石墨烯等離激元增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的譜線峰值分離方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及紅外光探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種石墨烯等離激元增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的譜線峰值分離方法。
【背景技術(shù)】
[0002]紅外輻射包含豐富的客觀信息，其探測(cè)倍受關(guān)注。紅外探測(cè)器已覆蓋短波、中波與長(zhǎng)波范圍，在軍事和民用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。其探測(cè)原理是利用材料的光電轉(zhuǎn)換性能，將紅外輻射的光子信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)，與外電路相結(jié)合達(dá)到檢測(cè)紅外光信號(hào)的目標(biāo)。
[0003]石墨烯是單層碳原子構(gòu)成的二維晶體，單層石墨的厚度約0.35nm。當(dāng)前，十層以下的石墨均被看作為石墨烯。具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)特性，在電子器件和光電器件領(lǐng)域具有巨大應(yīng)用潛力?，F(xiàn)有石墨烯基光電傳感器不但具有探測(cè)光譜范圍寬、響應(yīng)度高、速度快和噪聲低的優(yōu)點(diǎn)，且易與現(xiàn)有硅基CMOS集成電路工藝相兼容，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、低成本傳感器陣列的生產(chǎn)。到目前為止，石墨烯基光電探測(cè)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(yīng)、金屬激子結(jié)構(gòu)、石墨烯激子或者為微腔結(jié)構(gòu)等。
[0004]表面增強(qiáng)紅外吸收光譜技術(shù)(Surface-Enhanced Infrared Absorpt1n)能夠顯著增強(qiáng)被測(cè)分子的紅外光譜吸收特征，使分子光譜的靈敏度和準(zhǔn)確性大幅度提高，已逐漸成為探測(cè)微量和單層分子特征、表征精細(xì)分子結(jié)構(gòu)有效的測(cè)試分析工具。然而目前該技術(shù)存在增強(qiáng)波段十分狹窄、探測(cè)能力受到極大限制、重復(fù)性有待提高的缺陷，不具備微量分子檢測(cè)的普遍意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供了一種石墨烯等離激元增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的譜線峰值分離方法，所述方法包括:1)制作石墨烯等離激元器件的紅外增強(qiáng)及探測(cè)裝置，包括襯底、電介質(zhì)層、石墨烯層、源極與漏極金屬層以及待檢測(cè)物質(zhì)；源極金屬層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(tái)階狀的結(jié)構(gòu)，待測(cè)材料層設(shè)置以覆蓋所述臺(tái)階狀的結(jié)構(gòu)；其中，所述襯底同時(shí)作為柵極，所述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，所述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)；2)將待檢測(cè)物置于石墨烯微結(jié)構(gòu)之上；3)對(duì)石墨烯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)測(cè)試:測(cè)量石墨烯的Ids-Vg輸運(yùn)曲線，讀出石墨烯的狄拉克點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓Vg(CNP) ;4)通過調(diào)節(jié)柵極電壓來進(jìn)行紅外探測(cè)譜線峰值的分離，包括以下子步驟:a)采集石墨烯的狄拉克點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓Vg(CNP)下的消光譜T(CNP)作為背景；b)背景采集完，調(diào)節(jié)柵極電壓Vg，使其偏離石墨烯狄拉克點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的電壓，然后采集不同電壓下樣品的信號(hào)，再次采集消光譜T (EF)，所述電壓Vg的步長(zhǎng)根據(jù)不同的電介質(zhì)層材料的性質(zhì)和具體需要測(cè)量的范圍來確定，逐漸增加Vg的步長(zhǎng)。
[0006]優(yōu)選地，所述電壓Vg的范圍為-200-200V。
[0007]優(yōu)選地，所述石墨稀等離激元與待檢測(cè)物質(zhì)分子振動(dòng)親合的消光譜T由T =1-T(EF)/T(CNP)獲得。
[0008]優(yōu)選地，所述待檢測(cè)物采用旋涂或流延法，蒸鍍法，沉積法等制備至石墨烯微結(jié)構(gòu)之上。
[0009]優(yōu)選地，所述臺(tái)階的狀結(jié)構(gòu)為通孔或盲孔。
[0010]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(zhǎng)方形、五角形結(jié)構(gòu)。
[0011]優(yōu)選地，所述圓環(huán)形、圓形、橢圓形、三角形、正六邊形、長(zhǎng)方形、五角形結(jié)構(gòu)的孔徑為 10-1000nm。
[0012]優(yōu)選地，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。
[0013]應(yīng)當(dāng)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(yīng)當(dāng)用作對(duì)本發(fā)明所要求保護(hù)內(nèi)容的限制。
【附圖說明】
[0014]參考隨附的附圖，本發(fā)明更多的目的、功能和優(yōu)點(diǎn)將通過本發(fā)明實(shí)施方式的如下描述得以闡明，其中:
[0015]圖1為本發(fā)明的石墨烯等離激元增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的譜線峰值分離方法的流程圖。
[0016]圖2為本發(fā)明的用于增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的石墨烯等離激元器件的縱向剖面示意圖。
[0017]圖3(a)_3(g)為本發(fā)明的用于增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的石墨烯等離激元器件周期性微納米結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4(a)_4(b)為本發(fā)明的石墨烯微納米結(jié)構(gòu)的縱向剖面放大圖。
[0019]圖5(a)為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例以CaF2作為電介質(zhì)層所測(cè)得的石墨稀的Ids-Vg輸運(yùn)曲線圖。
[0020]圖5(b)為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例以CaFjt為電介質(zhì)層所測(cè)得的ΡΕ0薄膜的樣品譜線圖。
[0021]圖5(c)為通過調(diào)節(jié)柵極電壓Vg，精密調(diào)控E、F這兩個(gè)吸收峰的相對(duì)峰強(qiáng)關(guān)系。
[0022]圖5(d)示意性示出了在在675-1360cm 1區(qū)域以內(nèi)的吸收峰的位置以及對(duì)應(yīng)的分子振動(dòng)模式。
[0023]所述附圖僅為示意性的并且未按比例畫出。雖然已經(jīng)結(jié)合優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這里所描述的實(shí)施例。
【具體實(shí)施方式】
[0024]通過參考示范性實(shí)施例，本發(fā)明的目的和功能以及用于實(shí)現(xiàn)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(shí)施例；可以通過不同形式來對(duì)其加以實(shí)現(xiàn)。說明書的實(shí)質(zhì)僅僅是幫助相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員綜合理解本發(fā)明的具體細(xì)節(jié)。
[0025]在下文中，將參考附圖描述本發(fā)明的實(shí)施例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。
[0026]本發(fā)明提供的石墨烯等離激元增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的譜線峰值分離方法如圖1所示，所述方法包括以下步驟:
[0027]步驟101，制作石墨烯等離激元器件的紅外增強(qiáng)及探測(cè)裝置，包括襯底、電介質(zhì)層、石墨烯層、源極與漏極金屬層；源極金屬層與漏極金屬層的局部區(qū)域具有周期性微納米結(jié)構(gòu)；所述襯底同時(shí)作為柵極，源極金屬層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(tái)階狀的結(jié)構(gòu)，待測(cè)材料層設(shè)置以覆蓋所述臺(tái)階狀的結(jié)構(gòu)；所述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，所述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)；
[0028]步驟102，將待檢測(cè)物置于石墨烯微結(jié)構(gòu)之上；
[0029]步驟103，對(duì)石墨烯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行電學(xué)測(cè)試:測(cè)量石墨烯的Ids-Vg輸運(yùn)曲線，讀出石墨烯的狄拉克點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓Vg(CNP);
[0030]步驟104，通過調(diào)節(jié)柵極電壓來進(jìn)行紅外探測(cè)譜線峰值的分離，首先采集石墨烯的狄拉克點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓Vg(CNP)下的消光譜T(CNP)作為背景；
[0031]步驟105，背景采集完，調(diào)節(jié)柵極電壓Vg，使其偏離石墨烯狄拉克點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的電壓，然后采集不同電壓下樣品的信號(hào)，再次采集消光譜T (EF)，所述電壓Vg的步長(zhǎng)根據(jù)不同的電介質(zhì)層材料的性質(zhì)和具體需要測(cè)量的范圍來確定，逐漸增加Vg的步長(zhǎng)，使得本征信號(hào)里被掩蓋的峰顯現(xiàn)出來，目前試驗(yàn)測(cè)得的分辨可達(dá)15cm
[0032]圖2示意性示出了本發(fā)明的用于增強(qiáng)紅外光譜探測(cè)的石墨烯等離激元器件的縱向剖面示意圖。所述石墨烯等離激元器件200包括自下而上依次設(shè)置的襯底201、電介質(zhì)層202、石墨稀層203、源極金屬層204與漏極金屬層205。石墨稀層203覆蓋于電介質(zhì)層202之上，源極與漏極金屬層沉積在石墨稀層上，源極金屬層204與漏極金屬層205由石墨烯導(dǎo)通，所述襯底201與石墨烯層203之間夾著電介質(zhì)層202，構(gòu)成類似平行板電容器結(jié)構(gòu)。如圖3(a)-3(g)所示，所述石墨烯微納米結(jié)構(gòu)包括但不限于圓環(huán)、圓孔、橢圓孔、三角形孔、正六邊形孔、長(zhǎng)方形孔、五角星孔的結(jié)構(gòu)，孔徑的范圍為在10-1000nm。以圖3(a)為例，在石墨稀層301上刻蝕圓環(huán)狀通孔302，以形成石墨稀微納米結(jié)構(gòu)。如圖3(a)-3(g)所示，所述石墨烯微納米結(jié)構(gòu)為臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)，所述臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)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(zhǎng)方形、五角形的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的直徑范圍為在10-1000nm。以圖3(a)為例，在石墨稀層301上刻蝕圓環(huán)狀通孔302，以形成石墨稀微納米結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)的邊緣能夠使待測(cè)材料與石墨烯產(chǎn)生分子共振，使得待測(cè)材料的紅外性質(zhì)增強(qiáng)。臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)縱向剖面的放大圖如圖4(a)_4(b)所示。圖4(a)中的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)為盲孔401，且此種臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)能夠在石墨烯層上產(chǎn)生直角邊緣的結(jié)構(gòu)，當(dāng)待測(cè)物質(zhì)涂在石墨烯微納米結(jié)構(gòu)上，能夠受到等離激元在邊緣產(chǎn)生的強(qiáng)烈電磁場(chǎng)的作用，從而能夠增強(qiáng)待測(cè)物質(zhì)的紅外性質(zhì)。同樣的，圖4(b)中的臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)為通孔403，其同樣也能產(chǎn)生直角邊緣的結(jié)構(gòu)。在這些臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)的邊緣都可以在紅外光激發(fā)下產(chǎn)生局域等離激元，增強(qiáng)紅外效應(yīng)。
[0033]前述襯底可選用但不限于硅片、石英等硬質(zhì)或柔性襯底，用于支撐石墨烯微納米結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，襯底201的材料為低阻娃片。
[0034]電介質(zhì)層 202 的材料選自 NaCl，KBr，Csl，CsBr，MgF2，CaF2，BaF2，LiF，AgBr，AgCl，ZnS, ZnSe，KRS-5，AMTIR1-6，Diamond, Silica Si02。本發(fā)明用到的電介質(zhì)層材料具有極低的紅外活性，能夠減少檢測(cè)的干擾，提高靈敏度。并且用于石墨烯能夠使待測(cè)物質(zhì)的紅外性質(zhì)增強(qiáng)。能夠