[發明專利]用于增強紅外光譜探測的金屬-石墨烯等離激元器件及制備方法

有效

• 申請號: 201710520408.5
• 申請日: 2017-06-30
• 公開（公告）號: CN107561028B
• 公開（公告）日: 2020-09-01
• 發明（設計）人: 戴慶;郭相東;楊曉霞;胡德波
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: G01N21/35
• 分類號: G01N21/35;G01N21/552;B82Y35/00;B82Y40/00
• 代理公司: 北京律恒立業知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 11416
• 代理人: 顧珊;龐立巖

1.一種用于增強紅外光譜探測的金屬-石墨烯等離激元器件，包括自下而上依次設置的襯底、反射層、電介質層、石墨烯薄膜、源極電壓與漏極金屬層，以及待檢測物質層；

其中，所述襯底和所述反射層作為柵極，所述反射層沉積在所述襯底上，電介質層沉積在反射層上，石墨烯薄膜覆蓋于電介質層上，源極與漏極金屬層沉積在石墨烯薄膜上，源極和漏極金屬層通過石墨烯導通，反射層與石墨烯之間夾著電介質層，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局部區域具有石墨烯周期性納米結構，所述石墨烯周期性納米結構邊緣在紅外光激發下可產生局域等離激元，實現入射光與石墨烯表面等離激元的波矢匹配；

所述源極與漏極金屬層之間的局部區域還具有金光柵層，所述金光柵層由若干個金光柵組成，所述金光柵層與石墨烯周期性納米結構形成交替結構，所述周期性納米結構與金光柵層的交替結構間隔范圍為5nm～50nm；石墨烯周期性納米結構和金光柵形成的交替結構為平行結構，金光柵直接壓覆在石墨烯條帶上面；

其中，所述石墨烯周期性納米結構為由石墨烯薄膜刻蝕成的若干相互平行且互不接觸的條帶狀結構，所述條帶狀結構的橫切面為若干個長方形或者正方形、圓形、三角形組成的結構，所述金光柵層設置在條帶狀石墨烯周期性納米結構的間隙內，所述若干個金光柵之間互不接觸，構成金屬光柵層-石墨烯的臺階狀結構；或者，其中，所述石墨烯周期性納米結構為石墨烯薄膜與電介質層的靠近石墨烯薄膜一側的下陷凹槽組成的結構，其中電介質層的靠近石墨烯薄膜一側的下陷凹槽，用于輔助石墨烯薄膜在紅外光激發下產生局域等離激元，所述金光柵層設置在石墨烯薄膜上，與所述電介質層的凹槽形成交錯排列的結構，所述若干個金光柵之間互不接觸，構成金屬光柵層-石墨烯的臺階狀結構。

2.根據權利要求1所述的金屬-石墨烯等離激元器件，其特征在于，所述襯底的材料為Si，用于作為導電柵極層；

所述反射層的材料為金、銀或金銀合金，厚度范圍為50nm～500nm；

所述電介質層的材料為MgF₂，CaF₂或BaF₂，厚度范圍為10nm～3000nm；

所述源極與漏極金屬層的材料包括金、銀、銅、鋁、鉑的單一金屬層、合金層或多種單一金屬層或合金層的疊加結構，寬度和長度范圍為10nm～2×10⁷nm，厚度范圍為5nm～3×10⁶nm。

3.根據權利要求1所述的金屬-石墨烯等離激元器件，其特征在于，待測物質層均勻涂覆在所述金屬光柵層-石墨烯的臺階狀結構上，涂覆厚度為0.5nm-200nm。

4.根據權利要求1所述的金屬-石墨烯等離激元器件的制備方法，按照如下步驟：

(1)制作反射層：利用電子束蒸鍍、熱蒸鍍、磁控濺射、原子層沉積或分子束外延生長的方法在襯底上制備金屬反射層，其中襯底的材料為硅；

(2)制作電介質層：利用電子束蒸鍍、原子層沉積或分子束外延生長的方法在反射層上制備電介質層薄膜作為無紅外活性的介電基底；利用紫外光刻、電子束曝光、納米壓印結合等離子刻蝕制作電介質層凹槽；

(3)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；

(4)轉移石墨烯薄膜：將剝離的石墨烯薄膜轉移到上述制備的電介質層上；

(5)制備石墨烯周期性納米結構：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周期性納米結構；

(6)制作源極和漏極金屬層與金光柵層：利用紫外光刻、電子束曝光、電子束蒸鍍或熱蒸鍍或磁控濺射或分子束外延生長的方法制備源極電極、漏極電極和金光柵層。