[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

本發明提供了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、源極與漏極金屬層、光柵層，以及待檢測物質層；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，源極與漏極金屬層通過石墨烯導通；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和金光柵的交替結構；相對于其他低遷移率石墨烯紅外等離激元器件結構，本發明可實現完美的紅外吸收和極高的局域電磁場增強，提高了紅外光譜探測微量物質的效率。

技術領域

本發明涉及紅外探測技術領域，特別涉及一種等離激元表面增強分子紅外吸收的金屬-石墨烯光柵傳感器件及制備方法。

背景技術

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。

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，儀器普及率高，光譜圖庫齊全等優點，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，已廣泛應用于環境監測、食品安全檢測、化學組成分析、爆炸物檢測和生物醫療等關系國計民生及國民經濟命脈的重要領域。

表面增強紅外吸收光譜技術(Surface-Enhanced Infrared Absorption)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。

石墨烯是單層碳原子構成的二維晶體，單層石墨的厚度約0.34nm。當前，十層以下的石墨均被看作為石墨烯。具有優異的力學、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。現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點，且易與現有硅基CMOS集成電路工藝相兼容，實現大規模、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。

發明內容

本發明的目的在于提供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長方形或者若干個正方形、圓形、三角形組成的結構；優選地，所述石墨烯周期性納米結構還可以是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。

優選地，所述襯底的材料為Si，用于作為導電柵極層。

其中，所述反射層，可將透過電介質的紅外光反射回去，用于再次激發石墨烯周期性納米結構邊緣局域等離激元。優選地，所述反射層的材料為金、銀或金銀合金等導電率極高的材料，其厚度范圍為50nm～500nm。