)溶解于60mL甲醇溶液，然后2000 (轉(zhuǎn)/分鐘)旋涂于石墨烯微納米結(jié)構(gòu)的表面。
[0047]至此，圖4所示的所述石墨烯等離激元器件基本制備形成。
[0048]本發(fā)明的石墨烯等離激元器件用于紅外檢測領(lǐng)域有以下幾個(gè)優(yōu)勢:(1)石墨烯微結(jié)構(gòu)受到紅外光激發(fā)等離激元，在石墨烯微結(jié)構(gòu)周圍形成的局域電磁場能夠增強(qiáng)待檢測物質(zhì)的紅外吸收(實(shí)驗(yàn)測得5倍左右)；(2)石墨烯等離激元的獨(dú)特的可調(diào)性，能夠在紅外檢測中實(shí)現(xiàn)幾何尺寸調(diào)控、介電基底調(diào)控以及獨(dú)特的電壓調(diào)制，結(jié)合這幾種調(diào)制能夠?qū)崿F(xiàn)從近紅外到中、遠(yuǎn)紅外波段的區(qū)域(400-4000(^1)的探測；(3)本實(shí)驗(yàn)用到的介電基底具有極低的紅外活性，能夠減少檢測的干擾，提高靈敏度。并且能夠?qū)崿F(xiàn)指紋區(qū)(675-1500cm 3的檢測。
[0049]結(jié)合這里披露的本發(fā)明的說明和實(shí)踐，本發(fā)明的其他實(shí)施例對于本領(lǐng)域技術(shù)人員都是易于想到和理解的。說明和實(shí)施例僅被認(rèn)為是示例性的，本發(fā)明的真正范圍和主旨均由權(quán)利要求所限定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于增強(qiáng)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(shè)置的襯底、電介質(zhì)層、石墨烯層、源極與漏極金屬層，以及待檢測物質(zhì)； 其中，所述襯底同時(shí)作為柵極，所述電介質(zhì)層沉積在所述襯底上，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，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)； 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(jié)構(gòu)； 所述周期性微納米結(jié)構(gòu)包含多個(gè)連續(xù)縱剖面為臺階狀的結(jié)構(gòu)，所述臺階狀的結(jié)構(gòu)的邊緣在紅外光激發(fā)下產(chǎn)生局域等離激元，所述待測材料層設(shè)置以覆蓋所述臺階狀的結(jié)構(gòu)； 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。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離激元器件，所述臺階狀的結(jié)構(gòu)為盲孔或通孔的結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離激元器件，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)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離激元器件，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。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離激元器件，所述電介質(zhì)層的厚度范圍為:10-1000nm。6.如權(quán)利要求1所述的石墨稀等離激元器件的制備方法，其中，按照如下步驟: (1)制備電介質(zhì)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(zhì)層薄膜作為無紅外活性的介電基底； (2)制備石墨烯薄膜:通過標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械剝離工藝或者化學(xué)氣相沉積法獲取石墨烯薄膜； (3)轉(zhuǎn)移石墨烯薄膜:將剝離的石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到上述制備的介電基底上； (4)利用紫外光刻、電子束曝光、納米壓印結(jié)合等離子刻蝕，制備石墨烯微納米結(jié)構(gòu)； (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； (6)將待測物質(zhì)均勾制備至石墨稀微納米結(jié)構(gòu)的表面。7.如權(quán)利要求6所述的石墨烯等離激元器件的制備方法，其中所述臺階狀的結(jié)構(gòu)為通孔或盲孔的結(jié)構(gòu)。8.如權(quán)利要求6所述的石墨烯等離激元器件的制備方法，其中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)。9.如權(quán)利要求6所述的石墨烯等離激元器件的制備方法，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(jié)構(gòu)的孔徑為10-1000nm。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于增強(qiáng)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(shè)置的襯底、電介質(zhì)層、石墨烯層、源極與漏極金屬層，以及待檢測物質(zhì)；其中，襯底同時(shí)作為柵極，電介質(zhì)層沉積在襯底上，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，襯底與石墨烯層之間夾著電介質(zhì)層；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(jié)構(gòu)；周期性微納米結(jié)構(gòu)包含多個(gè)連續(xù)縱剖面為臺階狀的結(jié)構(gòu)，待測材料層設(shè)置以覆蓋臺階狀的結(jié)構(gòu)；電介質(zhì)層的材料選自：NaCl，KBr，CsI，CsBr，MgF2，CaF2，BaF2，LiF，AgBr，AgCl，ZnS，ZnSe，KRS-5，AMTIR1-6，Diamond，SiO2。
【IPC分類】H01L31/0236, H01L31/18, H01L31/101, H01L31/028
【公開號】CN105355702
【申請?zhí)枴緾N201510792417
【發(fā)明人】胡海, 胡德波, 白冰, 劉瑞娜, 楊曉霞, 戴慶
【申請人】國家納米科學(xué)中心
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年11月17日