[發明專利]石墨烯金屬共形納米探針增強拉曼紅外雙光譜器件及制備方法

有效

• 申請號: 201711475754.2
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108254353B
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 韋瑋;農金鵬;蘭桂蓮;陳娜;蔣漢斌;駱鵬
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01N21/35
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

一種石墨烯金屬共形納米探針增強拉曼紅外雙光譜器件，包括襯底、金屬納米探針、電介質層、石墨烯納米探針、源極及漏極。金屬納米探針與石墨烯納米探針具有相同的形狀。同時將金屬納米探針作為柵極，與石墨烯納米探針之間夾著電介質層以形成類似于平行板電容結構。通過在金屬納米探針和石墨烯納米探針直接施加外界電壓可以調節石墨烯的費米能級。在可見光波段激光照射下，激發金屬納米探針的局域表面等離激元，可以增強痕量分子的拉曼散射信號，同時在紅外光波照射下，激發石墨烯納米探針的局域表面等離激元，可以在寬波段范圍內動態增強痕量分子的紅外吸收光譜信號。本發明具有增強波段可被外電場調諧，探測靈敏度高，探測物質種類范圍廣，穩定性好等優點。

技術領域

本發明涉及表面增強光譜技術領域，尤其涉及一種同時實現表面拉曼光譜及表面紅外吸收光譜雙增強光譜器件及其制備方法。

背景技術

分子光譜檢測技術是確定生物分子組成及結構等重要信息的強力工具，廣泛應用于食品安全、環境監測、化學分析和生物醫療等重要領域。基于表面等離激元效應發展起來的表面增強型分子光譜技術突破了傳統分子光譜技術僅能對大量分子進行平均測量的技術瓶頸，將分子檢測極限提升到了單分子水平。其中，最具有代表性的是表面增強拉曼散射光譜技術(Surface-enhanced Raman scattering，SERS)和表面增強紅外吸收光譜技術(Surface-enhanced infrared absorption，SEIRA)。

生物分子中的化學鍵振動模式存在極化率和偶極矩兩種不同的變化形式。SERS技術可以探測分子極化率變化信息；而SEIRA技術可以探測分子偶極矩變化信息。然而，生物分子結構復雜，化學鍵振動模式繁多，任何單一的技術(SERS或SEIRA)僅能探測分子的部分振動模式，無法同時獲得分子的極化率和偶極矩變化信息。因此，研究人員將這兩種技術的優勢結合起來，提出了表面拉曼及紅外光譜雙增強技術，在同一基底上實現對分子極化率和偶極矩的探測。目前主要有金屬納米顆粒和金屬納米天線兩種思路。

金屬納米顆粒可在可見及紅外兩個波段產生局域電磁諧振模式。然而，這類納米結構無法在紅外波段形成強局域的諧振峰，而且難以通過結構設計對諧振峰的位置進行控制，導致紅外波段SEIRA的增強效果較差；而金屬納米探針可以通過設計高精度的探針結構，在紅外波段實現對表面等離激元諧振峰的位置進行精確調控，使得它與分子的振動頻率相同，以此獲得最大的增強效果。然而，金屬納米結構本身不能進行動態調制，在器件加工完成后，其諧振峰固定不變，無法覆蓋中紅外特征指紋區，使得金屬器件難以在紅外波段實現寬范圍的高增強效果。

石墨烯是由碳原子構成的一種新型二維晶體材料，其在紅外波段支持表面等離激元本征模式，該模式具有損耗極低、局域增強極大、諧振頻率可調諧等特性。通過調節外部電壓改變石墨烯納米結構的等離子體頻率，可對諸如蛋白質與藥物等分子的紅外振動信息進行高精度的檢測。然而，石墨烯在可見光波段衰減非常大，表面拉曼光譜的增強因子非常低。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提出一種石墨烯金屬共形納米探針增強拉曼紅外雙光譜器件及制備方法，將金納米探針與石墨烯納米探針相結合，分別在可見光及紅外波段激發金納米探針和石墨烯納米探針的表面等離激元效應，從而實現待測分子拉曼光譜和紅外吸收光譜的雙增強，具有探測靈敏度高，可實現多種未知分子一步探測等優點，可廣泛應用于環境監測、食品安全等領域。

為解決本發明的技術問題，所采用的技術方案為：

石墨烯金屬共形納米探針增強拉曼紅外雙光譜器件，包括自下而上依次設置的襯底、金屬納米探針、電介質層、石墨烯納米探針、源極及漏極金屬電極，以及待測分子。其中，所述金屬納米探針同時作為金屬背電極位于襯底上，所述電介質層位于所述金屬納米探針上，所屬石墨烯納米探針位于電介質層即柵極介質上，源極和漏極沉積在石墨烯上，源極和漏極通過石墨烯導通；所述金屬納米探針與石墨烯納米探針之間夾著電介質層，形成類似于平行板電容結構。